江心洲濕地演化及野外調(diào)查虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

于少鵬， 史傳奇， 叢東來(lái)， 郭 紅， 劉寶玲， 周 彬

（1.哈爾濱學(xué)院a.地理與旅游學(xué)院；b.黑龍江省寒區(qū)濕地生態(tài)與環(huán)境研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；c.哈爾濱濕地研究院，哈爾濱 150086；2.黑龍江省國(guó)土空間規(guī)劃研究院，哈爾濱 150090）

0 引 言

虛擬現(xiàn)實(shí)作為教學(xué)工具和技術(shù)手段，以其臨場(chǎng)性、多感受性、交互性等諸多優(yōu)勢(shì)［1］，已經(jīng)成為高等教育課程信息化建設(shè)中重要的內(nèi)容。目前，基于Unity3D、Prepar3D、Simulink 仿真軟件［2-4］等作為開(kāi)發(fā)工具，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)已涵蓋生物學(xué)［5］、旅游學(xué)［6］、天文學(xué)［7］、新聞學(xué)［8］等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，可有效地克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中高成本、高消耗、高污染等缺點(diǎn)，提高學(xué)生設(shè)計(jì)與創(chuàng)新能力，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣［9］。并可以通過(guò)線上訪問(wèn)開(kāi)展遠(yuǎn)程教學(xué)，滿足疫情期間教學(xué)需求［10］。

濕地演化過(guò)程復(fù)雜，周期漫長(zhǎng)［11］，學(xué)生很難從文字描述和圖片中理解知識(shí)要點(diǎn)，野外實(shí)踐教學(xué)受到時(shí)空、成本、師資、學(xué)時(shí)限制而不易開(kāi)展［12-13］。為順應(yīng)環(huán)境生態(tài)工程專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)，依托本校省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中濕地測(cè)繪遙感室、水質(zhì)監(jiān)測(cè)室、土壤監(jiān)測(cè)室、空氣和噪聲監(jiān)測(cè)室及濕地動(dòng)植物監(jiān)測(cè)室，以哈爾濱阿勒錦島國(guó)家濕地公園江心洲濕地為例，采用虛擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合，建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，從而解決實(shí)驗(yàn)課程中濕地演化過(guò)程不易理解、濕地野外調(diào)查不易開(kāi)展的問(wèn)題。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)目標(biāo)

基于Unity3D、MAYA和3D Studio Max等工具，建設(shè)江心洲濕地演化及野外調(diào)查虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可同時(shí)滿足自然地理學(xué)、濕地學(xué)、生態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)等課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)目標(biāo)。通過(guò)江心洲濕地景觀演變動(dòng)畫(huà)展示，使學(xué)生能夠直觀理解復(fù)雜的濕地演化過(guò)程；無(wú)人機(jī)操作模擬，使學(xué)生能夠初步掌握復(fù)合翼無(wú)人機(jī)組裝、飛前檢查、設(shè)定航線等基本操作流程及航空影像獲取方法；濕地野外生態(tài)監(jiān)測(cè)模擬操作，使學(xué)生能夠掌握濕地野外調(diào)查的基本內(nèi)容和步驟，為野外實(shí)地調(diào)查奠定基礎(chǔ)。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)內(nèi)容

建設(shè)內(nèi)容主要包括3 個(gè)部分：濕地景觀演變過(guò)程、濕地航空拍攝及野外生態(tài)監(jiān)測(cè)，附加野外監(jiān)測(cè)安全注意事項(xiàng)。濕地景觀演變過(guò)程以江心洲濕地演化過(guò)程為例，利用動(dòng)畫(huà)進(jìn)行演示；濕地航空拍攝包括無(wú)人機(jī)組裝、地面站設(shè)置、航空拍攝模擬；野外生態(tài)監(jiān)測(cè)包括水體樣品采集、土壤樣品采集、空氣及噪聲監(jiān)測(cè)和生物多樣性調(diào)查。3 部分內(nèi)容中，既包括基礎(chǔ)理論知識(shí)，也包括實(shí)踐技能，充分實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)目標(biāo)。建設(shè)的江心洲濕地演化及野外調(diào)查虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1 所示。

圖1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主界面

2.1 江心洲濕地景觀演變過(guò)程

濕地景觀形成周期漫長(zhǎng)，且空間尺度大，傳統(tǒng)教學(xué)中難以用文字和圖片進(jìn)行講解。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所選哈爾濱阿勒錦島為典型的松花江江心洲濕地，通過(guò)播放3D動(dòng)畫(huà)展示泥沙堆積、形成心灘、植被演替等江心洲濕地景觀演變過(guò)程。如圖2 所示，3D模型形象、逼真，在知識(shí)重點(diǎn)與難點(diǎn)處添加輔助線便于理解。觀看過(guò)程中，學(xué)生跟隨動(dòng)畫(huà)閱讀字幕，可以隨時(shí)暫停、回放或調(diào)節(jié)進(jìn)度，總時(shí)長(zhǎng)為165 s。配合教師講解，使抽象概念變得直觀易懂。

