構建VR交互式自然景觀的技術策略研究

摘要：本文探討了VR技術的基本原理和關鍵技術，提出了構建VR交互式自然景觀的方法。該方法基于VR全景和虛擬現(xiàn)實引擎分析，比較了軟件、航空影像和激光掃描的建模方法，旨在高效實現(xiàn)數(shù)字化自然景觀。經(jīng)過評估自然景觀特征、建模技術特點以及包括形態(tài)采集、數(shù)據(jù)分析、場景規(guī)劃、模型構建和交互設計在內(nèi)實施方案，開發(fā)了以Unreal Engine為核心，融合激光掃描、景觀敏感性分析、點云數(shù)據(jù)建模的高效策略，旨在促進用戶與虛擬自然景觀之間的實時交互，增強交互的沉浸感和滿意度。

關鍵詞：VR技術；自然景觀；交互；數(shù)字景觀

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2025.01.007

中圖分類號：TP 18" " " " " " " " "文獻標志碼：A" " " " " " 文章編碼：1672-7274（2025）01-00-03

Research on Technical Strategies for Building VR Interactive Natural Landscapes

CHENG Ting

（Jinzhong Information College， Jinzhong 030800， China）

Abstract： This article explores the basic principles and key technologies of VR technology， and proposes methods for constructing VR interactive natural landscapes. This method is based on VR panoramic and virtual reality engine analysis， comparing modeling methods of software， aerial imagery， and laser scanning， aiming to efficiently achieve digital natural landscapes. After evaluating the natural landscape features， modeling technology characteristics， and implementation plans including form collection， data analysis， scene planning， model construction， and interaction design， this article developed an efficient strategy that integrates laser scanning， landscape sensitivity analysis， and point cloud data modeling with Unreal Engine as the core. Intended to promote real-time interaction between users and virtual natural landscapes， enhancing the immersion and satisfaction of the interaction.

Keywords： VR technology; natural landscape; interaction; digital landscape

數(shù)字時代背景下，VR交互式自然景觀作為虛擬現(xiàn)實技術的創(chuàng)新應用，利用數(shù)字景觀與虛擬現(xiàn)實技術將真實自然景觀精準模擬與還原，賦予用戶沉浸式的感知、互動與探索體驗。然而，當前該領域在細節(jié)呈現(xiàn)與真實感方面仍有不足，影響了沉浸效果。鑒于此，本文深入剖析VR技術核心，評估各技術優(yōu)勢，并依據(jù)特定需求與場景，探索優(yōu)化VR交互式自然景觀的技術路徑[1]。

1" "自然景觀的數(shù)字化表達

通過對真實景觀的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與分析、優(yōu)化與生成自然景觀的數(shù)字化模擬，提供涵蓋互動視頻、設計建造、教育旅游等多個領域的To C與To B虛擬交互應用。該系統(tǒng)通過收集使用者數(shù)據(jù)來持續(xù)優(yōu)化用戶體驗，形成良性機制，以促進景觀認知、親環(huán)境性發(fā)展及商業(yè)價值激發(fā)。其系統(tǒng)模式如圖1所示。

1.1 自然景觀的數(shù)字化采集與分析

通過遙感技術、數(shù)字攝影測量、三維激光掃描技術、全站儀測量等數(shù)據(jù)采集技術提供更為全面、客觀、準確的數(shù)據(jù)資料，為互聯(lián)網(wǎng)來源的OSM地圖數(shù)據(jù)、DEM高程數(shù)據(jù)、POI城市空間點數(shù)據(jù)等提供了豐富的數(shù)據(jù)類型與樣本。目前已經(jīng)實現(xiàn)了開放共享的覆蓋主要生態(tài)要素資源環(huán)境數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，通過GIS將即時生成的關聯(lián)數(shù)據(jù)可視化，為VR交互式自然景觀的搭建積累了數(shù)據(jù)基礎。ENVI、ERDAS、Depthmap、Fragstats等數(shù)字化軟件的地理分析、空間分析、生境分析等功能為自然景觀游覽路徑與熱點的設置提供了支撐，使VR交互式自然景觀結果更加合理。

1.2 自然景觀的數(shù)字化模擬與呈現(xiàn)

