基于虛擬仿真的三維激光掃描技術(shù)教學(xué)改革研究

文/廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 楊忞婧 魏海霞 譚金石 王 瑤 劉溢晨 丘均耀

為適應(yīng)測繪地理信息產(chǎn)業(yè)升級對數(shù)據(jù)采集空天地一體化、數(shù)據(jù)處理智能化、數(shù)據(jù)應(yīng)用個性化和數(shù)據(jù)服務(wù)專業(yè)化的發(fā)展需求[1],并滿足測繪地理信息行業(yè)對高素質(zhì)、復(fù)合型、高端技術(shù)技能人才的需求,根據(jù)《教育部關(guān)于開展國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)工作的通知》精神,應(yīng)堅持“學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”的原則,推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)融入實驗教學(xué)項目,拓展實驗教學(xué)內(nèi)容廣度和深度,延伸實驗教學(xué)時間和空間,提升教學(xué)質(zhì)量。

學(xué)生參與實驗、實習(xí)和實訓(xùn)等實踐教學(xué),通過親手操作親身體驗獲得工程經(jīng)驗[2],是高等職業(yè)教育教學(xué)過程中的必要環(huán)節(jié)。當(dāng)前國內(nèi)以虛擬仿真技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行實踐教學(xué)改革已基本覆蓋所有學(xué)科領(lǐng)域,虛擬仿真技術(shù)因其沉浸性、逼真性、交互性等特點[3],既能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,又能促進(jìn)實踐教學(xué)資源共享,從而被廣泛應(yīng)用于高校的實踐教學(xué)中。

本文旨在通過虛擬仿真技術(shù)手段,構(gòu)建城市地面街景、橋梁、隧道、古建筑及山體等典型應(yīng)用場景,開展地面三維激光掃描測繪實踐,幫助學(xué)生掌握三維激光掃描儀及點云數(shù)據(jù)處理軟件的使用,完成地面三維激光掃描測繪作業(yè)的仿真交互實訓(xùn)過程,提升學(xué)生分析解決三維激光點云數(shù)據(jù)的“采集-處理-應(yīng)用”全過程問題的解決能力。

一、虛擬仿真實踐教學(xué)資源建設(shè)的必要性

目前三維激光掃描技術(shù)已成為測繪領(lǐng)域研究與應(yīng)用的熱點技術(shù),該技術(shù)區(qū)別于傳統(tǒng)的單點測量方式,利用激光測距原理,無須接觸,能自動、連續(xù)地獲取目標(biāo)物體表面海量且密集的高精度三維坐標(biāo)信息和反射率信息,從而實現(xiàn)快速實景復(fù)制。[4]三維激光掃描技術(shù)不僅廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)測繪領(lǐng)域,例如地形地圖測繪、地籍測繪、土方測量、變形監(jiān)測及工程測量[5],還在文物保護(hù)、考古、地質(zhì)、礦業(yè)、林業(yè)及水利工程中也取得了較多的研究成果。但是,三維激光掃描技術(shù)實踐教學(xué)對天氣、場地、安全等方面有較高的要求,現(xiàn)針對該技術(shù)實踐教學(xué)中存在的“三高三難”問題進(jìn)行分析。

1.高投入、高風(fēng)險

隨著測繪科學(xué)與技術(shù)的迅速發(fā)展,常常需要使用各種高端精密測量儀器,例如三維激光掃描儀。這類儀器設(shè)備造價昂貴,常見地面激光掃描儀售價在100萬左右,購置和維護(hù)的成本高且易損耗,在高職院校擴(kuò)招背景下,面對龐大的學(xué)生數(shù)量,要滿足每一個想了解并應(yīng)用該技術(shù)的學(xué)生都能使用三維激光掃描儀進(jìn)行實驗練習(xí)是非常困難的。此外,在開展外業(yè)點云數(shù)據(jù)采集實訓(xùn)時,學(xué)生在實踐過程中受各種不確定因素影響可能存在人身及設(shè)備安全隱患。

2.難實施、難觀摩

目前三維激光掃描技術(shù)在地形掃描及變形監(jiān)測方面使用廣泛,而校內(nèi)實訓(xùn)區(qū)域面積有限、地形地貌結(jié)構(gòu)單一,缺乏相對復(fù)雜、密集度較高、種類豐富的地物集,很難提供接近實際的測量環(huán)境。此外,校內(nèi)也不具備開展監(jiān)測項目的條件,例如隧道監(jiān)測、橋梁監(jiān)測等。