圖2 江心洲濕地景觀演變過(guò)程動(dòng)畫(huà)片段

2.2 濕地航空拍攝

虛擬仿真“無(wú)人機(jī)”以本校省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室購(gòu)置的電動(dòng)垂直起降復(fù)合翼航測(cè)無(wú)人機(jī)為原型建立3D 模型。教師可以在教學(xué)中利用真實(shí)的無(wú)人機(jī)和地面站（及軟件）進(jìn)行講解，演示正確的組裝順序、遙控器調(diào)試、飛前檢查及地面站軟件參數(shù)設(shè)置，學(xué)生在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中進(jìn)行模擬操作?？山鉀Q學(xué)生沒(méi)有無(wú)人機(jī)駕駛證及受航空管制的問(wèn)題。

（1）無(wú)人機(jī)組裝與調(diào)試。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中無(wú)人機(jī)組裝時(shí)，學(xué)生需按照正確的組裝順序進(jìn)行操作，順序完全正確可得滿分，錯(cuò)誤時(shí)扣分［見(jiàn)圖3（a）］。無(wú)人機(jī)為3D模型，組裝過(guò)程中可使用鼠標(biāo)操作，從不同角度放大觀察無(wú)人機(jī)部件，鼠標(biāo)指針停留在無(wú)人機(jī)部件上時(shí)，顯示該部件名稱。無(wú)人機(jī)組裝完成后，使用鼠標(biāo)或遙控器（外接）進(jìn)行起降、飛行姿態(tài)調(diào)試［見(jiàn)圖3（b）］。

（2）無(wú)人機(jī)地面站設(shè)置。如圖3（c）所示，點(diǎn)擊“控制指令”可做機(jī)務(wù)檢查、常規(guī)檢查、航電檢查等飛前檢查指令。最終確認(rèn)后，可設(shè)定無(wú)人機(jī)自動(dòng)飛行路線，預(yù)設(shè)矩形、Z形、多邊形航線，也可通過(guò)單擊鼠標(biāo)右鍵添加坐標(biāo)點(diǎn)設(shè)定任意航線。同時(shí)，需設(shè)定飛行時(shí)間。點(diǎn)擊“立即起飛”可預(yù)覽飛行。地圖可點(diǎn)擊縮放，也可向各方向移動(dòng)［見(jiàn)圖3（d）］。

（3）無(wú)人機(jī)航空拍攝模擬。利用遙控器或鍵盤(pán)操作模擬飛行［見(jiàn)圖3（e）］，可調(diào)整無(wú)人機(jī)飛行方向、高度。通過(guò)左上方小窗口預(yù)覽拍攝影像，記錄地理坐標(biāo)和飛行高度，點(diǎn)擊“相機(jī)”按鈕進(jìn)行垂直攝影，保存影像為jpg圖片格式作為實(shí)驗(yàn)報(bào)告［見(jiàn)圖3（f）］?？蓪?duì)地形地貌、水系分布、植被覆蓋等數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)分析。

圖3 濕地航空拍攝模擬

2.3 野外生態(tài)監(jiān)測(cè)

參考《國(guó)家濕地公園生態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)指南》［14］，本部分模擬教師科研項(xiàng)目中濕地野外生態(tài)監(jiān)測(cè)過(guò)程，內(nèi)容主要包括水體、土壤樣品采集，空氣及噪聲監(jiān)測(cè)，生物多樣性調(diào)查。學(xué)生可根據(jù)各實(shí)驗(yàn)步驟中所附操作說(shuō)明和實(shí)驗(yàn)方法，在教師指導(dǎo)下逐步完成，提交相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

（1）水體樣品采集。使用鍵盤(pán)控制人物行走方向（可加速），依次前往已設(shè)置好的3 個(gè)采樣點(diǎn)，根據(jù)圖4（a）中左下方文字提示，點(diǎn)擊背包中水樣采集器、水質(zhì)檢測(cè)儀、溶解氧儀等工具進(jìn)行水體樣品采集及水體溫度、pH值、溶解氧含量等常規(guī)指標(biāo)檢測(cè)。采集完成后，根據(jù)提示，在水體樣品采集記錄表［見(jiàn)圖4（b）］中填寫(xiě)相應(yīng)數(shù)據(jù)信息，保存提交作為實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