數(shù)字化自然景觀建立過程中的核心內(nèi)容是三維空間模型的建立，目前主要仿真模式有以下三種[2]。

（1）軟件建模：通過專業(yè)軟件建模和渲染能夠達到精細逼真的自然景觀效果，例如3DMax。然而，自然景觀往往具有極高的復雜性和多樣性，不僅包含大量細節(jié)，還涉及復雜的物理和生態(tài)過程。一些軟件，如Rhinoceros具備NURBS技術，能夠進行復雜曲面建模。或Lumion通過導入DEM高程數(shù)據(jù)生成地形模型，通過添加光照、植被、水體等能快速創(chuàng)建出完整場景。但當體量龐大時，采用軟件建模方式處理自然景觀仍然吃力。

（2）航空影像建模：利用無人機或飛機搭載的高分辨率相機拍攝的地表影像，結合傾斜攝影測量技術和GIS捕捉地形、植被等細節(jié)，能夠快速生成大面積的三維地形模型。通過Cesium平臺或Smart3D Capture、Pix4D等專業(yè)軟件的處理，將影像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為高精度的三維點云，進而構建出逼真的自然景觀模型，此方法是一種高效率的自然景觀模型構建方式，適用于大范圍、復雜地形的數(shù)字化模擬與呈現(xiàn)。

（3）激光掃描建模：通過激光掃描儀精確獲取景觀的三維坐標數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以直接生成模型，例如Faro Scene軟件可用于處理Faro三維激光掃描儀的數(shù)據(jù)并直接生成三維點云模型，也可以通過PointCab、CloudCompare等軟件進一步將點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為多邊形網(wǎng)格模型。此技術能精準捕捉幾何形態(tài)與表面細節(jié)，適用于高精度重建，且在密林、山地等復雜環(huán)境中表現(xiàn)卓越，為難以使用傳統(tǒng)測量的區(qū)域提供建模新途徑。

2" "VR技術與自然景觀交互

2.1 VR基本原理與關鍵技術

VR（Virtual Reality）技術融合了計算機圖形學、傳感器及人機交互等多學科，通過構建三維虛擬環(huán)境，令使用者能夠沉浸在模擬真實或虛構的數(shù)字化空間中，獲得與現(xiàn)實世界相似的感知體驗。其基本原理在于利用設備將用戶的視覺與聽覺輸入替換為計算機生成的立體圖像與3D音效，結合體感裝置追蹤身體動作，實現(xiàn)第一人稱視角的自然互動[3]。支撐VR沉浸、互動與想象效果的關鍵技術如下。

（1）立體顯示技術：通過頭戴式顯示器（HMD）的雙屏設計或特殊光學結構，模擬人眼的立體視覺原理，使左右眼分別看到略有差異的圖像，提供深度感強烈的虛擬環(huán)境。

（2）場景建模技術：運用建模軟件、3D掃描設備與攝影測量技術獲取環(huán)境三維數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)化為詳盡的虛擬模型，涵蓋地形地物環(huán)境、建筑物、材質(zhì)與光影效果，營造逼真數(shù)字景觀。

（3）自然交互技術：借助VR手套、手柄等設備的傳感器捕捉用戶動作與聲音，利用手勢識別算法、語音識別算法等技術將這些輸入轉(zhuǎn)化為虛擬操作指令，增強沉浸感與參與感。

（4）物理仿真技術：利用物理引擎精確計算物體之間的相互作用和運動狀態(tài)，模擬重力、碰撞、摩擦等真實物理規(guī)律，確保虛擬環(huán)境中物理效果的真實呈現(xiàn)，提升體驗真實性。

（5）系統(tǒng)集成技術：通過信息同步、模型標定、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與管理等技術，整合多源感知信息，確保不同設備和模型之間的數(shù)據(jù)交換和協(xié)同工作，實現(xiàn)VR系統(tǒng)的整體協(xié)同與高效運行。

2.2 構建VR交互式自然景觀的技術策略

（1）VR全景：該方法基于實地拍攝，通過全景圖技術提供自然景觀的360°沉浸效果。具備制作易、成本低、真實性強的特點，觀看者通過佩戴顯示設備能夠進行人機交互，具有極強的可塑性[4]。圖2展示了VR全景自然景觀的實現(xiàn)流程，涵蓋拍攝規(guī)劃、影像采集、處理、平臺制作及多渠道分享。根據(jù)不同尺度的自然景觀，選擇影像采集技術與設備，以獲取符合技術要求的影像數(shù)據(jù)。目前使用較多的VR全景平臺，如720云，具有開放的全景圖制作、全景展示與交互設置功能，操作容易，呈現(xiàn)效果能夠符合大多數(shù)應用領域的要求。對于尺度較大或要求較高的自然景觀VR全景，則會通過PTGui、Nuke、Pano2VR、VRMaster以及3DVista等軟件生成。

