虛擬仿真軟件在測(cè)量專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

毋利娜

（1.晉城職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 晉城 048026）

虛擬仿真技術(shù)，又稱虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[1]，涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)交互技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能等[2]。虛擬仿真技術(shù)因其沉浸性、交互性、虛幻性、逼真性等特點(diǎn)[3]，已被應(yīng)用于多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域，并在一些專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中發(fā)揮了極大作用。測(cè)量專業(yè)是一門理論與實(shí)踐緊密結(jié)合的專業(yè)，實(shí)踐性較強(qiáng)[4]，對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)具有很高的標(biāo)準(zhǔn)和要求[5-6]。在教學(xué)過程中，除保證學(xué)生掌握基礎(chǔ)理論知識(shí)外，更需注重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐操作能力。在理論教學(xué)過程中，教師基本通過教材和相應(yīng)的儀器操作進(jìn)行講解[2,7]，而在教室后方的學(xué)生可能看不清儀器的構(gòu)造和操作，因此不能達(dá)到很好的教學(xué)效果；在實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)，連續(xù)雨天、設(shè)備和場(chǎng)地的限制將影響實(shí)習(xí)的進(jìn)度和效果，而引入虛擬仿真軟件可在一定程度上解決測(cè)量實(shí)習(xí)的難題。測(cè)繪虛擬仿真軟件可保證每個(gè)學(xué)生都能清晰地觀察到儀器的架設(shè)過程，并可親自在計(jì)算機(jī)上對(duì)測(cè)量?jī)x器進(jìn)行模擬操作，同時(shí)方便教師考察學(xué)生的學(xué)習(xí)程度。同時(shí)，虛擬仿真軟件還有助于教學(xué)改革，在不具備線下實(shí)踐教學(xué)的情況下，可進(jìn)行線上實(shí)踐模擬儀器操作，更好地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和組織能力[8]。

1 測(cè)量實(shí)踐教學(xué)存在的問題

1）現(xiàn)場(chǎng)條件受限。通常測(cè)量學(xué)課內(nèi)實(shí)習(xí)以校園內(nèi)部為實(shí)習(xí)場(chǎng)地，而校園面積有限[9]，以晉城職業(yè)技術(shù)學(xué)院為例，道路多為單車道、寬度不夠，測(cè)量實(shí)習(xí)時(shí)架設(shè)三腳架將占用部分道路；同時(shí)行車較多，存在安全隱患，對(duì)測(cè)量實(shí)踐教學(xué)有一定的影響。

2）實(shí)踐測(cè)量考核方式存在缺陷。由于工程測(cè)量的專業(yè)特點(diǎn)，實(shí)習(xí)時(shí)由測(cè)量員、記錄員、扶桿員等組成一個(gè)小組，共同完成測(cè)量實(shí)習(xí)作業(yè)，因此提交的作業(yè)是小組的整體成果，無法評(píng)判每個(gè)學(xué)生的成績(jī)，體現(xiàn)不出差異性，考核成績(jī)不全面[9-10]。

3）學(xué)生管理存在難度。在測(cè)量實(shí)踐中，數(shù)字測(cè)圖需在面積較大的范圍內(nèi)進(jìn)行，學(xué)生分散在學(xué)校的不同地方，在只有一個(gè)測(cè)量教師的情形下，很難及時(shí)考察到每個(gè)小組的測(cè)量情況，管理存在難度。

4）實(shí)習(xí)時(shí)間有限。在工程測(cè)量基礎(chǔ)課傳統(tǒng)教學(xué)中，采用先理論后實(shí)踐的模式，高職大專學(xué)生可能對(duì)理論知識(shí)抽象化的理解存在一定的難度，教學(xué)效率較低。同時(shí)，在一個(gè)學(xué)期中，若理論課課時(shí)過多，將會(huì)壓縮實(shí)習(xí)時(shí)間，學(xué)生無法在有限的時(shí)間里最大限度地掌握操作儀器的程序和測(cè)量觀測(cè)的程序，接受測(cè)量知識(shí)的效率也較低。