（2）土壤樣品采集。分別前往3 個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行土壤樣品采集［見(jiàn)圖4（c）］，使用背包中的土鉆進(jìn)行樣品采集，取出土壤樣品后使用分樣篩去除雜質(zhì)，稱重，裝入土壤樣品盒，提示將土壤樣品低溫保存帶回實(shí)驗(yàn)室。記錄采樣點(diǎn)處土壤溫度、取樣深度、取樣質(zhì)量等相應(yīng)數(shù)據(jù)，保存提交作為實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

（3）空氣及噪聲監(jiān)測(cè)?？諝饧霸肼暠O(jiān)測(cè)［見(jiàn)圖4（d）］同樣設(shè)置3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，依次使用背包中溫濕度計(jì)、負(fù)氧離子檢測(cè)儀、噪聲檢測(cè)儀等工具，檢測(cè)空氣溫度、濕度、負(fù)氧離子濃度等常規(guī)指標(biāo)及環(huán)境噪聲強(qiáng)度。檢測(cè)完成后，提示記錄檢測(cè)數(shù)據(jù)，保存提交作為實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

（4）生物多樣性調(diào)查。生物多樣性調(diào)查（見(jiàn)圖5），包括野生高等植物、野生高等動(dòng)物、浮游和底棲生物采集3 個(gè)環(huán)節(jié)。野生高等植物多樣性調(diào)查采用樣方法，在森林、灌叢、草本植物群落中，分別選擇背包中已設(shè)定的20 m × 20 m、5 m × 5 m和1 m × 1 m樣方。野生高等動(dòng)物多樣性調(diào)查采用樣線法，沿途記錄所見(jiàn)野生動(dòng)物，使用背包中昆蟲(chóng)網(wǎng)、漁網(wǎng)，分別在相應(yīng)位置調(diào)查昆蟲(chóng)和魚(yú)類(lèi)多樣性。浮游和底棲生物多樣性調(diào)查中，前往采集地點(diǎn)，使用背包中水樣采集器、浮游生物網(wǎng)、彼得遜底泥采集器等工具進(jìn)行相應(yīng)樣品采集，并提示如何保存帶回實(shí)驗(yàn)室。生物多樣性調(diào)查表中，如植物群落特征，物種中文名、拉丁名等信息，需在教師指導(dǎo)下填寫(xiě)，全部信息填寫(xiě)完成后，保存提交作為實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

圖5 野外生物多樣性調(diào)查虛擬仿真操作界面

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)特點(diǎn)

教師將科研成果融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容中，可以使學(xué)生接觸行業(yè)的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)，了解最新的行業(yè)需求［15］。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)是以本校省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室已完成的濕地公園、濕地自然保護(hù)區(qū)生態(tài)監(jiān)測(cè)科研項(xiàng)目成果為例，將教學(xué)與科研項(xiàng)目相融合，使本實(shí)驗(yàn)操作更具有真實(shí)感和實(shí)用性。實(shí)驗(yàn)過(guò)程操作步驟多，互動(dòng)次數(shù)增加，如無(wú)人機(jī)航空攝影可使用遙控器模擬操作，增加體驗(yàn)感和趣味性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，有效提高學(xué)生操作能力。

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用范圍廣，可適用于地理科學(xué)、地理信息科學(xué)、環(huán)境生態(tài)工程等不同專(zhuān)業(yè)的多門(mén)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在本校可同時(shí)應(yīng)用于自然地理學(xué)、濕地學(xué)、生態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)等專(zhuān)業(yè)核心課及專(zhuān)業(yè)方向課之中。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將采取線上共享方式，學(xué)生亦可遠(yuǎn)程下載安裝到本地計(jì)算機(jī)客戶端使用。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)中，人物與場(chǎng)景由師生共同設(shè)計(jì)，堅(jiān)持以學(xué)生為中心，充分發(fā)揮學(xué)生想象力與創(chuàng)新能力。同時(shí)，在生物多樣性調(diào)查虛擬仿真操作中，提示學(xué)生捕捉野生動(dòng)物后需放生，具有濕地保護(hù)宣傳教育作用，提高學(xué)生保護(hù)生態(tài)環(huán)境的意識(shí)，增強(qiáng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感。

4 結(jié) 語(yǔ)

完成江心洲濕地演化及野外調(diào)查虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目并應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，有效地解決了濕地演化過(guò)程不易理解、濕地野外調(diào)查不易開(kāi)展的問(wèn)題。將我校省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室所承擔(dān)的科研項(xiàng)目作為案例融入實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)之中，使虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有據(jù)可依，更加貼近現(xiàn)實(shí)。同時(shí)，師生共同參與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，完成教學(xué)目標(biāo)，并達(dá)到了良好的教學(xué)效果。今后，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在使用中仍會(huì)發(fā)現(xiàn)新問(wèn)題或有更好的創(chuàng)意，需在此版本基礎(chǔ)上不斷地加以改進(jìn)，以期更加完善。