基于虚拟仿真的三维激光扫描技术教学改革研究

杨忞婧 魏海霞 谭金石 王瑶 刘溢晨 丘均耀

为适应测绘地理信息产业升级对数据采集空天地一体化、数据处理智能化、数据应用个性化和数据服务专业化的发展需求[1]，并满足测绘地理信息行业对高素质、复合型、高端技术技能人才的需求，根据《教育部关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知》精神，应坚持“学生中心、产出导向、持续改进”的原则，推进现代信息技术融入实验教学项目，拓展实验教学内容广度和深度，延伸实验教学时间和空间，提升教学质量。

学生参与实验、实习和实训等实践教学，通过亲手操作亲身体验获得工程经验[2]，是高等职业教育教学过程中的必要环节。当前国内以虚拟仿真技术为基础进行实践教学改革已基本覆盖所有学科领域，虚拟仿真技术因其沉浸性、逼真性、交互性等特点[3]，既能激发学生的学习兴趣，又能促进实践教学资源共享，从而被广泛应用于高校的实践教学中。

本文旨在通过虚拟仿真技术手段，构建城市地面街景、桥梁、隧道、古建筑及山体等典型应用场景，开展地面三维激光扫描测绘实践，帮助学生掌握三維激光扫描仪及点云数据处理软件的使用，完成地面三维激光扫描测绘作业的仿真交互实训过程，提升学生分析解决三维激光点云数据的“采集-处理-应用”全过程问题的解决能力。

一、虚拟仿真实践教学资源建设的必要性

目前三维激光扫描技术已成为测绘领域研究与应用的热点技术，该技术区别于传统的单点测量方式，利用激光测距原理，无须接触，能自动、连续地获取目标物体表面海量且密集的高精度三维坐标信息和反射率信息，从而实现快速实景复制。[4]三维激光扫描技术不仅广泛应用于传统测绘领域，例如地形地图测绘、地籍测绘、土方测量、变形监测及工程测量[5]，还在文物保护、考古、地质、矿业、林业及水利工程中也取得了较多的研究成果。但是，三维激光扫描技术实践教学对天气、场地、安全等方面有较高的要求，现针对该技术实践教学中存在的“三高三难”问题进行分析。

1.高投入、高风险

随着测绘科学与技术的迅速发展，常常需要使用各种高端精密测量仪器，例如三维激光扫描仪。这类仪器设备造价昂贵，常见地面激光扫描仪售价在100万左右，购置和维护的成本高且易损耗，在高职院校扩招背景下，面对庞大的学生数量，要满足每一个想了解并应用该技术的学生都能使用三维激光扫描仪进行实验练习是非常困难的。此外，在开展外业点云数据采集实训时，学生在实践过程中受各种不确定因素影响可能存在人身及设备安全隐患。

2.难实施、难观摩

目前三维激光扫描技术在地形扫描及变形监测方面使用广泛，而校内实训区域面积有限、地形地貌结构单一，缺乏相对复杂、密集度较高、种类丰富的地物集，很难提供接近实际的测量环境。此外，校内也不具备开展监测项目的条件，例如隧道监测、桥梁监测等。

3.难再现、高损耗

该实训过程耗时长且难再现，教师和学生都无法回顾已完成的实训操作对重难点进行指导。在指导教师数量与学生数量比例较小的情况下，实习小组往往分散在校内实训场地的各处，教师需要不断往返各小组实训点来指导不同的学生进行实训。在有限的学时内，难以实现个性化精准辅导，也难以全面获知学生的知识技能掌握情况。此外，在激光扫描仪数量远远不够的情况下，高频率地使用设备将加快设备的损耗。

开展虚拟仿真实践教学，学生不受时间和空间的约束，可以先利用互联网练习虚拟仿真仪器的操作，待熟练后可使用真实仪器进行操作。该方式可以减少贵重设备误操作、降低实训危险性，以较低成本完成各项生产过程实训。

二、虚拟仿真实践教学资源建设

三维激光扫描技术虚拟仿真实践教学依托虚拟现实、仿真装备与多媒体技术，融合多种互动硬件与数据库，对理论和实践教学的真实环节进行模拟仿真。[6]充分发挥虚拟仿真技术在测绘地理信息技术教学实践方面的优势，能够解决测绘地理信息高端复合型技能人才培养的瓶颈。搭建虚拟仿真三维实训场景，按照基础技能训练、综合技能训练和创新技术训练的人才培养进阶模式，在地形图测绘、不动产测绘、古建筑测绘、工程测量、变形监测及土方测量等应用中开设虚拟仿真实践项目（图1）。

