虚拟现实技术在测绘领域的应用研究

蓝图

摘要：数字时代的到来，虚拟现实技术基本实现了在多个行业领域中的普及。在20世纪90年代，相关行业领域对于虚拟现实技术的研究已经呈现出重点关注的趋向，与该技术相关的研究也从单纯的实验室研究转向了实践应用方面的研究，这对于测绘、教育、航天等领域的发展起到了至关重要的促进作用。将针对虚拟现实技术在测绘领域的应用，做出针对性剖析与阐述。

关键词：虚拟现实技术；测绘领域；应用分析

一、前言

虚拟现实技术，是一种多学科交叉研究而衍生的产物，于20世纪发展起来的一种创新的实用技术，其中包含仿真技术、电子信息技术等多种内容，最基本的实现形式，就展现在计算机技术的应用上。而在社会发展速度不断提升的助力下，在多个行业的发展中，都应用了虚拟现实技术。行业领域对于这种技术的需求也呈现出一种渴求的特点，并十分注重这方面的研究，当然测绘领域也不例外。

二、虚拟现实技术的内涵、特点与类型

（一）虚拟现实技术的内涵

虚拟现实技术是一种可以让使用者沉浸在虚拟世界中的先进科学技术，它可以将各种信息融合在一起，创造出一个三维动态的、可以实时交互的虚拟环境，让使用者可以体验到真实世界中的各种元素。虚拟现实技术是一种跨学科的高新技术交叉学科专业，它将计算机图形学、人机接口信息技术、多媒体教学信息技术、传感系统技术、网络等各种信息技术紧密联系起来，以更加逼真的方式呈现给使用者，是一种具有挑战性的前沿技术。虚拟现实技术（VR）是一种令人身临其境的科技，它利用电脑形成的三维空间立体图形，即时动感地模拟真实世界，并且能够让人们感受到自然界中的一切，从而实现真实的体验[1]。除了计算机图形技术所需要形成的视觉感知，人类还可以利用听力、触觉、力觉、运动等感觉，乃至嗅觉和味觉等多种感官来获取信息，这种多感觉操作技能也被称为天然操作技能。天然操作技能是指人类进行头部转动、眼神、手势或一些身体行为动作，计算机系统能够根据使用者的动作数据处理相应的数据分析，并对使用者的输入做出即时反映，从而使用户的五官得到及时的反映。感应器是一种三维空间交互设备。

（二）虚拟现实技术的特点

和传统的测绘设备相比，虚拟现实技术有以下几方面的特点：①构想性，指用户能够借助虚拟现实设备，感知其所产生的视线、聆听、触觉、嗅觉、味觉等感知内容。在虚幻情境中，用户能够感知一切在现实世界中的实际体验。②互动性，指用户借助自己的行为与虚拟世界的各种物体实现互动。互动能力要求用户能够对虚幻情境实施即时操纵，并进行信息反馈。即时化是互动环境中最关键的环节，而即时化是指计算机响应用户命令后迅速改变虚幻环境状况的能力。由于实时化效果较差，在实际互动中也就产生了很大的延时。③沉浸感，虚拟现实技术主要以人体的视野、听力等生理和心理特点为依据，由电脑模拟真实的三维空间或立体画面，人们仿佛置身于虚幻情境中，就如同在实际社会中一般[2]。体现了人们对在虚幻情境中所体验到的真切的感受。而三维空间模型、空间感、三维环绕音响、画面随视角的不同而改变等等，都可以增加人们的沉浸性。④自主性，自主性是虚拟世界中物体可按各自的模型和规则自主运动。⑤动作性，指人能以客观世界的实际动作或以人类实际的方式来操作虚拟系统，让人感觉到自己面对的是一个真实的环境。

