農(nóng)業(yè)水工程測量虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺的建設(shè)

余衛(wèi)華 張 鑫 姚一飛

(西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西楊凌 712100)

一、虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺建設(shè)的意義及必要性

(一)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺建設(shè)的意義

農(nóng)業(yè)水工程測量虛擬仿真實(shí)訓(xùn)是實(shí)踐教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的主要途徑，其實(shí)訓(xùn)效果直接影響著高校的教學(xué)質(zhì)量和服務(wù)社會的水平。

為了更好地開展農(nóng)業(yè)水工程測量實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，應(yīng)加快農(nóng)業(yè)水工程測量虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺的建設(shè)，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、三維建模與仿真技術(shù)融入實(shí)踐教學(xué)。虛擬仿真技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，即在計(jì)算機(jī)創(chuàng)建的三維動態(tài)、實(shí)時(shí)可視的虛擬環(huán)境中，采用一定的數(shù)學(xué)模型，通過輸入各種參數(shù)對事物的運(yùn)行機(jī)理進(jìn)行仿真，達(dá)到合理控制事物運(yùn)行的目的。高校通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建工程測量虛擬仿真模塊，并借助數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、人機(jī)交互手段完成實(shí)踐教學(xué)過程[1-2]。綜合仿真實(shí)訓(xùn)平臺的“虛實(shí)結(jié)合、能實(shí)不虛、虛實(shí)互補(bǔ)”的特征，可以為實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的創(chuàng)新創(chuàng)造有利條件，它不僅改變了實(shí)踐教學(xué)模式、激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識與創(chuàng)新能力[3-7]。

基于此，西北農(nóng)林科技大學(xué)依托“陜西省測量測繪實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心”及校園數(shù)字平臺，優(yōu)化和補(bǔ)充了工程測量實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)教學(xué)資源，組建了農(nóng)業(yè)水工程測量綜合仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺，面向本校農(nóng)業(yè)水利工程和水文與水資源工程專業(yè)本科學(xué)生開放，使工程測量實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)取得了良好的效果[8]。

(二)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺建設(shè)的必要性

1.提升實(shí)踐教學(xué)的質(zhì)量

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有著傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)無法替代的作用，它不僅是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的有益補(bǔ)充，還是信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)水利行業(yè)現(xiàn)代化相結(jié)合的產(chǎn)物。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生在課前預(yù)習(xí)測量儀器的使用方法，在課后復(fù)習(xí)和鞏固工程測量各階段的操作步驟，還可以進(jìn)行傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)不可能完成的一些高危、不可見及現(xiàn)實(shí)條件不具備的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

與水利相關(guān)的測量實(shí)習(xí)均安排在暑期，如水下地形圖測繪、大壩施工測量等。在暑期實(shí)習(xí)期間，河道和水庫易發(fā)生洪澇、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，因此測量實(shí)習(xí)受天氣、環(huán)境影響較大，同時(shí)也存在著較高的安全風(fēng)險(xiǎn)。而通過虛擬仿真平臺開展實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，學(xué)生可以對安全風(fēng)險(xiǎn)高、不易操作的實(shí)習(xí)內(nèi)容有系統(tǒng)直觀的認(rèn)識和掌握，所以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)作為測量實(shí)習(xí)的有益補(bǔ)充，大大提升了實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量。

2.創(chuàng)新教學(xué)方法

相對于傳統(tǒng)教學(xué)方法和手段，采用虛擬仿真教學(xué)可以使學(xué)生接觸更多的信息，從而提高實(shí)習(xí)效率。當(dāng)學(xué)生沉浸在虛擬仿真技術(shù)帶來的虛擬現(xiàn)場和虛擬環(huán)境中，可以身臨其境般地感受測量儀器的操作過程和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目運(yùn)行狀態(tài)的變化[4]。而工程測量傳統(tǒng)的理論教學(xué)很難展示實(shí)際生產(chǎn)的場景和測量過程，如導(dǎo)線測量、水下地形圖測繪、衛(wèi)星定位等，尤其是衛(wèi)星和地球空間關(guān)系僅用傳統(tǒng)的講授方法是很難讓學(xué)生理解的。但是，通過虛擬仿真平臺的三維場景重現(xiàn)，利用動畫、仿真等技術(shù)能夠真實(shí)而完美地展示各個(gè)測繪生產(chǎn)的場景和測量過程，同時(shí)還可以讓學(xué)生接觸到更多的測量新技術(shù)，極大地增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3.培養(yǎng)學(xué)生具備工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力