1.虚拟仿真仪器三维模型

三维激光扫描技术实践教学的基础条件是仪器设备。以地面三维激光扫描仪、车载扫描仪、手持扫描仪和机载扫描仪为主，标靶球、三脚架等相关配件及数据处理软件为辅，创建虚拟仿真测绘仪器三维模型。虚拟仿真测绘仪器不仅外观高度仿真，而且分离后的模型结构与真实仪器的重要组成部分基本一致（图2）。

2.虚拟仿真三维场景及实体模型

通过建设数字化全景虚拟仿真时空数据库场景，可实现基础场景、学校场景、丘陵场景的高清真实化呈现，支持与虚拟三维激光扫描仪的智能互动。通过三维模型展示场景、虚拟测量仪器、交互测试环境，按照规范的操作流程、测量工法，体验项目实施场景和工作过程。在校内按照一定比例建立实训场景实体模型，例如可以建立桥梁、隧道实体模型，沉降基坑模型，边坡山体模型等。学生可以先开展虚拟仿真实训，在熟悉测量场景和技术要求、实操流程和数据处理各环节后，在实体模型中进行扫描实训，这样不仅减少了实训的耗时，也提高了实训课堂的教学效果，以虚实结合的方式让学生扎实地掌握三维激光扫描技术在项目应用中的作业流程和技术要领（图3）。

3.三维激光扫描技术虚拟仿真实训

基于“学生中心、注重体验、能力为本”的理念，按照突出学生主体地位，注重实际环境体验，提升综合素质的思路，构建基础理论牵引、虚拟操作实践和现场实训三位一体的实训方案。建设基础技能训练（认知型）、综合技能训练（综合型）、创新型训练（探究型）三类进阶的虚拟仿真实训项目。

基础技能训练主要面向三维激光扫描技术的初学者。从三维激光扫描外业到内业数据处理，通过动画演示、游戏闯关的方式，指引学生按照实际过程完成操作。基础技能训练虚拟仿真资源能够实现学生对基础理论知识及仪器认知的掌握，并在三维虚拟仿真交互场景中学习实验操作步骤，例如：项目设计、测站点布设、三维激光扫描仪架设、仪器参数设置、一站式激光点云数据采集、数据检查预览及导出存储等。

综合技能训练主要面向已完成基础技能训练的学生。建设基于互联网在线共享的三维激光扫描测绘应用项目，采用虚拟仿真技术模拟古建筑/文物三维扫描、城市街景三维扫描、地铁隧道内部三维扫描测量实施过程。例如古建筑测绘项目，可以选择古建筑的虚拟场景，根据精度要求，布设合理的测站点，选择最佳扫描方案，再利用虚拟三维激光扫描仪进行多测站多角度的扫描，最后将获取的点云导入虚拟的数据处理软件中，获得相应的成果。

创新型训练主要面向已完成综合技能训练的学生。学生可以在实训场景实体模型中使用真实的三维激光扫描仪进行外业扫描作业，将三维激光扫描技术与其他测绘技术交互，掌握三维激光扫描仪、RTK控制测量、导线测量等操作过程。例如地形图测绘项目，可以选择地形地物较为丰富的校园场景，使用全站仪或RTK布设控制点后，再使用激光扫描仪完成外业扫描，最后将点云数据导入真实的点云数据处理软件中进行处理，完成项目应用（图4）。

三、虚拟仿真实践教学设计

学生通過教学过程最终获得学习成果，目的是培养学生获取信息、学习技能及运用知识解决实际工程问题的能力，该教育理念符合应用型工程人才培养的要求。从创新能力培养的教学结果出发，制定虚拟仿真教学计划，评定学生能力，这也是虚拟仿真实践教学的理念和落脚点。根据学习成果类型的不同选择合适的虚拟仿真教学方法，创设丰富的教学环境，可以调动学生积极参与教学过程。合理的虚拟仿真实验设计不仅能吸引学生，还能让复杂而单调的操作过程变得更有趣更生动，也让复杂抽象的重难点理论知识通过实践体验变得浅显易懂。

