章　迪，許才軍，陳　巍，張　煜

(1. 武漢大學(xué)測繪學(xué)院，湖北 武漢 430079； 2. 地球空間信息技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430079)

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GNSS三維仿真測量實踐教學(xué)系統(tǒng)的實現(xiàn)

章迪1,2，許才軍1,2，陳巍1,2，張煜1,2

(1. 武漢大學(xué)測繪學(xué)院，湖北 武漢 430079； 2. 地球空間信息技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430079)

GNSS三維仿真測量系統(tǒng)將虛擬現(xiàn)實技術(shù)用于實踐教學(xué)，能夠突破設(shè)備、場地、學(xué)時等多方面的限制，切實增強學(xué)生的實踐能力。本文介紹了其設(shè)計思路，并重點闡述了運用Unity3D進行系統(tǒng)開發(fā)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)，可為其他教學(xué)研究和開發(fā)提供參考。

全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)；虛擬現(xiàn)實；三維仿真；實踐教學(xué)

全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)(GNSS)是當前高校測繪類專業(yè)教學(xué)中非常重要的一門課程。課程要求學(xué)生不僅要具備扎實的理論基礎(chǔ)，而且應(yīng)掌握GNSS靜、動態(tài)測量的實踐技能，并將之熟練地應(yīng)用于科研和工程實踐。但目前GNSS實踐教學(xué)仍存在儀器資源不足、室內(nèi)示教困難、教學(xué)學(xué)時有限等問題，對學(xué)生實踐能力的提升造成了障礙。針對這些問題，廣大教學(xué)工作者開始探索各種方法來提高教學(xué)效果，如劉智敏等提出應(yīng)當更新儀器設(shè)備，與多家單位建立教學(xué)實習(xí)基地，結(jié)合教師的科學(xué)項目培養(yǎng)優(yōu)秀學(xué)生[1]；郭敏等提出應(yīng)當更新利用好儀器設(shè)備，完善實習(xí)基地，并采用多元化的實習(xí)方法和手段[2];李黎等提出應(yīng)當建立實習(xí)基地，加大實踐教學(xué)考核的比重[3];章迪等提出建立視頻實驗教學(xué)平臺[4]。這些方法可以在一定程度上改善儀器和場地因素帶來的困擾，但購置新的儀器和建設(shè)實習(xí)場地往往需要大量的資金投入，教師的項目又通常難以覆蓋所有學(xué)生。使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)GNSS三維仿真測量系統(tǒng)則為我們提供了新的思路。

虛擬現(xiàn)實又稱為靈境技術(shù)，即采用計算機技術(shù)為核心的現(xiàn)代高科技手段生成逼真的虛擬環(huán)境，讓用戶能采用自然的方式與虛擬世界中的物體進行交互，從而產(chǎn)生身臨其境的感受和體驗[5]。已有一些學(xué)者探索將虛擬現(xiàn)實技術(shù)用于測繪實驗教學(xué)，如馬春艷等使用3ds Max軟件制作了水準儀的模型，并編制了水準測量的演示性動畫[6];范沖等開發(fā)了基于Quest3D的虛擬測繪實驗室[7]，能夠模擬全站儀導(dǎo)線測量實驗。

目前，可用于虛擬現(xiàn)實開發(fā)的軟件有Virtools[8-9]、Quest3D[10-11]、Vega[12-13]、Unity3D[14-15]等。由于Unity3D具有語言兼容性強、平臺適用性廣、地形渲染器強大、簡單易學(xué)、支持多種文件格式并提供免費版本等優(yōu)點，因此本文選用該軟件作為開發(fā)工具。Unity3D是由Unity Technologies開發(fā)的游戲引擎，它能夠讓開發(fā)者輕松創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實時三維動畫等的互動內(nèi)容。Unity3D支持3種腳本語言，即JavaScript、C#和BOO。本系統(tǒng)使用C#語言進行腳本編輯。

一、系統(tǒng)設(shè)計

GNSS三維仿真測量系統(tǒng)的目的是為了讓學(xué)生在對各種儀器的外觀、結(jié)構(gòu)有直觀認識的基礎(chǔ)上，能結(jié)合理論知識，進行多場景下GNSS的仿真測量，熟練掌握靜態(tài)、動態(tài)測量的操作步驟?；谶@些需求，筆者將系統(tǒng)設(shè)計為基礎(chǔ)知識、儀器介紹、靜態(tài)測量、動態(tài)測量和系統(tǒng)幫助5個部分，如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)構(gòu)成

