无人机航测虚拟仿真实验系统开发与设计

吉宸佳，曹爽，张杰，李虹颖，顾冲，郭奕

（1.南京信息工程大学 遥感与测绘工程学院，江苏 南京 210044）

随着我国工业化的快速发展，对技术性、操作性人才的需求量日益增大，对高校实践教学提出了更高的要求，传统的高校实践教学必将面临新的改革[1]。近年来，教育部大力提倡并支持工科虚拟实验项目建设，“数字校园”将成为新的校园发展建设方向。远程虚拟仿真实验室作为“数字校园”的重要支撑，必将会有广阔的发展平台和应用前景。虚拟仿真是一种可以构建虚拟世界的计算机系统。这种虚拟世界可以是现实世界的重现，也可以是想象中的世界，用户可通过多种传感通道与虚拟世界进行自然的交互[2-4]。现阶段，对学生实验技能的培养主要是通过传统的实践教学，而虚拟仿真实验室作为一种辅助手段，可为实际操作提供有力补充，实现高效率、高质量的实践教学。此外，虚拟仿真实验室作为新时代教学改革的主要方向，将来可能会颠覆传统的教学思维和实践模式，突破时间和空间的限制，增强学生的学习兴趣，充分改善传统实验室的使用效能，全面提升教学质量，培养更多的合格人才。在大数据和人工智能快速发展的背景下，虚拟仿真实验室的普及将会推动虚拟实践教学模式的全面发展与应用，虚拟仿真实验教学必将成为一种普遍的教学方式[5]。

摄影测量学是一门注重理论与实践相结合的课程，在所学理论知识的基础上，要求学生利用课内实验已掌握的基本实验技能，通过仪器设备和资料进行综合实践，系统学习并应用航空摄影测量的知识，实现从理论知识到实践操作的全面提升。高等院校测绘类专业在制定培养方案时都将摄影测量课程认定为专业核心课程，摄影测量实践教学作为其中的一个重要环节，对其教学内容和环节的设计与组织就显得很有必要[6]。然而，该教学内容具有使用设备昂贵（无人机和航测相机费用均较高），一定的危险性（如操作不当易导致无人机、相机等仪器设备毁坏，甚至威胁人身安全），涵盖的知识点多，难以直接用黑板、纸面展示等特点[7-8]，使得实验教学无法全面开展；且传统实验课无法提升学生的创造力和积极主动性。在实习过程中，由于教学实践场地有限以及装备数量较少，对时间和空间的限制较严格，无法保证所有学生都能直接操控仪器获取数据，课堂教学效率较低，学生缺乏合理有效的操作练习，无法全面认识和熟悉航测作业的数据获取和数据处理过程，对摄影测量理论与实践的结合产生不利影响[9-10]；且还需安排专门的实验室管理员，人力资源消耗较大。因此，为了改善目前传统实践教学环境[11]，适应虚拟仿真实践教学模式的发展，本文研究了虚拟现实技术下无人机航空摄影测量仿真教学的实验方法，基于3ds Max、SketchUp、Python等语言进行虚拟实验场景模型、无人机三维模型、控制轨道动态模型的构建以及虚拟模型与虚拟场景的全面融合，开发了无人机航空摄影测量虚拟仿真实验系统。

1 三维建模软件和开发软件

1.1 3ds Max软件

3ds Max是基于PC系统的三维动画渲染和制作软件[12]，可提供利用基本多边形建模、利用面片建立和复合对象建模等建模方法，通过改变半径、角度和顶点等参数设置，即可完成扭转、弯曲、拉伸以及压缩等变形，也可制作简单的动画，操作简便，是目前主要的三维建模工具。3ds Max的设计界面十分简单清晰，所使用的操作按钮均在界面显示，用户可直接通过修改基本模型参数设置来制作复杂的变形模型。此外，该软件采用多视图建模的方法，提供了顶视图、左视图、右视图和透视视图等，用户在建模时可从多角度对模型进行全方位建模，在不同的视图界面完成相应的模型修改，以提高模型设计的效率。该软件通过渲染为模型添加灯光、纹理、凹凸等效果，可添加Vray渲染插件，使模型外形更加贴合实际场景，增强了用户的体验感和真实感[13-14]。近年来，3ds Max软件凭借功能齐全、价格低、简单易学、效率高等特点，倍受业界青睐，已逐渐应用于各行各业。

1.2 SketchUp软件

SketchUp是一款具有强大三维建模功能的设计软件，采用“铅笔”的绘制方式，让用户感受如同在画纸上的设计体验，使用方法简单快捷，用户可在电脑上充分展现自己的模型构思，已广泛推广于建筑设计、园林规划等行业。该软件提供了多样的材质库，用户无需另外下载材质图片；支持多种格式文件的导入，可实现与AutoCAD、3ds Max等软件的快速交互转换。用户可仅通过推、拉等操作实现复杂模型的构建，且模型可以线稿、草稿以及透视等多种显示模式呈现在用户面前，便于后期有针对性的修改。