1.“学”阶段

“学”阶段重点关注三维激光扫描仪的操作方法、测量工法流程，将重点和难点问题科学划分为实际操作中的若干步骤和环节，强调细节的图像化呈现。将虚拟仿真三维激光扫描仪等设备的拆装讲解以视频动画方式呈现，仪器的使用流程以带有指引性的跟踪操作进行展示。学生可以在不同的步骤环节中自由跳转，针对薄弱环节重复学习，促进关键知识点的“形象化认知过程”的实现。以人机互动的方式让学生熟悉三维激光扫描仪的构造、原理和性能，并熟悉常用的外业操作及注意事项等，以达到能使用三维激光扫描仪顺利完成实验的目的。[7]

2.“练”阶段

在“练”阶段，软件提供了浸入式操作环境，学生按照软件提供的分步骤提示，在交互场景中跟进操作。目的是使学生掌握仪器操作和工法实现过程的“点”和“度”，促进关键知识点的有效建构和内化。在学习过程中，配套理论知识点的穿插提问，用闯关问答的方式增强学生的学习兴趣，并加深学生对知识点和技能点的掌握。将学生自主在平台的练习过程纳入课程考核的一部分，以虚拟实验任务为驱动，让学生能够充分利用课余时间在虚拟仿真一体机或虚拟仿真教学实验软件上自主学习并完成虚拟实验。

3.“测”阶段

在“测”阶段，软件提供了开放式的测试环境，系统针对实践操作过程自动打分，并提供错误操作提示。每个学生使用自己的学习账号进行实名登录，系统记录该学生的登录信息后，在演练过程中随机获取操作者的面部照片以保证课程考核的真实性。此外，系统还要记录学生的实验任务情况、演练次数、演练时长、操作步骤及反馈评价。最后一次演练后还要进行综合性考核，考核合格后可以在教师的指导下，参与真实的三维激光扫描技术实训。不合格者要求重新参加虚拟演练，直到考核合格。教师和学生通过实践操作过程的重现，能够发现操作过程中存在的问题，并及时纠正。针对共性问题可以通过虚拟仿真实训演示给予共同指导，对于个性问题可以就单个知识点或技能点给予单独指导，最终达到知识向技能的平滑转化。[8]

四、结束语

三维激光扫描技术实训从外业数据采集到内业数据处理，既能单个实验独立开展，也能多个实验合并后设计成一个综合性实验。利用虚拟仿真技术可以灵活方便地完成多种在真实场景中存在实际操作困难或者因设备数量不足而难以完成的教学实践项目，它还能帮助学习者摆脱区域和时间的限制，为自主学习提供便利。

本文采用以虚助实、虚实结合的方式攻克三维激光扫描技术实践教学中的“三高三难”，通过实践教学与虚拟现实的深度融合，解决实践教学中的难点和痛点，全面推进实践教学改革。重点拓展“难实施、难观摩”的实验项目，重塑“高风险、高投入”的实训项目。多样化“虚拟仿真+场景交互”能有效提升学生动手操作兴趣，强化对理论知识的理解和记忆，从主观上提高学生的学习效率，进而提升学生的综合职业能力，打造复合型、创新型高素质技术技能人才培养高地。

参考文献：

[1]岳建平，丛康林.人工智能时代的测绘工程教育改革[J].测绘通报，2020（09）：151-154.

[2]徐卓揆，贺跃光，丁美青.多途径利用虚拟仿真技术开展测绘工程实践教学[J].信息技术与信息化，2020（03）：120-123.

[3]岳祥楠，贺小星，马飞虎，等.虚拟仿真技术在测绘工程实践教学中的应用[J].测绘工程，2021（01）：76-80.

[4]冯正茂，杨世金，黄杰品，等.三维激光扫描技术在喀斯特洞穴测绘中的应用[J].地矿测绘，2021（03）：30-33.

[5]张贺. 露天矿边坡位移三维激光扫描监测技术研究[D].辽宁科技大学，2015.

[6]李晓东，曲本全，陈晖，等.虚拟仿真软硬件技术在实践教学的应用与探索[J].实验技术与管理，2017，34（03）：130-133+137.

[7]何春燕，任安利，刘欣，等.开放实验室高端仪器虚拟仿真实验构建与应用[J].基础医学教育，2018，20（10）：920-923.

[8]冯正茂，李端，秦啟耀.井下水准测量实训教学中虚拟仿真技术的应用[J].职业教育（中旬刊），2020，19（05）：44-46.

[基金项目：基于三维激光扫描虚拟仿真实验教学改革的探索实践 （2022-JD-03）、基于激光扫描技术的三维实景重建应用研究（2021-zx-06）。通讯作者：魏海霞。]

责任编辑陈春阳