3.難再現(xiàn)、高損耗

該實訓(xùn)過程耗時長且難再現(xiàn),教師和學(xué)生都無法回顧已完成的實訓(xùn)操作對重難點進(jìn)行指導(dǎo)。在指導(dǎo)教師數(shù)量與學(xué)生數(shù)量比例較小的情況下,實習(xí)小組往往分散在校內(nèi)實訓(xùn)場地的各處,教師需要不斷往返各小組實訓(xùn)點來指導(dǎo)不同的學(xué)生進(jìn)行實訓(xùn)。在有限的學(xué)時內(nèi),難以實現(xiàn)個性化精準(zhǔn)輔導(dǎo),也難以全面獲知學(xué)生的知識技能掌握情況。此外,在激光掃描儀數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的情況下,高頻率地使用設(shè)備將加快設(shè)備的損耗。

開展虛擬仿真實踐教學(xué),學(xué)生不受時間和空間的約束,可以先利用互聯(lián)網(wǎng)練習(xí)虛擬仿真儀器的操作,待熟練后可使用真實儀器進(jìn)行操作。該方式可以減少貴重設(shè)備誤操作、降低實訓(xùn)危險性,以較低成本完成各項生產(chǎn)過程實訓(xùn)。

二、虛擬仿真實踐教學(xué)資源建設(shè)

三維激光掃描技術(shù)虛擬仿真實踐教學(xué)依托虛擬現(xiàn)實、仿真裝備與多媒體技術(shù),融合多種互動硬件與數(shù)據(jù)庫,對理論和實踐教學(xué)的真實環(huán)節(jié)進(jìn)行模擬仿真。[6]充分發(fā)揮虛擬仿真技術(shù)在測繪地理信息技術(shù)教學(xué)實踐方面的優(yōu)勢,能夠解決測繪地理信息高端復(fù)合型技能人才培養(yǎng)的瓶頸。搭建虛擬仿真三維實訓(xùn)場景,按照基礎(chǔ)技能訓(xùn)練、綜合技能訓(xùn)練和創(chuàng)新技術(shù)訓(xùn)練的人才培養(yǎng)進(jìn)階模式,在地形圖測繪、不動產(chǎn)測繪、古建筑測繪、工程測量、變形監(jiān)測及土方測量等應(yīng)用中開設(shè)虛擬仿真實踐項目(圖1)。

圖1 三維激光掃描技術(shù)實踐教學(xué)虛擬仿真資源建設(shè)

1.虛擬仿真儀器三維模型

三維激光掃描技術(shù)實踐教學(xué)的基礎(chǔ)條件是儀器設(shè)備。以地面三維激光掃描儀、車載掃描儀、手持掃描儀和機(jī)載掃描儀為主,標(biāo)靶球、三腳架等相關(guān)配件及數(shù)據(jù)處理軟件為輔,創(chuàng)建虛擬仿真測繪儀器三維模型。虛擬仿真測繪儀器不僅外觀高度仿真,而且分離后的模型結(jié)構(gòu)與真實儀器的重要組成部分基本一致(圖2)。

2.虛擬仿真三維場景及實體模型

通過建設(shè)數(shù)字化全景虛擬仿真時空數(shù)據(jù)庫場景,可實現(xiàn)基礎(chǔ)場景、學(xué)校場景、丘陵場景的高清真實化呈現(xiàn),支持與虛擬三維激光掃描儀的智能互動。通過三維模型展示場景、虛擬測量儀器、交互測試環(huán)境,按照規(guī)范的操作流程、測量工法,體驗項目實施場景和工作過程。在校內(nèi)按照一定比例建立實訓(xùn)場景實體模型,例如可以建立橋梁、隧道實體模型,沉降基坑模型,邊坡山體模型等。學(xué)生可以先開展虛擬仿真實訓(xùn),在熟悉測量場景和技術(shù)要求、實操流程和數(shù)據(jù)處理各環(huán)節(jié)后,在實體模型中進(jìn)行掃描實訓(xùn),這樣不僅減少了實訓(xùn)的耗時,也提高了實訓(xùn)課堂的教學(xué)效果,以虛實結(jié)合的方式讓學(xué)生扎實地掌握三維激光掃描技術(shù)在項目應(yīng)用中的作業(yè)流程和技術(shù)要領(lǐng)(圖3)。