為了開闊學(xué)生的專業(yè)視野，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，學(xué)院將有關(guān)水利工程測量實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)內(nèi)容與農(nóng)業(yè)水利的生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合，并進(jìn)行了適當(dāng)擴(kuò)展，將無人GPS測量船進(jìn)行水下地形圖測繪、RTK儀器數(shù)字地形圖測繪和施工放樣的測量等實(shí)習(xí)內(nèi)容轉(zhuǎn)化成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在虛擬環(huán)境中使用鼠標(biāo)/鍵盤控制測量儀器的操作，這種“實(shí)戰(zhàn)型項(xiàng)目”的練習(xí)，既可以增強(qiáng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，又可以提高創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。

二、農(nóng)業(yè)水工程測量實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題

我國水利工程專業(yè)在開展工程測量實(shí)踐教學(xué)過程中普遍存在著實(shí)驗(yàn)條件缺乏、學(xué)生實(shí)習(xí)訓(xùn)練不足等問題[4]。加之農(nóng)業(yè)水工程測量實(shí)訓(xùn)常受施工環(huán)境、實(shí)驗(yàn)成本、安全因素的制約，致使有些實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目如水下地形測量等無法開展，影響了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。

以西北農(nóng)林科技大學(xué)為例，學(xué)校測量測繪實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心承擔(dān)著全校17個(gè)本科專業(yè)的12門課程的實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)教學(xué)任務(wù)，一直延用傳統(tǒng)的教學(xué)方法，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容陳舊，缺乏工程實(shí)例，其實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容已不能滿足實(shí)際工程項(xiàng)目的需要；同時(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)較少；加之測量儀器內(nèi)部構(gòu)造抽象，操作流程繁瑣且易出錯(cuò)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率和質(zhì)量較低。尤其是暑期實(shí)習(xí)期間汛情多發(fā)，水下地形測量存在潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)，學(xué)生很難對實(shí)際測繪過程有系統(tǒng)的認(rèn)識。

在這種傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式下，學(xué)生動手能力以及主動學(xué)習(xí)意識不強(qiáng)，缺乏分析問題和解決問題的能力，無法達(dá)到創(chuàng)新人才培養(yǎng)的要求。

三、農(nóng)業(yè)水工程測量虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺建設(shè)的措施

針對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的不足，西北農(nóng)林科技大學(xué)測量測繪實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心于2018年2月基于3D仿真、VR、AR等技術(shù)研發(fā)了實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，并建設(shè)了農(nóng)業(yè)水工程測量虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺。

(一)農(nóng)業(yè)水工程測量虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容體系構(gòu)建

學(xué)院基于農(nóng)業(yè)水工程測量虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺，建設(shè)了測量儀器結(jié)構(gòu)與功能、地形圖測繪、水下地形測量和GNSS測量原理及應(yīng)用4個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊。農(nóng)業(yè)水工程測量虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺教學(xué)模塊，涵蓋了農(nóng)業(yè)水利工程測量綜合實(shí)習(xí)的核心內(nèi)容，形成了“統(tǒng)一平臺，分項(xiàng)虛擬，虛實(shí)結(jié)合，全方位共享”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系[5]。學(xué)生通過虛擬仿真平臺可以系統(tǒng)完成工程測量實(shí)習(xí)各環(huán)節(jié)的內(nèi)容。同時(shí)教師也可以通過虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺指導(dǎo)學(xué)生參加測繪技能大賽，以提高學(xué)生的測繪技能?；谵r(nóng)業(yè)水工程測量綜合仿真實(shí)訓(xùn)平臺構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊見圖1。

圖1 農(nóng)業(yè)水工程測量虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊的內(nèi)容體系

1.測量儀器結(jié)構(gòu)與功能模塊

測量儀器結(jié)構(gòu)與功能主要是介紹傳統(tǒng)和最新測繪儀器的各個(gè)部件名稱、構(gòu)造、功能及軸線關(guān)系，包括經(jīng)緯儀、全站儀、水準(zhǔn)儀、數(shù)字水準(zhǔn)儀、三維激光掃描儀、測量機(jī)器人、無人GPS船模型、GNSS接收機(jī)。學(xué)生可以任意選擇某一測量儀器，然后將鼠標(biāo)移動到測量儀器部件上，即可顯示該部件名稱，所有測繪儀器均可通過拖動鼠標(biāo)進(jìn)行三維立體展示，同時(shí)還可以全方位展示各個(gè)軸線相互關(guān)系。測量儀器結(jié)構(gòu)與功能模塊見圖2。