1.3 AutoCAD软件

AutoCAD作为绘制二维平面图、工具剖面图的主要方式，具有丰富的图像、图形以及绘制工具，也可完成简单的三维图形绘制，并可添加文字、尺寸等标注，操作便捷，功能多样，简单易学，已广泛应用于现实生活的各个方面。本文对外业测量数据进行整理计算，在AutoCAD软件中绘制校园平面图；并在二维平面图的基础上，构建校园建筑物的三维模型。

1.4 Python语言

Python语言是一种易学易读的脚本语言，至今已有30年的历史。它对程序设计过程进行简化，并提高了编写效率，为用户提供了一种便于理解的语言方式。此外，相较于C语言，Python语言在图形输出方面具有更强的使用性，且具有更少的程序代码以及更接近自然语言逻辑的语法[15-16]。由于其优越的使用性能，已成为界面开发的主要工具，赢得了众多开发人员的青睐。在系统开发中，本文利用Python语言进行无人机航空摄影测量虚拟仿真实验系统的设计，包括系统主界面各模块的设计以及各模块具体内容的完善。

2 系统整体架构

本文结合遥感与测绘工程学院的无人机航空摄影测量沙盘实验室以及具体的实习过程，设计了无人机航空摄影测量虚拟仿真实验系统。该系统将校园实景构建为虚拟三维模型，基于Python语言，利用无人机虚拟模型实现航空摄影测量实习的全过程，主要包括航摄方式选择、仪器组装的参数选择、起降点选择、航线设计、航摄过程控制、航摄异常处理和航摄质量检查。学生可随时随地地进行实习操作，改善了教学质量，不仅可以完成指定的教学任务，还可以实现一些现实教学中无法进行的教学任务。该系统主要包括知识学习模块、仿真实验模块、课后练习模块、操作视频模块、个人中心模块和关于我们模块，学生可反复操作练习，全面提升个人素养，加深对教学内容的理解，提高学习积极性和创新性。系统整体架构如图1所示。

图1 无人机航空摄影测量虚拟仿真实验系统架构

3 系统实现

实验场景模型包括虚拟操场环境模型和虚拟校园模型。利用3ds Max软件实现虚拟操场环境建模和无人机三维建模，并经过后期处理生成更加贴合实际的三维模型；利用SketchUp软件实现整个校园的虚拟三维模型构建；通过Python语言将虚拟模型与虚拟场景进行融合，实现动画和动态交互，最终进行网络发布与运行。具体实现流程如图2所示。

图2 无人机航空摄影测量虚拟仿真实验系统实现流程图

3.1 实验场景模型构建

虚拟实验场景建模主要是对真实场景的三维构建，只有当虚拟实验场景十分贴合真实的自然环境时，才能使用户产生沉浸感和交互性。不仅要注重所显示的对象模型与真实对象在外形上的相似性，而且要求它们在材质、光线等方面都十分逼真[17]。因此，本文以真实校园地形地貌为基础，参照遥感与测绘工程学院的航空摄影测量沙盘实验室（图3），在前期设计规划时遵循仿真性、交互性和高效性的原则，构建了虚拟实验场景的三维模型。

图3 航空摄影测量沙盘实验室

3.1.1 基于3ds Max的虚拟操场环境模型构建

虚拟操场环境模型由主席台、看台、楼梯、围栏、跑道、健身器材以及一些树木草坪等构成。首先需进行外业数据采集，获取各物体真实的尺寸大小、形状结构、纹理特征以及位置分布等信息，并及时做好数据记录与整理；然后对采集的物体进行类别划分，按照结构的复杂程度选择相应的建模方法。3ds Max软件中提供了多种建模方法，对于外部结构特征简单的物体，可利用简单的正方体、球体等直接建模或通过简单的拼接构建复合几何体，也可通过车削等将二维图形转换为三维几何体[13]；对于结构复杂的物体，可利用长方体、圆柱体等简单几何体进行编辑，修改相应的参数设置，构建复杂几何体。

草丛、树木等绿化设施是操场环境中必不可少的一部分，其分布面广、数量多，可采用实例技术实现同类对象的三维建模。这种方法运行效率高、操作简便、便于修饰，可提高工作效率。此外，为了使用户能够有身临其境的感觉，天空的建模也十分重要。3ds Max软件提供了一种能展现场景效果，容纳物体、灯光等要素的天空球制作方法。首先在3ds Max中绘制一个球体，并将其转化为可编辑的多边形；再通过更改参数设置生成半球体；然后在确定法线方向后，为半球体添加UVW贴图；最后在材质编辑器中选择合适的天空材质贴图并设置相关参数[13]，这样可使用户随时随地看到完整视野，增强了系统的真实感和视觉效果。模型初步建模完成后，需对模型进行加工处理，使其更加贴合实际，主要包括选择材质、设置光效和渲染烘焙，最终实现虚拟操场环境模型的构建。虚拟操场环境模型模拟效果如图4所示。