2 數(shù)字測(cè)圖虛擬仿真軟件在測(cè)量教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 虛擬仿真軟件

目前由南方測(cè)繪公司研發(fā)的虛擬仿真軟件采用3ds Max技術(shù)，模擬的儀器類型包括水準(zhǔn)儀、全站儀、GPS等，可在三維狀態(tài)下對(duì)儀器進(jìn)行相應(yīng)操作，并可利用模擬儀器完成測(cè)量流程任務(wù)[11-12]。應(yīng)用系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)硬件、軟件組成，在模擬三維場(chǎng)景中可對(duì)模擬水準(zhǔn)儀進(jìn)行整平、調(diào)焦，讀取水準(zhǔn)尺刻度；可對(duì)全站儀進(jìn)行安置、對(duì)中、圓氣泡粗略整平、長(zhǎng)水準(zhǔn)管精確整平、目鏡與物鏡調(diào)焦；可對(duì)GPS基準(zhǔn)站與移動(dòng)站進(jìn)行設(shè)置，在固定解狀態(tài)下進(jìn)行GPS動(dòng)態(tài)測(cè)量，與現(xiàn)實(shí)測(cè)量?jī)x器中的操作幾乎一樣。虛擬仿真軟件的模塊構(gòu)成如圖1所示。

圖1 虛擬仿真軟件的模塊構(gòu)成

2.1.1 儀器設(shè)置

訓(xùn)練營(yíng)模塊主要是對(duì)儀器架設(shè)過程的還原，目的是使學(xué)生了解和掌握測(cè)量?jī)x器的操作步驟。訓(xùn)練營(yíng)模塊包括架設(shè)基準(zhǔn)站、架設(shè)移動(dòng)站、求解不同坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換參數(shù)、架設(shè)全站儀、校正向?qū)?、?dǎo)入導(dǎo)出GPS和全站儀數(shù)據(jù)等功能，可幫助學(xué)生提前熟悉所用儀器，并對(duì)相應(yīng)儀器進(jìn)行操作，為后續(xù)實(shí)習(xí)操作提供基礎(chǔ)，節(jié)省時(shí)間。GPS設(shè)置參數(shù)界面如圖2所示，全站儀設(shè)置界面如圖3所示。

圖2 GPS參數(shù)設(shè)置界面

圖3 全站儀設(shè)置界面

2.1.2 測(cè)量項(xiàng)目觀測(cè)

練習(xí)模塊負(fù)責(zé)測(cè)量項(xiàng)目的正常觀測(cè)，包括水準(zhǔn)測(cè)量、導(dǎo)線測(cè)量和數(shù)字測(cè)圖。水準(zhǔn)測(cè)量可按國家三、四等水準(zhǔn)要求進(jìn)行觀測(cè)，導(dǎo)線測(cè)量可按國家二等導(dǎo)線進(jìn)行觀測(cè)，數(shù)字測(cè)圖中可結(jié)合全站儀和GPS進(jìn)行測(cè)量。虛擬仿真軟件一一對(duì)應(yīng)了測(cè)量教材中的相關(guān)內(nèi)容，可使學(xué)生很好地掌握基礎(chǔ)測(cè)量的觀測(cè)程序，為后續(xù)室外實(shí)習(xí)做好準(zhǔn)備。

本文以虛擬仿真軟件中的數(shù)字測(cè)圖為例進(jìn)行介紹，測(cè)圖中采用的測(cè)量?jī)x器包括全站儀、GPS等。首先通過手簿對(duì)基準(zhǔn)站和移動(dòng)站進(jìn)行藍(lán)牙鏈接，再通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的形式進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置，使手簿由單點(diǎn)解變成固定解，設(shè)置成功。在利用全站儀測(cè)量時(shí)，全站儀架設(shè)在測(cè)站上，進(jìn)行對(duì)中整平、調(diào)焦等操作，望遠(yuǎn)鏡照準(zhǔn)后視點(diǎn)，建站調(diào)入已知點(diǎn)坐標(biāo)，做好準(zhǔn)備工作。設(shè)置完成相關(guān)儀器后，即可進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)圖工作。