圖2 測量儀器結(jié)構(gòu)與功能模塊界面

2.地形圖測量模塊

地形圖測量主要是在實(shí)際測繪生產(chǎn)過程中，采用傳統(tǒng)測量儀器(全站儀、水準(zhǔn)儀)對一目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行數(shù)字地形圖測繪。如先采用全站儀進(jìn)行平面控制測量，包括角度測量和邊長測量兩部分；其次用水準(zhǔn)儀進(jìn)行高程控制測量；最后，對特征點(diǎn)進(jìn)行碎部測量，并對測量結(jié)果進(jìn)行地形圖繪制。地形圖測量模塊見圖3。

圖3 地形圖測量模塊界面

3.水下地形測量

水下地形測量主要是指水下地形圖測繪的過程，包括河道地形測量和縱橫斷面測量。首先，采用安裝有GPS的無人測量船(模型)沿著預(yù)設(shè)航線軌道以一定的采樣間隔進(jìn)行平面位置和水深測量；其次，對測量結(jié)果進(jìn)行平滑擬合，繪制出等深線，即可得到河道的地形圖及縱橫斷面圖。水下地形測量模塊見圖4。

圖4 水下地形測量模塊界面

4.GNSS測量原理及應(yīng)用模塊

GNSS測量原理及應(yīng)用主要是指GNSS測量的基本原理和應(yīng)用的過程，主要包括GNSS介紹、GNSS數(shù)據(jù)處理、RTK基準(zhǔn)站架設(shè)、碎部測量和施工放樣。首先，在虛擬三維空間展示了全球4大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，包括美國的GPS、我國的北斗、俄羅斯的GLONSS和歐盟的伽利略；其次，以HGO軟件為例，介紹了GNSS布設(shè)原則和數(shù)據(jù)處理的詳細(xì)過程；再次，以中海達(dá)iRTK2儀器為例，展示了RTK基準(zhǔn)站架設(shè)方法和過程；最后，分別以某一山區(qū)地形圖測繪和道路施工放樣為例，進(jìn)行碎部測量和施工放樣。GNSS測量原理及應(yīng)用模塊見圖5。

圖5 GNSS測量原理及應(yīng)用模塊界面

學(xué)生在對4個(gè)模塊進(jìn)行學(xué)習(xí)時(shí)，系統(tǒng)界面會有明確的操作指示和幫助，從而保證學(xué)生能正確完成每一板塊內(nèi)容的學(xué)習(xí)和實(shí)踐操作。若操作不當(dāng)，將無法進(jìn)行下一步的學(xué)習(xí)和操作，系統(tǒng)會自動提示相應(yīng)信息。這些教學(xué)模塊從專業(yè)基礎(chǔ)、技術(shù)、創(chuàng)新3個(gè)方面為農(nóng)業(yè)水利工程和水文與水資源工程等本科專業(yè)工程測繪類課程提供了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)條件和環(huán)境。

(二)通過“產(chǎn)、學(xué)、研”提升虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺的建設(shè)水平

為了提高農(nóng)業(yè)水工程測量虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺的建設(shè)水平，西北農(nóng)林科技大學(xué)測量測繪實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心本著“優(yōu)勢互補(bǔ)、資源共享”的原則，與軟件開發(fā)單位合作，校企共建虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺。一方面，企業(yè)參與實(shí)踐教學(xué)計(jì)劃的制訂，為平臺建設(shè)提供各類技術(shù)資料、軟件，參與虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺的研發(fā)工作、軟件維護(hù)和升級管理工作，服務(wù)于學(xué)校的人才培養(yǎng)；另一方面，虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺可以為企業(yè)的人才培訓(xùn)提供支持[8]。通過人才培養(yǎng)這個(gè)紐帶，學(xué)校和企業(yè)整合各自優(yōu)勢，結(jié)成戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，從而為虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺的可持續(xù)發(fā)展提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐。

