CN111597709A - 全站仪虚拟仿真教学系统 - Google Patents

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刘永浩
何万金
景尚晨
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Abstract

本发明公开了一种全站仪虚拟仿真教学系统，涉及教学系统研发技术领域，其包括场景模块、环境修改模块、仪器模块、场景切换模块和视图命令模块，其对于实践实习测量，不会出现学生失误操作造成的仪器损失或实习过程靠队员不认真的现象，测量精度、效率更高，能够自动的对数据进行处理；丰富了测量场地，能够更好的提升学生实际操作能力与综合素质；能够切换使用不同型号的全站仪模型，解决了教学试验设备陈旧，更新速度与社会和教学实际脱离的问题；能够模拟全站仪模型在3D场景模型内的移动、架设、旋转、面板参数设置以及照准测量，整个画面为3D场景，能更好的满足学生真实动手操作的要求，保证了仿真模拟效果。

Description

全站仪虚拟仿真教学系统
技术领域
本发明涉及教学系统研发技术领域，具体而言，涉及一种全站仪虚拟仿真教学系统。
背景技术
工程测量在工程建设中占据着重要的地位，从工程规划、设计到施工建设，从竣工测量到后期的安全监测、运营维护，都起着不可代替的作用。
目前非测绘类高校测量实践课的教学环节普遍存在一些问题，但仍未得到有效的改善。国内学者经过不断研究发现：
1.数字化时代的需求，传统的教学模式与教学手段亟待改革。
当前测量学教学模式为课上理论知识吸收学习，通过短视频讲解仪器操作，然后分组进行高程测量、大比例尺地形图测绘，碎步测量等仪器实习操作。但相关学者发现该过程无论是数据记录与处理还是仪器操作等过程均为人工方式进行，精度和效率低下，缺乏内外一体化和自动化的数据处理流程。除此之外，实践实习过程中极有可能出现学生失误操作造成的仪器损失或实习过程靠队员不认真的现象。
2.实习场地单一。
大部分测量课程的实习场地都选用学生所在校区的校园内，而校园内的地形一般过于平坦，高程变化不大，同时地物测量相对实际工程中的要素又过于简单，不能很好的提升学生实际操作能力与综合素质，造成测量工作人员的紧缺。
3.满足该实习教学基本需求的试验设备陈旧，更新速度与社会和教学实际脱离。
测量仪器的高昂费用使得高校的仪器供应不足，不能满足学生人手一台仪器进行实践实习。除此之外，仪器的类型与型号繁杂，导致测量仪器的选择和操作多样化，传统教学模式无法保证学生掌握各类测量仪器的基本使用。
总的来说，测量学传统教学模式和教学手段呈现单一化和落后化，与高速发展和更新的数字化时代脱轨，要解决学者提出的上述问题，就需要跟进时代的发展步伐，与数字化时代相结合，探究出新的教学模式。
而随着虚拟仿真技术的快速发展，少数研究学者提出将虚拟仿真技术与工程测量教学相结合实现教学，但因研究想法新颖，研究人数过少，目前均未有成果被广泛应用于实际教学或生活中。有学者对全站仪面板操作的模拟系统。但这并不能满足工程测量中全站仪不同型号不同操作方式的工作掌握要求，更不能完成工程测量课程教学内容，达到考核水平。同时存在极少数的发明专利提出建立半虚拟半现实仿真平台，该类研究并不能达到实际操作时学生或工作人员对仪器搬运，架设，和测量前调零等操作的学习或熟悉，且该类发明专利只能通过平台为学生呈现平面化的实习教学，学习仪器模拟操作的理论知识，本质上并未达到学生能动手真实操作的要求。除此之外，该类研究是基于平面控制网建立的平面操作平台，通过GNSS技术建立平面控制网，利用数字高程模型(DEM)获取基础数据，利用高等级计算机语言底层开发或GIS平台二次开发建立对照半现实仿真区。平面操作系统界面缺乏真实性，二维的操作平台缺乏实际实习场景中的空间操作随意性，也没有与实际操作环境的影响，仪器模拟的效果大打折扣。半虚拟技术本身也存在很多缺陷，如半虚拟半现实仿真会对客户机操作系统做出修改，并不符合未来虚拟化技术的核心。
