三维仿真教学软件的研究与开发

黄涛+蒙俊健+李志红

【摘 要】本文针对地质类专业课程存在的问题，提出应用三维仿真教学软件解决地质实训中地质现象需到野外观察的难题，并以广西横县六景地质实训基地三维仿真教学软件开发为实例进行介绍。

【关键词】地质现象 三维仿真软件 开发

【中图分类号】G 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2017）03B-0022-02

地质类专业课程诸多内容涉及地质构造、岩层、地质灾害、矿山环境等诸多方面。这些知识采用传统讲授的形式进行教学，效果并不理想，受训者往往难以掌握。如果全部采用实践现场授课的形式，地质现象如地质灾害、矿山环境的均呈动态变化，学生难以把握，而且授课时间、人员吃住的安排难以协调，给学校任课教师带来诸多不便。广西机电工业学校与企业合作，共同开发了广西横县六景地质实训基地三维仿真教学软件，以直观、科学、严谨的方式展现典型的地质现象，解决地质实训中地质现象需到野外观察的难题，将野外教堂搬到了教室，大大节约了教学成本和社会资源、提高了教学效果。本文以南宁市横县六景地质实训基地三维仿真教学软件开发为实例进行介绍。

一、三维仿真教学软件研究的目的

典型地质环境现象三维仿真教学软件项目以学校现有数字化校园系统为支撑应用体系，以服务于国土资源类专业师生教学和国土系统职工培训为目的，结合现代三维虚拟仿真技术，通过野外现场勘察典型地质现象数据与卫星地图三维虚拟交互技术相结合，通过媒体设计、3D 建模、视频摄制、360°实景环绕、虚拟场景制作合成，开发成集 3D 高仿真操作与展示，实现以三维仿真动画、图片、文字、视频、实际操作、互动教学等形式展现，帮助学生加强地质构造的空间想象能力，解决地质实训中地质现象需到野外观察的难题，将典型地质专业知识信息以虚拟交互演示的形式生动逼真地呈现在学生面前，丰富教学内容，扩展和延伸现场事件教学，学生在虚拟场景中可漫游和自由穿行，实现人机互动，将枯燥的实验变得趣味性和人性化，从而提高教学效果。

二、系统技术要求

（一）软件方面的要求。软件所采用的制作工具应具有先进性、实用性、普及性及操作方便性。采用主流编程语言及编程开发工具，支持各子系统的应用于扩充，支持网络模式，支持多种分辨率（1024×768，1280×1024，1920×1680）和高清 HDTV（1920×1080 或 1280×720），可在 Win7、XP、2000、2003 及以上等Windows 操作系统上运行。采用面向对象的组件技术，实现在虚拟场景内漫游、观看、交互操作功能。

（二）采用虚拟现实技术构建地质、地貌虚拟环境。包括地质环境、等高线、地层结构、特定事件等，在虚拟环境中实现自主操控演示、路径漫游；实现地质事件的滚动、滑动、碰撞等物理属性，复杂场景提供小地图功能及多视角切换；360°实景环绕，空中俯视实境全景展示；虚拟交互演示过程由“虚拟地表环境+虚拟地层+360°实景环绕+虚拟事件”等构成，能够模拟完成设定事件发生过程，可自由操作控制虚拟仿真演示。

三、开发过程

南宁市横县六景地区坐标范围：108°51′00″-108°55′00″；22°51′30″-22°54′30″，面积约38平方公里。

（一）六景地区地形地貌三维影像制作。首先要考虑高分辨率遥感影像覆盖范围要大于实习地区范围，确定影像面积约为80 平方公里。包括有地质特征点、等高线、标志地物；二是地形地貌三维影像后期可进行扩展，添加野外填图的地质成果内容；三是制作数字高程模型（DEM），DEM 覆盖范围要略大于影像覆盖范围。

（二）数据处理。影像面积 80 平方公里涉及的四幅 1∶10000 标准分幅的地形图需结合现有数据，对纸质地形图数据进行扫描、校正后，进行等高线、基础地理要数的矢量化工作。

1∶1万遥感影像处理主要包括以下几个步骤：正射校正、影像配准、影像融合等。技术流程如图 1 所示。

1.影像融合。遥感图像融合主要有两个关键问题：一是融合前两幅图像严格的空间配准，通常空间配準误差不得超过一个像素。只有将不同空间分辨率的图像精确地进行配准，才可能得到满意的效果。二是融合前后影像色调的调整。如提高全色数据的亮度，增强局部反差突出纹理细节，尽可能降低噪音；对多光谱数据进行色彩增强，拉大不同地类之间的色彩反差，突出其多光谱彩色信息。融合后影像处理：融合后影像亮度偏低、灰阶较窄，可采用线性拉伸、亮度对比度、色彩平衡、色度、饱和度等调整色调。