图4 虚拟操场环境模型

3.1.2 基于SketchUp的虚拟校园模型构建

虚拟校园模型包含许多三维立体模型，为了保证真实性，前期需进行大量的外业数据采集。首先利用全站仪和RTK联合测量，并在AutoCAD中绘制高精度的校园平面布局图；再根据实际需要对原始校园平面图进行删减，仅保留一些主要建筑物，以提高建模效率；然后将修剪后的校园平面布局图导入SketchUp软件，根据前期整理的模型数据直接进行“推拉”，实现大部分建筑物主体结构建模；最后利用直线、手绘线等绘图方式对模型表面进行修改，完成对模型结构细节特征的补充。

SketchUp软件中自带了许多材质，包括园林绿化、屋顶、玻璃、木纹、金属、砖和壁板等，可根据需要选择相应的材质，基本满足了一些简易模型的材质需求，且无需安装插件，有效减少了模型材质选择与处理的时间。此外，该软件中的“组件”功能提供了许多装饰模型，如长椅、树木、人物等，可通过拖拽直接导入SketchUp，快速实现大范围的景观建模，以增强校园环境模型的真实感与自然感。最终虚拟校园模型模拟效果如图5所示。

图5 虚拟校园模型

3.2 无人机三维建模

本文以大疆精灵Pro4消费级无人机为原型，采用3ds Max进行无人机虚拟模型的三维建模。基于采集的无人机相关数据，遵循从简至难、由粗到细的建模原则，通过编辑标准几何体、改变相关参数、修饰处理等步骤完成初步的无人机相关硬件建模，主要包括无人机三维模型、控制手柄模型和平板电脑模型。部分模型如图6所示。

图6 无人机模型

此外，利用3ds Max软件构建控制轨道模型，并实现控制轨道动态运动以及无人机定位动态拍照[12]。根据构建的虚拟实验场景，项目提供了3种航线设计方案，用户利用项目提供的数据自行计算并设置相关飞行参数，当完全符合任意一种方案的参数设置时，即可开始飞行任务。方案中假定相对航高为2 800 mm，焦距为35 mm，航向长度为3 700 mm，旁向长度为5 100 mm，当航向重叠度为60%、旁向重叠度为35%～40%时，每条航线拍摄5张相片，航向间距约为985 mm，共有4条航线；当航向重叠度为70%、旁向重叠度保持不变时，每条航线拍摄6张相片，航向间距约为739 mm，共拍摄24张相片；当航向重叠度为75%、旁向重叠度保持不变时，每条航线拍摄7张相片，航向间距约为616 mm，共拍摄28张相片。

3.3 虚拟模型与虚拟场景的融合

本文设计的虚拟模型和虚拟场景各自独立，需将所有模型与场景根据实验内容融合到统一框架下。首先将得到的虚拟操场环境模型存储为VS.max文件，无人机模型存储为UAV.max文件；再将UAV.max和VS.max分别转换为对应的UAV.obj、UAV.mtl和VS.obj、VS.mtl；然后通过Python的OpenGL读取无人机模型和虚拟实验场景模型的.obj文件、纹理文件（.mtl）和贴图文件（TEX.jpg）；最后对三维模型的空间位置、比例大小以及方位等进行调整，实现模型与虚拟场景的完美融合。

3.4 网络发布

通过与其他媒体素材的集成，将构建完成的无人机航空摄影测量虚拟仿真实验系统进行网络发布，形成一个具有丰富控制结构和友好界面的虚拟实验环境[12]，以实现高效的远程教学。用户类型主要包括学生、教师和管理员。系统允许多用户同时访问，通过网络实现实验系统的远程浏览和交互操作，完成无人机航空摄影测量虚拟仿真实验操作。系统界面如图7所示。

图7 无人机航空摄影测量虚拟仿真实验系统主界面

4 结语

本文对无人机航空摄影测量仿真教学的实验方法进行了研究，并基于虚拟现实技术设计开发了无人机航空摄影测量虚拟仿真实验系统，有效结合了虚拟实验室和实体实验室，尽可能地满足了实践教学需求，提高了教学效率。学生通过系统可以不受任何限制的进行课前预习和课后巩固练习，提高了实践教学的知识学习效率；还可以利用无人机虚拟模型简单快捷的体验航空摄影测量的全过程，在具有安全保障的前提下极大地提升了学生的实践动手能力，每一步操作都有安全提示，完善了学生的理论知识体系。无人机航空摄影测量虚拟仿真实验系统是一种全新的教学模式，为学生营造了一种轻松灵活的实践操作氛围，加深了对知识的理解，增强了学生对实验练习的兴趣；在教学方面，弥补了传统实验室的不足，优化了教学资源，充分满足了教师和学生的实践要求，提供了可靠、安全又经济的教学环境，为实践教学改革注入了新的活力。

在今后的研究中将进一步完善该系统，尽可能地提高学生练习的自由度，丰富教学资源，积极拓展其在实践教学中的其他应用，建立更加安全可靠、绿色节约的教学平台。