发明内容
本发明在于提供一种全站仪虚拟仿真教学系统，其能够缓解上述问题。
为了缓解上述的问题，本发明采取的技术方案如下：
本发明提供了一种全站仪虚拟仿真教学系统，包括：
场景模块，用于根据测量任务选择3D场景模型，被选择的3D场景模型在操作区中显示；
环境修改模块，用于临时修改3D场景模型的参数，待完成当前测量任务后，3D场景模型的参数自动还原；
仪器模块，用于根据测量任务选择对应型号的全站仪模型，被选择的全站仪模型显示于操作区的3D场景模型中；
场景切换模块，用于实现操作区中，全站仪模型在3D场景模型内的移动、架设、旋转；
视图命令模块，用于实现操作区中全站仪模型的面板参数设置以及照准测量。
本技术方案的技术效果是：相对于实践实习测量，不会出现学生失误操作造成的仪器损失或实习过程靠队员不认真的现象，测量精度、效率更高，能够自动的对数据进行处理；丰富了测量场地，能够更好的提升学生实际操作能力与综合素质；能够切换使用不同型号的全站仪模型，解决了教学试验设备陈旧，更新速度与社会和教学实际脱离的问题，能够保证学生掌握各类型号仪器的基本使用；能够模拟全站仪模型在3D场景模型内的移动、架设、旋转、面板参数设置以及照准测量，模拟整个实习过程中的所有操作和场景，完全符合工程测量实习的要求，甚至更灵活的提供仪器、场景和环境的选择，整个画面为3D场景，能更好的满足学生真实动手操作的要求，保证了仿真模拟效果。
进一步地，所述3D场景模型是采用3Ds Max软件，根据地物位点数据搭建而成，所述地物位点数据是利用全站仪进行实地野外数据采集得到；所述全站仪模型是采用3DsMax软件，根据AutoCAD软件绘制的3D图形搭建而成。
本技术方案的技术效果是：地物位点数据来自实测数据，利于3D场景模型的精确搭建。
更进一步地，所述场景切换模块和视图命令模块是采用Unity 3D编写三维仿真运动方程模拟程序得到。
本技术方案的技术效果是：Unity 3D可定制IDE环境，基于Mono的开发脚本，不仅减少了安全隐患，也使得编写跨平台代码时更佳容易。
更进一步地，所述教学系统利用C#语言进行系统封装。
本技术方案的技术效果是：能较好的实现虚拟仿真教学系统的集成开发，利于全站仪虚拟仿真教学系统的后台操作和维护修改。
进一步地，所述仪器模块设置有数据写入端口，用于增加新型号的全站仪模型；所述场景模块设置有数据写入端口，用于增加新的3D场景模型。
本技术方案的技术效果是：便于对仪器模块中所储存的全站仪类型种类和场景模块中的3D场景种类进行更新。
进一步地，所述教学系统还包括数据存储模块和信息反馈模块，所述数据存储模块用于记录测量任务中的所有数据，所述信息反馈模块用于根据数据存储模块记录的数据，生成实验报告。
本技术方案的技术效果是：采用专门的数据存储模块对操作数据进行存储，易于数据管理，能够直观的生成实验结果报告。
进一步地，所述教学系统还包括教学视频模块，用于为新手用户提供教学系统操作简介。
本技术方案的技术效果是：能够引导新手用户如何使用该教学系统。
更进一步地，所述教学系统还包括工具模块，用于对操作区的3D场景模型进行放大/缩小/角度切换/距离切换/坐标切换。
本技术方案的技术效果是：提高了测量任务中的可操作性，确保了用户界面的友好性。
更进一步地，所述教学系统的用户界面包括操作区、视图命令窗口、工具列表窗口、菜单栏窗口和场景切换器窗口。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举本发明实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本发明中所述全站仪虚拟仿真教学系统的开发流程示意图；
图2是本发明中所述全站仪虚拟仿真教学系统的主要组成示意框图；