(三)建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控

為了保證虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)的教學(xué)效果，避免單一評價(jià)導(dǎo)致結(jié)果的片面性和不科學(xué)性，學(xué)院針對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目構(gòu)建了全周期的評價(jià)體系，形成了“實(shí)驗(yàn)前預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)效果”的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)前預(yù)習(xí)系統(tǒng)，可以了解測量儀器內(nèi)部構(gòu)造和原理，學(xué)習(xí)有關(guān)測量實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；教師通過虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺可以實(shí)時(shí)查看學(xué)生的預(yù)習(xí)情況，并根據(jù)預(yù)習(xí)的完成度和作業(yè)的情況給出這個(gè)環(huán)節(jié)的考核成績，此成績占虛擬仿真實(shí)驗(yàn)成績的30%。實(shí)驗(yàn)過程的評價(jià)可以說是教師對學(xué)生整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程的指導(dǎo)和糾錯(cuò)過程。由于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具備可控制性、可中斷性，所以在實(shí)驗(yàn)過程中，系統(tǒng)會及時(shí)提醒和警示學(xué)生錯(cuò)誤的操作，并中斷錯(cuò)誤實(shí)驗(yàn)，避免了學(xué)生在對儀器操作不熟練的情況下產(chǎn)生的設(shè)備損壞。同時(shí)教師可根據(jù)記錄的錯(cuò)誤信息，幫助學(xué)生查找問題，發(fā)現(xiàn)問題、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)、教師根據(jù)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中展現(xiàn)出的分析問題，解決問題的能力，給予這個(gè)環(huán)節(jié)的考核成績，此成績占虛擬仿真實(shí)驗(yàn)成績的40%。教師通過對實(shí)驗(yàn)效果的評價(jià)可以了解到學(xué)生的學(xué)習(xí)情況并給予這個(gè)環(huán)節(jié)的考核成績，此成績占虛擬仿真實(shí)驗(yàn)成績的30%。通過這3個(gè)環(huán)節(jié)的評價(jià)，可以實(shí)現(xiàn)對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的全周期評價(jià)，從而加強(qiáng)了對實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的監(jiān)控。

四、農(nóng)業(yè)水工程測量虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺建設(shè)的成效

(一)豐富了實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容

在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺的建設(shè)中，從事測量實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教師要根據(jù)測量實(shí)驗(yàn)的實(shí)際需要，不斷完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，研發(fā)了各種適合學(xué)生獨(dú)立學(xué)習(xí)的工程測量虛擬實(shí)驗(yàn)，不僅豐富了教學(xué)內(nèi)容，而且培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的意識。目前，教學(xué)團(tuán)隊(duì)正在計(jì)劃將最新的“無人機(jī)傾斜攝影測量”技術(shù)并入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

(二)激發(fā)了學(xué)生開展測量實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)的興趣

在實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)過程中如何引導(dǎo)學(xué)生真正成為學(xué)習(xí)的主體，是教師應(yīng)該關(guān)注的問題，學(xué)生只有把被動學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)，才能達(dá)到良好的學(xué)習(xí)效果。由于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有較強(qiáng)的趣味性和互動性，學(xué)生通過平臺可實(shí)現(xiàn)對“測量儀器”交互式的3D仿真操作，極大地激發(fā)了學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)的興趣。同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)平臺界面美觀、操作簡單、易于學(xué)習(xí)，有利于學(xué)生開展自主學(xué)習(xí)。2020年西北農(nóng)林科技大學(xué)測量技能競賽的參賽學(xué)生人數(shù)由往年的120人增加到了295人，除了有農(nóng)業(yè)水利工程和水文與水資源工程專業(yè)的學(xué)生參賽外，園林、風(fēng)景園林、水利水電工程、土木工程、地理信息科學(xué)、資源環(huán)境科學(xué)、環(huán)境工程、水土保持與荒漠化防治、人文地理與城鄉(xiāng)規(guī)劃、土地資源管理、能源與動力工程等11個(gè)專業(yè)的學(xué)生也積極報(bào)名參賽。

(三)實(shí)現(xiàn)了教學(xué)資源的共享

農(nóng)業(yè)水工程測量虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺現(xiàn)已成為西北農(nóng)林科技大學(xué)多學(xué)科、多專業(yè)的共享平臺，除了農(nóng)業(yè)水利工程和水文與水資源工程專業(yè)，學(xué)校其他開設(shè)測量類課程的專業(yè)也可以共享這個(gè)平臺的實(shí)驗(yàn)資源。目前全校6個(gè)學(xué)院的17個(gè)本科專業(yè)1 500余名學(xué)生都能夠享受到虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺提供的教學(xué)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了全校測量基礎(chǔ)課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)教學(xué)的全覆蓋。

農(nóng)業(yè)水工程測量虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺補(bǔ)充和完善了實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，不僅提升了農(nóng)業(yè)水利工程及水文與水資源工程測量實(shí)驗(yàn)教學(xué)的整體水平，也為創(chuàng)新人才的培養(yǎng)開辟了一條特色之路[7]。