2.正射校正。正射校正是对影像进行几何畸变纠正的一个过程，主要原理是借助于数字高程模型（DEM），对由于地形、相机几何特性以及与传感器相关的误差所造成的明显的几何畸变逐像元地进行地形变形的纠正，校正后的影像将是正射的平面真实影像。

对于 WorldView-2 遥感影像数据，其物理模型包括了卫星与地球的位置关系（卫星轨道、高度、坐标等）、卫星本身的姿态（侧摆角、视角、视场、离心率等）、传感器参数（CCD相机的扫描模型）、地球模型（椭球模型、投影系统）以及图像参数（入射角、影像中心坐标、四角坐标等）。利用这些模型参数、DEM 数据和获取的控制点（GCP）坐标，对图像进行正射校正。

（三）三维影像地质模型数据收集和制作。根据教学需求，一是实测 1∶1000 和 1∶2000 泥盆纪、古近纪地层剖面共 10km，详细划分本区泥盆纪地层，查明泥盆系各组段及古近系岩性组合、层序、古生物、沉积环境、沉积相等特征。二是实测1∶2000 寒武系构造剖面共 7 km，在确定本区寒武系基本构造格架的基础上，划分寒武纪地层，查明寒武系岩性组合、沉积序列、古生物、沉积环境、构造变形等特征。三是收集制作1∶10000 专项地质填图 38 km?，详细观察、描述寒武系、泥盆系中的各种地质现象（包括岩性组合、化石、原生沉积构造、次生构造、地貌、矿产等），分析构造及各组段岩性、岩相在横向上的变化情况，准确勾绘地质界线，系统测量岩层产状。四是开展室内地质研究，包括编制 1∶1000 和 1∶2000 实测泥盆纪、古近纪地层剖面图、1∶2000 实测寒武系构造剖面图、1∶10000 六景地质图，古生物化石鉴定，分析地质发展过程，编写 1∶10000 地质草测报告或地质图说明书等。五是在 ArcGIS软件中对扫描的地形图进行校正、矢量化，并对等高线、高程点赋高程值，形成六景地区 1∶1 万地形图的矢量化。

四、特色功能

（一）提供灵活、交互式的多种浏览漫游功能。通过鼠标动作、工具按钮以及键盘快捷键等多种方式实现缩放、旋转、回正、居中、放大、缩小、漫游基本操作。同时，通过鼠标、键盘或游戏杆控制，具备灵活的运动控制模式，用户可以在三维场景中前进、后退，改变行走方向，升高、降低视点，教师和学生在三维场景中漫游时，电子地图可以实时指示用户的位置和行走方向，充分满足系统人性化要求。

（二）高级操作功能。距离测量、高空距离功能、垂直距离功能、面积测量、影像拍摄功能、设定游览路径、快速浏览地图预定义位置，并能随画面的缩放作相应变化。

（三）图层控制功能。用户通过图层控制设置，自定义显示或者隐藏的图层信息。可灵活地导入、导出图层内的模型属性信息和以弹出的方式显示图例说明等。

（四）分析功能。一是可以对三维仿真地图上任意指定的两点间的地形剖面进行计算，并显示出两点间的地形剖面图，地形剖面分析；二是可对泥盆系、寒武系、古近系岩性组合、层序、古生物、原生沉积构造、地质构造、地貌等各种地质现象和地质剖面进行分析，可以对三维地形上任意指定的面积进行等高线计算，可以以线条和色块来显示出指定区域的等高线情况。

五、结语

环境地质学科以实践性强为突出特点，通常是以野外实践教学与室内课堂理论教学构成环境地质学科教育的两大体系。目前课堂教学多以图件和照片融入多媒体的教学方式为主，学生很难对一些抽象的地质概念及地质现象成因进行理解。而虚拟仿真实训平台教学模式的出现为环境地质教学提供了一个很好的平台，对学生学习地质的热情将起到积极的促进作用，应用前景广阔。

【基金项目】广西职业教育教学改革重点项目（GXZZJG2015A007）。

【作者简介】黄 涛（1982— ），男，广西南宁人，硕士，广西机电工业学校高级讲师，研究方向：国土资源、电子商务、物流等。

（责编 刘 影）