图3是本发明中所述全站仪虚拟仿真教学系统的用户界面图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参照图1～图3，本发明所述全站仪虚拟仿真教学系统，包括：
场景模块，用于根据测量任务选择3D场景模型，被选择的3D场景模型在操作区中显示；
环境修改模块，用于临时修改3D场景模型的参数，待完成当前测量任务后，3D场景模型的参数自动还原；
仪器模块，用于根据测量任务选择对应型号的全站仪模型，被选择的全站仪模型显示于操作区的3D场景模型中；
场景切换模块，用于实现操作区中，全站仪模型在3D场景模型内的移动、架设、旋转；
视图命令模块，用于实现操作区中全站仪模型的面板参数设置以及照准测量。
其中，仪器模块设置有数据写入端口，用于增加新型号的全站仪模型；场景模块设置有数据写入端口，用于增加新的3D场景模型。
在本发明中，教学系统还包括数据存储模块和信息反馈模块，数据存储模块用于记录测量任务中的所有数据，信息反馈模块用于根据数据存储模块记录的数据，生成实验报告。
如图1所示，本发明所述全站仪虚拟仿真教学系统的开发过程包括3Ds Max软件建模、三维仿真运动方程模拟程序和教学系统集成开发部分。
本发明通过AutoCAD对各常用型号全站仪的外形结构及界面进行设计，基于3DsMax软件实现全站仪模型的搭建。
在本发明中，3D场景模型是采用3Ds Max软件，根据地物位点数据搭建而成，地物位点数据的完善和精准则利用全站仪进行实地野外数据采集得到，地物位点数据包括测量位点数据和场景数据。获取到的地物位点数据与全国地信息资源目录系统有关数据资源校准过滤误差较大的数据后，通过3DsMax软件利用已知测点高程和实地地物标志规模通过建模的方式构建所需比例尺的地形图及相应数字高程模型(DEM)，进行精确的经纬度和高程的数据覆盖。结合3S技术中的GIS平台，对数据覆盖后的地物位点数据进行精确校核，使得地图与控制网更加贴合，实现场景各位点具备独特的测量数据，完成实地测量采集模拟场景数据，从而实现3D场景模型搭建。
在本发明中，场景切换模块和视图命令模块是采用Unity 3D编写三维仿真运动方程模拟程序得到，继而实现全站仪模型、3D场景模型的可移动化和可调动性。
本发明所述全站仪虚拟仿真教学系统利用C#语言进行系统封装，实现虚拟仿真教学系统的集成开发。
如图2所示，本发明所述全站仪虚拟仿真教学系统主要组成成分为场景搭建和仪器模拟。仪器模拟包括仪器驱动，仪器结构以及全站仪的操作面板的设计，操作面板上配置有教学视频，为初次接触的使用者提供操作教学引导，除此之外还要进行操作面板上显示面板的数据模拟，根据仪器对准的场景位点实时显示数据，以及面板相应按钮的相应显示的匹配。而3D场景模型的搭建主要由地形图模型的搭建构成，结合测量数据所建成的数字高程模型将地物位点数据导入场景实现精确场景搭建。
如图3所示，本发明所述全站仪虚拟仿真教学系统的用户界面包括操作区、视图命令窗口、工具列表窗口、菜单栏窗口和场景切换器窗口。
其中菜单栏窗口设置为下拉列表形式，下拉后可显示场景模块的选择窗口、环境修改模块的修改窗口、仪器模块的仪器选择窗口、教学视频模块的教学视频选择窗口，除了这几个窗口完，还包括基本的文件、编辑、工具、窗口和帮助窗口。
教学视频模块可为新手用户提供虚拟仿真教学平台的操作简介，还通过flash技术为工程测量教学提供教学视频，引导教程指导操作者视频学习仪器架设、移动仪器、仪器对中整平、参数设置，角度、距离、坐标等数据测量的仪器操作界面切换，照准和测量等各工程测量实习动手操作在该平台上的操作步骤与现实场地操作步骤。场景模块可根据前端人员设定的有代表性的场景进行选择，并在后期不断更新更丰富的场景库。
用户通过仪器选择窗口可选择实际工程测量中所经常用到的各种全站仪，了解不同全站仪的操作优劣。
