测量仪器是测绘工作的组成部分, 熟悉测量仪器的构造, 掌握仪器的部件名称及作用, 学会仪器的操作与观测, 是测绘工程及相关专业的基本要求。在专业教学过程中, 图片展示、实物演示的教学方法虽然直观, 但在短时间内无法让第一次接触仪器的学生理解和掌握。借助计算机信息技术, 建立测量仪器三维模型, 依托模型浏览器与互联网平台来表达, 创新了教学手段与形式^{[1, 2]}。

1 水准仪三维模型的制作

相片透视匹配建模利用一组目标物不同透视角度的相片, 将相片中所表达的三维空间与模型的真三维空间进行匹配, 从而在相片目标物空间参照的基础上构建三维模型。如图 1所示, 在模型三维空间中有空间直角坐标系O-XYZ, a₁、a₂为X轴方向平行矢量, b₁、b₂为Y轴方向平行矢量, 在相片中目标物上有两组相互垂直的参照矢量a′₁、a′₂与b′₁、b′₂。通过四对矢量线的透视位置匹配与三维模型空间坐标系原点在相片中位置的设置, 使模型三维空间与相片中目标物的三维空间一致^[3-8]。

1.1 水准仪的基本构造

水准仪是高程测量最主要的仪器, 可以分为微倾式光学水准仪、自动安平水准仪和数字水准仪等。自动安平水准仪在教学和工程中应用最为广泛。自动安平水准仪由瞄准器、望远镜镜筒、物镜、目镜、对光螺旋、圆水准器、脚螺旋、基座等部件所构成。

1.2 水准仪建模流程

本文采用SketchUp软件来实现水准仪三维模型的制作。SketchUp中运用相片透视匹配的方法构建模型的流程如下。

1) 相片匹配。在SketchUp中新建一个模型文件, 使用相机菜单下的“新建照片匹配…”命令, 打开用于透视匹配的照片, 点击确认后进入照片匹配模式(图 2)。图 2中的红、绿、蓝3种颜色分别对应X、Y、Z轴, 红色和绿色调节杆用于调节并匹配图片中的透视关系。选择视图中黄色坐标原点, 将其调整到照片中仪器的原点处, 调节红色和绿色调节杆的控制块, 使透视边与照片中仪器的轴线透视对齐。然后, 在照片匹配对话框中按照水准仪的高度设置间距, 将鼠标指针移动至蓝色坐标轴上, 当出现缩放图标时, 缩小栅格, 直到间距与仪器高度一致。

2) 参照照片创建模型。首先利用绘制直线、绘制矩形、绘制圆等绘图工具和拉伸工具, 按照图片中仪器各部件的形状制作基本几何实体; 然后利用绘制圆弧、路径跟随、柔化等工具对模型细部进行处理并将各部件群组后以“部件名称”命名; 最后, 利用材质工具对模型进行纹理处理。对相片中因透视角度而无法获取到的仪器细部构造, 可以使用游标卡尺等工具精密测量获取尺寸数据, 使用参数建模的方法完成模型细部的制作。

3) 添加文字标注。首先, 打开模型信息对话框, 在文本选项中设置引线文字的颜色、字体、字号和样式; 然后选择工具菜单中的“文字标注”工具, 在主要部件上增加名称注记。注记文字时, 鼠标在需要注记的部件上单击左键, 拖拽出引线后, 在适当位置再次单击鼠标左键, 注记生成。若模型部件构成群组后命名, SketchUp会默认显示名称属性信息; 若未命名, 则显示该部件的尺寸, 通过编辑文字功能可修改。

2 模型的应用

仪器三维模型建好后, 以skp格式和obj格式输出。如图 3所示, 在理论教学过程中, 教师可使用SketchUp View浏览器打开skp模型文件, 通过环绕观察、平移和缩放等视图浏览功能, 辅助完成仪器认识教学; 将3DS格式的仪器模型数据上传至3D模型发布的网络平台, 获取共享地址, 编入教材, 或生成二维码, 学生在课余时间可借助于PC端的Web浏览器或手机端的二维码扫描功能实现网络学习。

3 结束语

本文研究了一种以照片透视匹配为基础的三维模型建立方法, 并用于测量仪器的三维模型制作, 方法简单易于实现, 建模达到了良好的仿真效果, 并借助专用浏览器和3D模型网络平台, 使模型的使用环境从真实课堂延伸到网络课堂, 丰富了教学手段和教学形式, 为信息化测绘课程建设及虚拟仿真测绘工程实验室建设提供了一定的参考意义。