2.2 數(shù)字測(cè)圖過程

根據(jù)數(shù)字測(cè)圖所需的相關(guān)知識(shí)以及虛擬仿真軟件中的相關(guān)場(chǎng)景，在虛擬仿真軟件的練習(xí)模塊中進(jìn)行相關(guān)測(cè)量（圖4），以達(dá)到使學(xué)生掌握相關(guān)測(cè)量?jī)x器使用方法和了解數(shù)字測(cè)圖過程的目的。虛擬場(chǎng)景數(shù)字測(cè)圖訓(xùn)練成果如圖5所示。

圖4 虛擬場(chǎng)地

圖5 虛擬場(chǎng)景數(shù)字測(cè)圖訓(xùn)練成果

數(shù)字測(cè)圖的具體流程為：

1）架設(shè)基準(zhǔn)站、移動(dòng)站，利用手簿對(duì)基準(zhǔn)站、移動(dòng)站進(jìn)行藍(lán)牙鏈接并設(shè)置參數(shù)。

2）新建工程，在至少3個(gè)已知控制點(diǎn)上進(jìn)行控制點(diǎn)測(cè)量，求取轉(zhuǎn)換參數(shù)并應(yīng)用。

3）測(cè)量房屋特征點(diǎn)，若采用GPS進(jìn)行測(cè)量，由于GPS的相位中心與房屋特征點(diǎn)不能重合，導(dǎo)致數(shù)據(jù)誤差較大，因此可采用全站儀進(jìn)行測(cè)量。在全站儀測(cè)量前，需在房屋周邊進(jìn)行勘察并布設(shè)碎步控制點(diǎn)；再利用移動(dòng)站在布設(shè)點(diǎn)上進(jìn)行測(cè)量，得到已知點(diǎn)坐標(biāo)；最后導(dǎo)出GPS移動(dòng)站控制點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

4）在房屋周圍控制點(diǎn)上架設(shè)全站儀，對(duì)中整平儀器，導(dǎo)入控制點(diǎn)坐標(biāo)、建站，對(duì)準(zhǔn)后視點(diǎn)，采用無棱鏡合作模式進(jìn)行房屋特征點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集，最后導(dǎo)出全站儀房屋測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)。

5）對(duì)于測(cè)圖區(qū)域其他地形地物，可采用GPS移動(dòng)站進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，再導(dǎo)出碎步點(diǎn)數(shù)據(jù)。

6）在South Map或南方CASS軟件中，對(duì)控制點(diǎn)數(shù)據(jù)和地形地物數(shù)據(jù)進(jìn)行展點(diǎn)，對(duì)地形圖進(jìn)行編輯，完成基本成果，如圖5所示。

通過虛擬仿真軟件的相應(yīng)測(cè)量，得到測(cè)圖過程中的部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示，其中K為控制點(diǎn)，Z為GPS儀器坐標(biāo)轉(zhuǎn)換前的觀測(cè)數(shù)據(jù)，J為GPS儀器坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后在已知點(diǎn)上的檢測(cè)數(shù)據(jù)，P為GPS儀器在其他地物點(diǎn)的數(shù)據(jù)，Q為全站儀測(cè)得的房角點(diǎn)，可以看出，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后1、2、3號(hào)點(diǎn)上原始已知點(diǎn)數(shù)據(jù)與檢測(cè)數(shù)據(jù)的誤差不大（表2），即J-K，滿足正常測(cè)量需求。由數(shù)字測(cè)圖和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在虛擬仿真軟件中也可完成相應(yīng)的測(cè)量實(shí)習(xí)項(xiàng)目，使學(xué)生掌握測(cè)量項(xiàng)目的前后程序，還可節(jié)省室外實(shí)習(xí)時(shí)學(xué)生從一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)走到另一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的時(shí)間。