基礎(chǔ)知識部分采用圖文結(jié)合的幻燈片方式，主要介紹GNSS測量的基本原理、步驟和相關(guān)的注意事項，既有對理論知識的回顧和總結(jié)，也包含對實踐操作的前導(dǎo)性學(xué)習(xí)。

儀器介紹部分，用戶可以從儀器列表中選取要查看的儀器，通過鼠標控制模型旋轉(zhuǎn)、縮放，從而能夠從各個角度觀察每個儀器模型。當鼠標指針懸停在模型的特定位置時會彈出對相關(guān)部位的簡要說明，幫助學(xué)生快速熟悉儀器。

靜態(tài)測量部分，用戶在設(shè)置頁面可以選擇場景、日期、接收機數(shù)量、采樣率、截止高度角等參數(shù)。進入測量場景后，用戶可以調(diào)出俯視圖，并從工具欄中點選控制點拖放至合適位置。之后可以在控制點上架設(shè)儀器、測量儀器高，并開啟接收機進行測量。在一個觀測時段結(jié)束后，系統(tǒng)會為每臺接收機生成O文件和N文件，用戶可以把它們導(dǎo)出到硬盤上，用于基線解算。

動態(tài)測量部分能夠模擬真實的RTK測量過程。用戶先選擇合適的位置架設(shè)好基準站，手動開啟接收機、電臺，通過手簿界面設(shè)置基準站參數(shù)；然后開啟流動站，并設(shè)置好坐標系、電臺頻率、電文格式等參數(shù)；通過鍵盤、鼠標控制測量員在場景中漫游，以第一或第三人稱視角模擬RTK測量，進行地物、地形的數(shù)據(jù)采集。測量結(jié)束后，用戶可以將觀測值導(dǎo)成CASS文件用于地形圖繪制。

系統(tǒng)幫助是整個系統(tǒng)的操作使用說明，用于提示用戶實現(xiàn)前后移動、視角切換、顯示已知點等功能的操作方法。

二、關(guān)鍵技術(shù)

系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)包含三維建模、素材導(dǎo)入、場景制作、多視角切換等。

1. 三維建模

采用3ds Max軟件制作各類儀器和人物的模型，具體過程本文在此不詳細展開。儀器模型包括控制點標志、三腳架、基座、接收機、基準站電臺、對中桿、鞭狀天線等。人物模型則不僅應(yīng)對外觀進行建模，還應(yīng)給每一個人物制作相應(yīng)的行走、點擊手簿、觀察等動畫。模型建好后，應(yīng)導(dǎo)出為FBX格式，便于Unity3D能順利導(dǎo)入。

2. 素材導(dǎo)入

本系統(tǒng)使用的素材包括三維模型、動畫、圖片和音樂。在Unity3D的project選項卡中選擇Import New Asset選項將素材導(dǎo)入。三維動畫內(nèi)置在人物模型中，需要提取出來制作成Animation Controller后再關(guān)聯(lián)到人物模型上，并編寫腳本讓動畫在合適的時候播放(如圖2所示)。

圖2　控制點布設(shè)動畫

二維圖片導(dǎo)入后，需要添加到Atlas圖集中，再通過Sprite控件添加到界面中。

音樂則需要在場景中放置一個帶有Audio Source組件的物體，用于播放音頻文件，以及帶有Audio Listener組件的物體，用于收聽聲音。

3. 場景制作

首先通過GameObject菜單創(chuàng)建一個空白的地形。然后使用地形繪制工具繪制出高低起伏的地貌，并給繪制好的地形添加紋理和地物，如樹木、草叢等，讓它看上去更加真實。建筑、橋梁等三維模型可以根據(jù)需要進行縮放、旋轉(zhuǎn)并放置在場景中。最后可以添加天空盒、河流等，模擬自然界的各種環(huán)境(如圖3所示)。

圖3　靜態(tài)測量場景

4. 用戶交互界面制作

本系統(tǒng)使用NGUI插件進行圖形界面的制作。以手簿界面開發(fā)為例，首先確定界面需要的背景圖片，使用NGUI中的Sprite控件加載圖片放置到合適的位置；然后使用Label控件添加必要的文字說明，使用Button控件添加按鈕，使用Input控件創(chuàng)建輸入框，使用Popup List控件創(chuàng)建下拉列表；最后為每個控件編寫腳本，讓它們能夠?qū)τ脩舻妮斎?、鼠標點擊等操作作出響應(yīng)，或是對用戶輸入的數(shù)據(jù)進行處理并顯示結(jié)果。