（三）虚拟现实技术的类型

虚拟现实技术依照不同标准，可划分为以下四种类型：①高级虚拟现实系统，能够完全提供沉浸式体验，让用户在虚拟世界之中完全沉浸，充分发挥头盔式显示器、其他相应的设备的作用，并将用户的视、听、触等多种感官知觉进行及时的封闭，以便将全新的虚拟感觉空间提供给参与者，并利用位置跟踪器、数据手套等使参与者产生一种身临其境、全心投入和沉浸其中的感觉。常见的沉浸式系统有：基于头盔式显示器的系统、远程存在系统等。一般用于娱乐或验证某一猜想假设、训练、模拟、体验等。②桌面虚拟现实，利用个人计算机和低级工作站进行仿真，将计算机的屏幕作为用户观察虚拟境界的一个窗口。通过各种输入设备实现与虚拟现实世界的充分交互，这些外部设备包括鼠标、追踪球、力矩球等。它要求参与者使用输入设备，通过计算机屏幕观察360度范围内的虚拟境界，并操纵其中的物体，但这时参与者缺少完全的沉浸感，因为它仍然会受到周围现实环境的干扰。桌面虚拟现实的最大特点是缺乏真实的现实体验，但是成本也相对较低，因而应用比较广泛。其主要特点为全面、小型、经济、适用，非常适合VR工作者的教学、研发和实际应用。③分布式虚拟现实，多个用户通过计算机网络连接在一起，同时参加一个虚拟空间，共同体验虚拟经历，而虚拟现实则提升到了一个更高的境界，这就是分布式虚拟现实系统。在分布式虚拟现实系统中，多个用户可通过网络对同一虚拟世界进行观察和操作，以达到协同工作的目的。④增强现实性的虚拟现实，不仅利用虚拟现实技术来模拟现实世界、仿真现实世界，而且要利用它来增强参与者对真实环境的感受，也就是增强现实中无法感知或不方便的感受。典型的实例是战机飞行员的平视显示器，它可以将仪表读数和武器瞄准数据投射到安装在飞行员面前的穿透式屏幕上，使飞行员不必低头读座舱中仪表的数据，可集中精力盯着敌人的飞机或导航偏差。虚拟现实技术在当期阶段发展中的前景较为广阔，但是，虚拟现实技术作为一项高速发展、不断创新的科技技术，在不断发展中，自身的问题也随之逐渐浮出水面，需要引起相关研究人员、应用领域的重视，例如用户视觉体验问题等，需要相关行业企业重点关注与探究。

三、虚拟现实技术的发展现状

当前我国进入5G建设高潮，正式进入规模商用时期。进入21世纪以来，虚拟现实技术已在全球所有国家中蓬勃发展。虚拟现实技术曾被认为是下一代通用技术平台和下一代互联网的入口，是引领全球新一轮产业变革的重要力量，是经济发展的新增长点，目前已经在工业、军事、医疗、航天、教育、娱乐等领域形成较为成熟的局面。据相关调查结果表明，虚拟现实技术正日益得到社会大众的重视。以三个“I”，即“Immersion”（沉浸感）、“Interaction”（交互性）以及“Imagination”（思维构想性），成为虚拟现实技术最根本的特征，并融入了其他工艺技术。

四、我国测绘领域发展的现状探究

“数字地球”这一理念被提出之后，在北京举办了第一个与数字地球理念相关的国际会议——数字地球国际会议。该会议成功举办之后，“数字地球”的理念有了中国化的发展趋向，逐渐演变为对数字区域、数字城市的发展、建设。而后测绘领域出现了地理空间数据库的构建、管理技术能力等方面的发展与建设。

（一）地理空间数据库的构建

基础空间与资源信息系统是中国地理空间信息化的重要基石，也是我国信息基础设施建设的主要部分，在我国农业现代化发展中起到了十分关键的作用，其具体框架内容如图1所示。1949年以来，国家投巨资进行了大量的土地测量，积累了专业齐全、系统的、基础的、面向全国、各阶段、各种规模型的地理信息，大部分基础地理空间信息都为企业提供了帮助[3]。据初步估计，经数字化，可以通过互联网实现资源共享的基本地理空间信息约有1250GB。同时已累积了大量的对地探测资料，其中，20世纪50年代至今覆盖全国的多期航空相片已达五百万张以上，20世纪70年代至今多期覆盖全国的各类卫星照片50余万景，达140TB。我国目前已建立了500多个大中型电动机数据库，主要覆盖的领域为：工业基础和技术研究领域；国土、房屋；城市、区域规划；遥感；自然资源、环保和其他。