圖3 廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院校園虛擬仿真實訓(xùn)場景

3.三維激光掃描技術(shù)虛擬仿真實訓(xùn)

基于“學(xué)生中心、注重體驗、能力為本”的理念,按照突出學(xué)生主體地位,注重實際環(huán)境體驗,提升綜合素質(zhì)的思路,構(gòu)建基礎(chǔ)理論牽引、虛擬操作實踐和現(xiàn)場實訓(xùn)三位一體的實訓(xùn)方案。建設(shè)基礎(chǔ)技能訓(xùn)練(認(rèn)知型)、綜合技能訓(xùn)練(綜合型)、創(chuàng)新型訓(xùn)練(探究型)三類進(jìn)階的虛擬仿真實訓(xùn)項目。

基礎(chǔ)技能訓(xùn)練主要面向三維激光掃描技術(shù)的初學(xué)者。從三維激光掃描外業(yè)到內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理,通過動畫演示、游戲闖關(guān)的方式,指引學(xué)生按照實際過程完成操作。基礎(chǔ)技能訓(xùn)練虛擬仿真資源能夠?qū)崿F(xiàn)學(xué)生對基礎(chǔ)理論知識及儀器認(rèn)知的掌握,并在三維虛擬仿真交互場景中學(xué)習(xí)實驗操作步驟,例如:項目設(shè)計、測站點布設(shè)、三維激光掃描儀架設(shè)、儀器參數(shù)設(shè)置、一站式激光點云數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)檢查預(yù)覽及導(dǎo)出存儲等。

綜合技能訓(xùn)練主要面向已完成基礎(chǔ)技能訓(xùn)練的學(xué)生。建設(shè)基于互聯(lián)網(wǎng)在線共享的三維激光掃描測繪應(yīng)用項目,采用虛擬仿真技術(shù)模擬古建筑/文物三維掃描、城市街景三維掃描、地鐵隧道內(nèi)部三維掃描測量實施過程。例如古建筑測繪項目,可以選擇古建筑的虛擬場景,根據(jù)精度要求,布設(shè)合理的測站點,選擇最佳掃描方案,再利用虛擬三維激光掃描儀進(jìn)行多測站多角度的掃描,最后將獲取的點云導(dǎo)入虛擬的數(shù)據(jù)處理軟件中,獲得相應(yīng)的成果。

創(chuàng)新型訓(xùn)練主要面向已完成綜合技能訓(xùn)練的學(xué)生。學(xué)生可以在實訓(xùn)場景實體模型中使用真實的三維激光掃描儀進(jìn)行外業(yè)掃描作業(yè),將三維激光掃描技術(shù)與其他測繪技術(shù)交互,掌握三維激光掃描儀、RTK控制測量、導(dǎo)線測量等操作過程。例如地形圖測繪項目,可以選擇地形地物較為豐富的校園場景,使用全站儀或RTK布設(shè)控制點后,再使用激光掃描儀完成外業(yè)掃描,最后將點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入真實的點云數(shù)據(jù)處理軟件中進(jìn)行處理,完成項目應(yīng)用(圖4)。

圖4 虛擬仿真一站式點云數(shù)據(jù)采集實訓(xùn)流程圖

三、虛擬仿真實踐教學(xué)設(shè)計

學(xué)生通過教學(xué)過程最終獲得學(xué)習(xí)成果,目的是培養(yǎng)學(xué)生獲取信息、學(xué)習(xí)技能及運用知識解決實際工程問題的能力,該教育理念符合應(yīng)用型工程人才培養(yǎng)的要求。從創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教學(xué)結(jié)果出發(fā),制定虛擬仿真教學(xué)計劃,評定學(xué)生能力,這也是虛擬仿真實踐教學(xué)的理念和落腳點。根據(jù)學(xué)習(xí)成果類型的不同選擇合適的虛擬仿真教學(xué)方法,創(chuàng)設(shè)豐富的教學(xué)環(huán)境,可以調(diào)動學(xué)生積極參與教學(xué)過程。合理的虛擬仿真實驗設(shè)計不僅能吸引學(xué)生,還能讓復(fù)雜而單調(diào)的操作過程變得更有趣更生動,也讓復(fù)雜抽象的重難點理論知識通過實踐體驗變得淺顯易懂。