（2）虛擬現(xiàn)實引擎：以虛擬現(xiàn)實引擎作為核心技術平臺提供自然景觀的自然式交互，參與度高、沉浸性強，具有極強的互動性[5]。以Unity3D與Unreal Engine作為主流引擎，在開發(fā)場景中各具優(yōu)劣。Unity3D具備跨平臺兼容性以及豐富的插件生態(tài)，支持從基礎的三維建模到高級的物理模擬、光照效果及音頻處理，使開發(fā)者能夠輕松地將自然景觀的復雜細節(jié)以高度逼真的方式呈現(xiàn)出來。其Shader編程能力也為自然景觀的動態(tài)光影效果提供了無限可能，增強了用戶的沉浸感。Unreal Engine則以其強大的圖形渲染能力和高度優(yōu)化的性能著稱，尤其適合需要極致視覺體驗的項目。其內(nèi)置的藍圖系統(tǒng)降低了編程門檻，使非程序員也能參與到交互邏輯的設計中來。對于自然景觀而言，Unreal Engine能夠利用其先進的光照模型、全局光照解決方案以及實時物理模擬技術，創(chuàng)造出令人嘆為觀止的視覺效果，如逼真的水流、植被搖曳、天氣變化等，極大地提升了自然景觀的真實感和動態(tài)性。

3" 構建VR交互式自然景觀的策略評估

與優(yōu)化

鑒于自然景觀的特征和模型生成的技術特點[6]，本文提出了基于VR全景和虛擬現(xiàn)實引擎構建VR交互式自然景觀的技術路線，如圖2所示。

圖2 VR交互式自然景觀技術路線與對比

在技術路線中，本文探討了多樣化的實施方案，并找到合適本文所提路徑。筆者認為，用戶參與的VR交互式自然景觀的核心需求是景觀類型的多樣性和景觀提供信息的豐富程度，用以激發(fā)用戶探索行為或沉浸行為，需要模擬真實世界的觀賞體驗規(guī)律，因此并不需要過大的景觀規(guī)模。基于此，筆者認為以虛擬現(xiàn)實引擎驅(qū)動的自然景觀構建技術更符合這一需求。結合激光掃描技術進行自然景觀形態(tài)采集，以高效獲取自然景觀的精確數(shù)據(jù)；利用ArcGIS、Fragstats等工具進行科學的景觀敏感度分析，提供利于用戶偏好的場景規(guī)劃方案并找到模擬真實觀測點，確保用戶在虛擬環(huán)境中能夠體驗到與自然景觀相似的視角和感知；借助Fraro scene、pointCab或pix4D等三維實景建模技術，生成精細的自然景觀模型；在此基礎上，利用Unreal Engine進行自然景觀的互動設計，實現(xiàn)用戶與自然景觀視覺之間的實時交互，提升用戶體驗感和滿意度。

4" "結束語

近年來，虛擬現(xiàn)實技術已經(jīng)融入人們的日常生活，改變了人們對于世界的感知方式，為人們提供了前所未有的沉浸式體驗。在VR技術應用領域中，虛擬自然景觀的交互至關重要。因此，本文系統(tǒng)地分析了VR技術在自然景觀數(shù)字化與交互性提升中的應用潛力，提出了數(shù)據(jù)采集、方案規(guī)劃與建模技術的合理方案。以探索高品質(zhì)的自然景觀真實再現(xiàn)與用戶的自然交互，提升沉浸式體驗感受，為VR技術在景觀設計、自然生態(tài)旅游、教育等領域的應用提供參考。■

參考文獻

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基金項目：山西省教育廳2023年度高等學校科技創(chuàng)新計劃項目，基于VR技術的虛擬自然景觀的交互式探索與學習（編號2023L527）。

作者簡介：程" 婷（1988—），女，漢族，山西太原人，講師，博士研究生，研究方向為景觀規(guī)劃設計。