5. 坐標系轉(zhuǎn)換

Unity3D的每個場景都會自帶一個坐標系，包括X、Y、Z3個坐標軸。通過與測繪的坐標系統(tǒng)進行比較，發(fā)現(xiàn)其X、Y軸可分別與高斯平面直角坐標的x(南北)和y(東西)軸對應(yīng)，Z軸坐標值可與高程H對應(yīng)。將平面坐標加入一定的常數(shù)后通過投影反算(中央子午線設(shè)置為114°，橢球采用WGS-84，投影方式為高斯投影)轉(zhuǎn)換為B、L，再與H一起轉(zhuǎn)換即可得到各點的空間直角坐標。

6. 虛擬觀測值生成

在靜態(tài)測量中，利用給定的三維坐標、天線高和廣播星歷，反算出接收機到衛(wèi)星的距離，再加入模擬的對流層誤差、電離層誤差、接收機鐘差、衛(wèi)星軌道誤差等誤差，從而得到虛擬的GNSS觀測值,并可輸出包含GPS和BDS(北斗)兩個衛(wèi)星系統(tǒng)的RINEX 3.0文件。

7. 儀器放置

當用戶點擊了某個位置后，RayCast()函數(shù)會從攝像機的中心位置向光標所在方向發(fā)射一條射線。當射線遇到碰撞體(如地形)后，函數(shù)會返回碰撞點的三維坐標，這樣就可以將儀器模型放置到碰撞點上。類似的原理可用于模擬測量天線高，并使用LineRenderer組件在兩點間渲染一條直線模擬鋼卷尺。計算兩點間的距離即為量高的結(jié)果。

8. 儀器開啟和關(guān)閉

為了模擬開機操作，先給電源鍵按鈕添加一個碰撞體，并在碰撞體的腳本中加入OnClick()函數(shù)，當用戶點擊鼠標時，則開啟或關(guān)閉接收機上的指示燈。接收機上的指示燈用Unity3D中的點光源進行模擬。對于那些需要閃爍效果的指示燈，可使用協(xié)程技術(shù)，控制它們延遲點亮(或熄滅)。

9. 多視角切換

在場景中放置多個攝像機(camera)，這些攝像機從不同角度對場景中的特定目標進行渲染，用戶需要在多個視角間自由切換，實際上就是通過啟用不同的攝像機來實現(xiàn)。第一人稱視角的測量體驗感更為真實，而第三人稱視角則有利于用戶對整個場景有更宏觀的感受。如圖4所示。

三、結(jié)束語

GNSS三維仿真測量實踐教學(xué)系統(tǒng)不僅能對儀器模型和測量場景進行三維立體的展示，還能對動靜態(tài)測量進行全方位的交互仿真，并可生成觀測值、測點坐標等仿真數(shù)據(jù)，以供后續(xù)的數(shù)據(jù)處理實習(xí)使用。由于其在形式上為一個可執(zhí)行程序，只需點擊鼠標即可進行操作，具有成本低廉、攜帶方便、易于操作等諸多優(yōu)點，非常適合于教師課堂演示和學(xué)生課前預(yù)習(xí)、課后鞏固操練。

圖4　多視角切換

三維仿真系統(tǒng)形式新穎、學(xué)生喜聞樂見，突破了GNSS傳統(tǒng)實踐教學(xué)模式在時間和空間上的局限性，有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)他們的創(chuàng)新熱情。需要注意的是，三維仿真測量系統(tǒng)絕不意味著可以“以虛代實”甚至“只虛不實”，教學(xué)過程一定要堅持“虛實結(jié)合、以虛促實”的原則，必須以提高學(xué)生的實際動手能力為落腳點。

將本系統(tǒng)應(yīng)用于筆者所在院校測繪工程專業(yè)的GNSS實踐教學(xué)，讓學(xué)生經(jīng)過虛擬系統(tǒng)訓(xùn)練之后再進行實地操練。與傳統(tǒng)模式相比，發(fā)現(xiàn)他們對整個實習(xí)過程能有更宏觀的把握，學(xué)習(xí)效率顯著提升。當然任何一種模式都不是盡善盡美的，如何能更好地將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)，還需要在實踐中不斷地探索和總結(jié)。

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Realization of GNSS 3D Simulation Practical Teaching System

ZHANG Di，XU Caijun，CHEN Wei, ZHANG Yu

10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0172.

2015-04-21

武漢大學(xué)實驗技術(shù)項目；武漢大學(xué)開放實驗項目

章迪(1984—)，男，博士生，主要研究方向為GNSS科研與教學(xué)。E-mail：155224268@qq.com

G64；P208

B

0494-0911(2016)05-0120-03

引文格式： 章迪，許才軍，陳巍,等. GNSS三維仿真測量實踐教學(xué)系統(tǒng)的實現(xiàn)[J].測繪通報，2016(5)：120-122.