1.“學(xué)”階段

“學(xué)”階段重點關(guān)注三維激光掃描儀的操作方法、測量工法流程,將重點和難點問題科學(xué)劃分為實際操作中的若干步驟和環(huán)節(jié),強(qiáng)調(diào)細(xì)節(jié)的圖像化呈現(xiàn)。將虛擬仿真三維激光掃描儀等設(shè)備的拆裝講解以視頻動畫方式呈現(xiàn),儀器的使用流程以帶有指引性的跟蹤操作進(jìn)行展示。學(xué)生可以在不同的步驟環(huán)節(jié)中自由跳轉(zhuǎn),針對薄弱環(huán)節(jié)重復(fù)學(xué)習(xí),促進(jìn)關(guān)鍵知識點的“形象化認(rèn)知過程”的實現(xiàn)。以人機(jī)互動的方式讓學(xué)生熟悉三維激光掃描儀的構(gòu)造、原理和性能,并熟悉常用的外業(yè)操作及注意事項等,以達(dá)到能使用三維激光掃描儀順利完成實驗的目的。[7]

2.“練”階段

在“練”階段,軟件提供了浸入式操作環(huán)境,學(xué)生按照軟件提供的分步驟提示,在交互場景中跟進(jìn)操作。目的是使學(xué)生掌握儀器操作和工法實現(xiàn)過程的“點”和“度”,促進(jìn)關(guān)鍵知識點的有效建構(gòu)和內(nèi)化。在學(xué)習(xí)過程中,配套理論知識點的穿插提問,用闖關(guān)問答的方式增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,并加深學(xué)生對知識點和技能點的掌握。將學(xué)生自主在平臺的練習(xí)過程納入課程考核的一部分,以虛擬實驗任務(wù)為驅(qū)動,讓學(xué)生能夠充分利用課余時間在虛擬仿真一體機(jī)或虛擬仿真教學(xué)實驗軟件上自主學(xué)習(xí)并完成虛擬實驗。

3.“測”階段

在“測”階段,軟件提供了開放式的測試環(huán)境,系統(tǒng)針對實踐操作過程自動打分,并提供錯誤操作提示。每個學(xué)生使用自己的學(xué)習(xí)賬號進(jìn)行實名登錄,系統(tǒng)記錄該學(xué)生的登錄信息后,在演練過程中隨機(jī)獲取操作者的面部照片以保證課程考核的真實性。此外,系統(tǒng)還要記錄學(xué)生的實驗任務(wù)情況、演練次數(shù)、演練時長、操作步驟及反饋評價。最后一次演練后還要進(jìn)行綜合性考核,考核合格后可以在教師的指導(dǎo)下,參與真實的三維激光掃描技術(shù)實訓(xùn)。不合格者要求重新參加虛擬演練,直到考核合格。教師和學(xué)生通過實踐操作過程的重現(xiàn),能夠發(fā)現(xiàn)操作過程中存在的問題,并及時糾正。針對共性問題可以通過虛擬仿真實訓(xùn)演示給予共同指導(dǎo),對于個性問題可以就單個知識點或技能點給予單獨指導(dǎo),最終達(dá)到知識向技能的平滑轉(zhuǎn)化。[8]

四、結(jié)束語

三維激光掃描技術(shù)實訓(xùn)從外業(yè)數(shù)據(jù)采集到內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理,既能單個實驗獨立開展,也能多個實驗合并后設(shè)計成一個綜合性實驗。利用虛擬仿真技術(shù)可以靈活方便地完成多種在真實場景中存在實際操作困難或者因設(shè)備數(shù)量不足而難以完成的教學(xué)實踐項目,它還能幫助學(xué)習(xí)者擺脫區(qū)域和時間的限制,為自主學(xué)習(xí)提供便利。

本文采用以虛助實、虛實結(jié)合的方式攻克三維激光掃描技術(shù)實踐教學(xué)中的“三高三難”,通過實踐教學(xué)與虛擬現(xiàn)實的深度融合,解決實踐教學(xué)中的難點和痛點,全面推進(jìn)實踐教學(xué)改革。重點拓展“難實施、難觀摩”的實驗項目,重塑“高風(fēng)險、高投入”的實訓(xùn)項目。多樣化“虛擬仿真+場景交互”能有效提升學(xué)生動手操作興趣,強(qiáng)化對理論知識的理解和記憶,從主觀上提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率,進(jìn)而提升學(xué)生的綜合職業(yè)能力,打造復(fù)合型、創(chuàng)新型高素質(zhì)技術(shù)技能人才培養(yǎng)高地。