（二）空间信息处理分析能力、管理技术能力的发展

国家空间信息处理、分析与管理技术中心是中国地理空间信息技术发展基础的重要平台和工具，是中国产业发展的重要灵魂。该应用领域的重要高新技术包含：图形图像处理技术和应用软件、地理信息系统专业技术和应用软件以及全国卫星导航与定位专业技术和应用软件等。长期以来，在这些应用领域，国外软件始终占据着绝对的地位，国产软件始终处在比较弱小的地位。但是，由于各国的十分重视，加上各相关方面的努力，这些局势已大为改观，特别是在“九五”计划时期，中国自行研制的该应用领域的应用软件，在很多技术方面都早已到达和超越了国外同类产品水平，在国际国内市场上都占据了相当的份额。

（三）空间信息技术标准的构建

其中包含三部分内容：①国家空间信息共享体系的构建已经逐渐在全国范围内普及，国家测绘领域的信息化建设已经得到一定推动；②空间信息共享元数据标准的构建，通过这种标准的建设，将对地理空间信息描述的内容、基本模式等做出了规范，在整体上规划了地理空间信息内容的表示信息内容、标志信息内容、属性信息内容、元数据使用信息内容、服务质量信息内容等多个方面；③国家层面的空气数据格式交换标准，空气数据格式交换标准是由我国科技部组织开展分析并研究的，由于这种标准的出现，对矢量数据分析、影像数据分析以及栅格数据分析的交流格式都做出了规范。在这种技术基础上，数据交换软件的开发得到了推进，并保证了不同系统、部门间非空间数据、交换空间的有效实现[4]。

除了基础软件，对于AM/FM应用开发平台的科技研究也需要高度关注，由于AM/FM应用开发平台中的Grow拥有强大的数据量控制能力和强大的实时三维显示功能，拥有动态拓扑实时重构机制、面向对象建模能力、支撑网络浮动用户管理与设备全生命周期控制、与即时通信底层技术密切耦合等AM/FM应用领域特别需要的能力，并能够在广域条件中进行成多级分布式多客户端的协调操作，在总体技能上达到了全球先进水平。在太空数据存储和加工生产应用领域层面，信息加工应用软件GeoWay、EPS2000系列和数字正射影像处理软件PhotoMapper等，支撑太空地图扫描数字化、在外地直接收集大量的地域信息、通过运载火箭和飞机遥感图像加工生产数码正射影像图，构成了完善的工程建设空间数据采集、加工生产网络平台，初步抢占了中国工程建设太空数据生产应用领域层面的地理信息系统软件交易市场。在建筑图片出版领域，国产图片出版软件方正智绘和MapCAD，在功用和质量上都早已超越了海外的同类应用软件，牢牢地占有了国内工程图片出版市场。另外，在地理信息系统的应用领域，国产软件也弥补了中国国内在这方面的短板。现已普遍运用在地理信息开发、交通旅游、地产营销和物流运输装卸等领域中，在奥运申办、数字京城、中国昆明世博会等重大项目中都发挥了重要的作用。而GeoBeens、Geosurf、AF InternetGIS等也是其中的重要成员。

随着中国地理信息系统行业的蓬勃发展，国内外地理信息系统软件开发和信息技术服务层出不穷，并取得了较大的进展。在我国“九五”重点科技攻关支援项目的区域，产品销售与信息技术业务的总净收入均已突破了一亿多人民币，近五年中的平均年增长率已达到了75%，直接拉动的国民经济生产总值已达到了15亿多人民币。由于我国政府对地理信息系统开发工作的重视，也促进了整个社会对地理信息系统的重视，近两年来，国内外地理信息系统的开发公司不断出现，开发情况也非常可喜。

五、虚拟现实技术在测绘领域的应用探析

当前的测绘服务主要是简单的二维地图。但目前，由于消费者已经不再对普通的静止地图、计算机地图感兴趣了，这就要求对地理环境表现的发展状态做出实时可视化和生动解析、动态仿真等。在复杂的静止地图上，不管是在纸张上或是在荧幕上，都无法满足这样的需求，因此人们更加渴望有一种生动的、三维可视化的、交互式的平台，来管理、研究、展示各种地理数据资源。而虚拟现实技术，就是破解当前难题的最有力手段之一[5]。虚拟现实的最终任务是完成对整片世界的实时拼接、自由漫游与扩展。传统地理环境材料的表述方式，是把现实生活中的三维空间地理环境实物及表现以一定的方法转移到二维中，以点、线、面、体注记的形式加以表述。如把VR方式和GIS技术相结合，直接用三维空间形式在GIS中表述地理环境实物和表现，则使用者就能够按照现实生活中习惯的认知模式去认知理解地域实物，而与用二维方式表述的传统地理环境材料比较，也就更易于在系统中掌握必要的内容。