用户通过环境修改模块的修改窗口，能够进行场景参数的修改，来模拟测量时会遇到的由于环境所导致的误差，更具真实性。
在本发明中，教学系统还包括工具模块，通过其工具列表窗口，可用于对操作区的3D场景模型进行放大/缩小/角度切换/距离切换/坐标切换。
操作区为3Ds Max与Unity3D合成的三维虚拟化场景，由三个坐标决定，相对二维平面化的操作平台更显真实，空间操作随意性更强。
场景切换模块的功能通过其场景切换器窗口实现，视图命令模块的功能通过其视图命令窗口实现。
本发明所述全站仪虚拟仿真教学系统，为基于虚拟仿真技术的测量仪器教学系统设计，既合理地解决了理论教学与实践实习过程中条件的不足，如：解决了测量仪器高昂价格、供求不足、天气环境恶劣、时间安排不周全等因素带来的不良影响；又有效地提高了教学资源的丰富性和实践环境的人性化与交互性，提升了教学的质量。测量设备种类较多，各种设备操作不同，采集数据与测量原理不同，本发明专利针对全站仪的实际操作和数据采集，构建虚拟仿真教学系统，并在此基础上，通过改变测量仪器模型与驱动引擎，搭建普遍适用于各类测量仪器与各型号测量仪器的虚拟仿真教学系统。本发明专利在技术中实现了创新，由二维平面操作转换至3D场景操作，更符合实际实际实习或工作要求，更具真实性。同时基于Unity 3D引擎的虚拟化，更符合当今科技发展要求，使用户身临其境的体验仪器操作的所有过程而不只局限于学习了解仪器操作的理论知识。将现实操作搬到虚拟平台完成。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种全站仪虚拟仿真教学系统，其特征在于，包括：
场景模块，用于根据测量任务选择3D场景模型，被选择的3D场景模型在操作区中显示；
环境修改模块，用于临时修改3D场景模型的参数，待完成当前测量任务后，3D场景模型的参数自动还原；
仪器模块，用于根据测量任务选择对应型号的全站仪模型，被选择的全站仪模型显示于操作区的3D场景模型中；
场景切换模块，用于实现操作区中，全站仪模型在3D场景模型内的移动、架设、旋转；
视图命令模块，用于实现操作区中全站仪模型的面板参数设置以及照准测量。
2.根据权利要求1所述的全站仪虚拟仿真教学系统，其特征在于，所述3D场景模型是采用3Ds Max软件，根据地物位点数据搭建而成，所述地物位点数据是利用全站仪进行实地野外数据采集得到；所述全站仪模型是采用3Ds Max软件，根据AutoCAD软件绘制的3D图形搭建而成。
3.根据权利要求2所述的全站仪虚拟仿真教学系统，其特征在于，所述场景切换模块和视图命令模块是采用Unity 3D编写三维仿真运动方程模拟程序得到。
4.根据权利要求3所述的全站仪虚拟仿真教学系统，其特征在于，所述教学系统利用C#语言进行系统封装。
5.根据权利要求1所述的全站仪虚拟仿真教学系统，其特征在于，所述仪器模块设置有数据写入端口，用于增加新型号的全站仪模型；所述场景模块设置有数据写入端口，用于增加新的3D场景模型。
6.根据权利要求1所述的全站仪虚拟仿真教学系统，其特征在于，所述教学系统还包括数据存储模块和信息反馈模块，所述数据存储模块用于记录测量任务中的所有数据，所述信息反馈模块用于根据数据存储模块记录的数据，生成实验报告。
7.根据权利要求1所述的全站仪虚拟仿真教学系统，其特征在于，所述教学系统还包括教学视频模块，用于为新手用户提供教学系统操作简介。
8.根据权利要求7所述的全站仪虚拟仿真教学系统，其特征在于，所述教学系统还包括工具模块，用于对操作区的3D场景模型进行放大/缩小/角度切换/距离切换/坐标切换。
9.根据权利要求8所述的全站仪虚拟仿真教学系统，其特征在于，所述教学系统的用户界面包括操作区、视图命令窗口、工具列表窗口、菜单栏窗口和场景切换器窗口。
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