表1 數(shù)字測(cè)圖數(shù)據(jù)/m

表2 點(diǎn)位檢測(cè)誤差/mm

通過虛擬仿真教學(xué)，可在軟件操作過程中將課本理論知識(shí)與現(xiàn)場(chǎng)儀器操作緊密聯(lián)系起來，很好地展示儀器的構(gòu)成，如全站儀的基座、度盤、望遠(yuǎn)鏡、腳螺旋等，讓學(xué)生有一個(gè)形象的認(rèn)識(shí)；可演示儀器的操作過程，如三腳架的架起，全站儀的對(duì)中、粗平、精平，使學(xué)生置身于實(shí)際測(cè)量的操作環(huán)境，與虛擬環(huán)境進(jìn)行互動(dòng)；在具體測(cè)量項(xiàng)目中，可提高學(xué)生的思維能力、動(dòng)手能力和組織能力。虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于測(cè)量專業(yè)教學(xué)，對(duì)加強(qiáng)測(cè)量學(xué)課程改革、教學(xué)方法的變化和培養(yǎng)測(cè)量技術(shù)人才具有極大意義[13]。虛擬仿真軟件的利用極大地節(jié)省了學(xué)生的實(shí)習(xí)時(shí)間和提高了學(xué)生的實(shí)踐操作效率，使學(xué)生有了整體認(rèn)識(shí)。

3 虛擬仿真軟件在測(cè)量教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

1）在傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器實(shí)習(xí)中，需以4～5人為一個(gè)小組共同合作才能完成一條水準(zhǔn)路線或?qū)Ь€的觀測(cè)，這樣雖可增加學(xué)生的團(tuán)體意識(shí)，但其弊端是成果體現(xiàn)的是小組整體成績(jī)，無法準(zhǔn)確判斷個(gè)人實(shí)習(xí)的效果；而在測(cè)量虛擬仿真軟件中，完全可由個(gè)人單獨(dú)完成一個(gè)測(cè)量項(xiàng)目，充分發(fā)揮個(gè)人潛能，且根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)可對(duì)每個(gè)學(xué)生進(jìn)行考核，得到的成績(jī)更加公平公正。

2）在測(cè)量專業(yè)教學(xué)中引入虛擬仿真軟件，在課堂教授理論知識(shí)的同時(shí)運(yùn)用虛擬仿真軟件模擬，可加深學(xué)生對(duì)儀器操作和外業(yè)作業(yè)流程的認(rèn)識(shí)和理解[9]，使抽象的概念具體化，避免了學(xué)生的抽象性理解，增加了學(xué)生對(duì)課堂知識(shí)的感性認(rèn)知，提高了教學(xué)質(zhì)量[14]。

3）在傳統(tǒng)測(cè)量實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，若遇到連續(xù)下雨天氣，則無法進(jìn)行室外測(cè)量作業(yè)；而利用虛擬仿真軟件練習(xí)學(xué)習(xí)，則無需考慮天氣變化。

4）虛擬仿真軟件可模擬一個(gè)測(cè)量項(xiàng)目的全過程，從新建項(xiàng)目開始到模擬環(huán)境中的實(shí)地勘察，再到點(diǎn)、角度、距離的測(cè)量以及數(shù)據(jù)處理，這樣完整的測(cè)量環(huán)節(jié)，可鍛煉學(xué)生的設(shè)計(jì)能力和組織能力。

4 結(jié)語

虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)過程中以現(xiàn)實(shí)環(huán)境為基礎(chǔ)，使教學(xué)方式更加靈活，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生掌握相應(yīng)理論知識(shí)后，可在虛擬仿真軟件中進(jìn)行反復(fù)練習(xí)，加深對(duì)理論知識(shí)的理解，然后在室外進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)際操作，可達(dá)到更好的教學(xué)效果。虛擬仿真技術(shù)改變了傳統(tǒng)教學(xué)模式，在學(xué)生學(xué)習(xí)過程中以交互的方式進(jìn)行測(cè)量觀測(cè)操作，提高了學(xué)生的整體認(rèn)知水平。虛擬仿真教學(xué)離不開實(shí)操，無論仿真系統(tǒng)多么逼真，永遠(yuǎn)無法取代實(shí)操。在以后的教學(xué)中需要采用理論知識(shí)、仿真軟件練習(xí)、室外操作相結(jié)合的方式教學(xué)，以提高教學(xué)質(zhì)量。