随着计算机技术和图形处理软件等技术的日益提升，地形三维科学与计算可视化技术正向着动态显示、交互操控、具备更高真实性的环境图像表现等方面迅速演进。与常规地景虚拟实际表达形式不同的是，通过遥感图像（多个感应器、多个清晰度或多光谱）的纹理映射方法和表现，能够实现内涵上更为逼真、信息内容上更为丰富多彩、时态上更为逼真的视觉效果。通过GIS、VR或者RS等信息技术的整合与运用，测绘服务可视化的未来发展可以是：在呈现形式上，向虚幻真实方面进一步发展；在信息机构和能力构成上，向地域网络（GIS）方面拓展；而维持着其内部生机与表现力的根本，就是源源不断的地球遥感技术（RS）图像信息，及由此所获取的基础地形信息。

在日常的实际应用中，可以结合可持续发展战略、数字地球战略的实施以及人们生产生活的需要来进行基础地理信息的展示，在虚拟现实技术软件中需要对基础的地理信息数据实现集成化、信息化以及知识化的展示，将其作为一款数字测绘产品和技术信息一体化的产品，其中需要包含多种信息系统内容，比如网络化基础地理信息系统、空间决策支持地理信息系统等，以此来实现产品自身的数字化、空间数据的信息化、数据应用的可视化、产品服务的网络化。

在军事测绘方面应用的虚拟现实技术方面，在以往的应用过程中主要是借助地图以及相关的地形区域资料来对实际的区域范围内所处环境以及信息进行分析和研究，但是在对地图和资料进行查阅的过程中往往会造成较差的真实感以及不便利条件，并且对于实地勘察方面也会造成一定的影响，比如来自视野方面的阻碍等，因此，在此基础上就产生了立体地图以及沙盘，实现和真实区域的地理环境相匹配和相吻合。在不断发展的过程中，很多区域的地理信息可以使用于测绘以及训练模拟当中，利用虚拟现实技术的分析系统以及电子地图方式可以进行区域场地场所的动态化显示和精确化分析，实现测绘效率的大幅度提升。在此方法的应用过程中，其旁观者可以对其实际产生的环境进行观察，不能产生身临其境的感觉。但是借助虚拟现实技术可以有效地结合地图以及资料和实地勘察等多个方面的优势特点，来实现参与者身临其境的感受，保证测绘的正确性、精准性和稳定性。

六、结语

随着科学技术的进步与人民生活水平的提升，高知识化的大数字测量信息技术与服务信息一体化科技，以及高电子化的地理环境网络、高空中决策资源与服务地理网络等各类信息系统的应用，实现了产业构成的电子化、空间数据的智能化、大数据应用的可视化、产业服务的电子化。在不久的将来，测绘技术还会走进我们的生活和休闲娱乐。希望本文的研究能够为虚拟现实技术在测绘领域中的应用提供相应的建议，并推进测绘领域的高水平建设。

参考文献

[1]崔玉美，陈斌，张志刚.虚拟现实技术在建筑设施设备管理实践教学中的应用[J].电脑知识与技术，2023，19（3）：110-111+115.

[2]张梦媛，胡佳，张俊杰.民俗文化博物馆陈列展示空间中的虚拟现实技术应用研究[J].现代商贸工业，2023，44（4）：250-252.

[3]贠疆鹏，张旭.虚拟现实技术在我国档案管理中的应用现状与优化分析[J].北京档案，2022，384（12）：15-19.

[4]周强.虚拟现实技术融入中职汽车专业实训教学现状调研及分析[J].教育传播与技术，2022，33（S2）：92-99.

[5]李舟.基于虚拟现实技术的智慧课堂教学应用研究——以摄像技术课程为例[J].广西广播电视大学学报，2022，33（6）：37-40.