简论测量基于Virtools虚拟全站仪测量训练体系设计与实现

【摘 要】使用虚拟实验系统进行测绘类课程的教学和实践，能够增加实践机会，扩展实践环境，对学生实践能力的培养具有重要意义，本文根据全站仪的功能和学习要求设计了虚拟全站仪测量训练系统，并使用3DS MAX软件进行了仪器和场景的建模，最后使用Virtools软件进行了全站仪交互功能的实现，完成了该全站仪虚拟训练系统的实现和发布。
【关键词】Virtools；全站仪；训练系统
一、引言
实践课程是测绘类课程教学中非常重要的环节，学生必须有足够的实践练习才能充分理解理论课程的内容，但是受到实验场地、实验器材、外界环境等的限制，能提供给学生的实践机会比较有限。在这种情况下，若能提供给学生一种电脑桌面类型的虚拟实验环境和实验器材，实现室内完成“野外作业”训练，这种全新的实验模式，势必对学生实践能力的培养模式产生新的变革。而全站仪作为测量工作中的一个主要仪器，若能实现虚拟操作的模拟，给学生增加更多的实践机会，对学生仪器操作能力的培养将会有重要意义。
当前应用在虚拟实验中的网络三维技术软件平台主要有：VRML/X3D、Ja3D、Cult3D 和 Virtools 等，其中 Virtools 以其强大的交互功能、完美的画质渲染、简便的操作方式和良好的网络传输性能等优势在虚拟现实领域获得了广泛的应用。Virtools 作为可编辑程序提供超过 500 个具有不同功能的内置 BB 模块，而且 Virtools 脚本语言编辑功能强大，可根据需要完成所需要功能。因此本文选用Virtools软件进行该虚拟训练系统的实现。

二、系统设计及实现

1.总体规划

虚拟全站仪测量训练系统的目标为建立一个“多设备”、“多场景”、“多项目”的桌面虚拟测量实践教学系统，提供给学生一个从最初的“设备操作练习”到最终的“实际工程演练”多层次可持续的模拟练习平台。其功能应包含教学辅助、实习配套和项目模拟三个渐进的模块。
教学辅助功能涵盖教学过程中全站仪的基本功能练习，如：①认识设备②角度测量③距离测量④高程测量⑤坐标测量⑥工程放样等；实习配套功能主要针对涉及全站仪的几大实习进行辅助练习，如：①数字地形测量学实习②控制测量学实习③工程测量学实习等；项目模拟实训功能则根据典型工程案例做成模拟实验场景，以实际工程的测量方法和精度要求为标准进行模拟实训。

2.模型的建立

三维模型是整个测量训练系统的基础， 模型的好坏直接影响运行的效果和场景的逼真度。本系统采用3DS MAX进行建模，用它建立的模型有很强的仿真立体效果。
（1）全站仪的三维建模
采用某品牌全站仪为原型，严格测量仪器尺寸后在3DS MAX中按照1：1的比例制作模型，其颜色细节等采用贴图来显现。
（2）典型场景的建模
能够任意模拟典型地形，实现各种地形的全方位实践训练是全站仪模拟训练系统的最大优点。测量中的典型地形和地貌有山脊、山谷、山头、鞍部、绝壁、悬崖等，考虑安全等因素，实际测量实验中对这些典型地形地貌测量的训练只能在较简单的实际地形条件下，对其中的一种或几种典型地形进行简单实验，实验的效果大打折扣，而在虚拟训练系统中完全可以模拟出任意地形地貌进行测量实验，实验效果大大增强。此文中采用3DS MAX软件进行地形地貌的建模，建模中充分考虑典型地貌，部分场景采用实际工程涉及的地形地貌进行建模，并可以在后续工作中继续完善地形库，使该模拟系统涵盖更多典型地形和工程地形，给学生提供更多练习“场地”。
（3）将模型导入virtools
安装Virtools_Max_Exporter导出插件，然后在3dmax中导出场景文件为nmo格式的文件，导出后的文件在virtools中打开，确认自己导出的场景，再次保存为cmo格式的文件。

3.虚拟现实功能实现

（1）界面设计
根据真实模拟，操作便利的原则，操作界面设计为三部分显示，左边大窗口为场景窗口，模拟的测量场景和全站仪、棱镜的虚拟影像将出现在此窗口中，可在此窗口中观察地形，根据地形指挥棱镜移动，并指挥全站仪进行大致瞄准，右边上部小窗口为目镜观察窗，此窗口中模拟全站仪目镜中的影像，可在大致瞄准后在此窗口中根据十字丝和目标的相对位置进行全站仪的微调，在此过程中通过键盘模拟现实中微动螺旋的功能，最终使十字丝精确瞄准目标，右边下部小窗口为全站仪键盘操作和数据显示窗口，在此窗口中模拟全站仪的操作面板和显示屏幕，此面板的操作和数据显示的功能和格式与被模拟的真实全站仪完全相同，在精确瞄准目标后，可在此窗口中进行相应的测量和记录，完全模拟真实全站仪瞄准目标后的操作过程，达到身临其境的感觉，最终实现全站仪操作的模拟训练。
（2）交互功能的实现
要实现该系统的模拟训练功能，必须能够使使用者像操作真实的全站仪一样与虚拟仪器进行交互操作。全站仪的基本交互操作主要包括操作望远镜分别绕纵轴和横轴的旋转，精确瞄准目标，操作仪器面板依不同的测量程序完成测量。全站仪需要实现的功能主要包括水平角度和竖直角度测量、斜距和平距测量、悬高测量、坐标测量、工程放样、面积测量等，其中所有的功能都源于角度和距离的测量，测得角度和距离后，其他功能即可通过计算实现，因此本文主要介绍角度和距离测量的实现方法。Virtools中三维场景交互主要通过对三维要素的触发，完成人与三维场景的互动，可以通过 Virtools 自带的BB，如 Mouse Waiter、2D Picking、Key Waiter、Key Event，switch on key等实现。
①横轴纵轴转动的实现
全站仪测量过程中的仪器运转主要为绕横轴和纵轴的旋转运动，为使虚拟全站仪能够真实的动起来，使用virtools中的rotate BB来实现，并通过key waiter BB或者switch on key BB来实现用键盘控制旋转的方向，通过按键次数或按键时间来控制旋转角度。为实现操作仪器直接的旋转和通过微动螺旋的旋转，必须设置两种Rotate旋转角度参数，本文中设置旋转角度分别为1和0.01，若想使仪器的旋转更加流畅和便捷，还可增加过渡参数，并可进一步将角度细化，使瞄准动作摘自：毕业论文任务书www.618jyw.com
更加的精准。 学位论文www.618jyw.com