農業水工程測量虛擬仿真實訓平臺的建設

余衛華 張 鑫 姚一飛

(西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西楊凌 712100)

一、虛擬仿真實訓平臺建設的意義及必要性

(一)虛擬仿真實訓平臺建設的意義

農業水工程測量虛擬仿真實訓是實踐教學的重要環節，是培養學生創新精神和實踐能力的主要途徑，其實訓效果直接影響著高校的教學質量和服務社會的水平。

為了更好地開展農業水工程測量實訓項目，應加快農業水工程測量虛擬仿真實訓平臺的建設，將虛擬現實技術、三維建模與仿真技術融入實踐教學。虛擬仿真技術是虛擬現實技術與計算機仿真技術相結合的產物，即在計算機創建的三維動態、實時可視的虛擬環境中，采用一定的數學模型，通過輸入各種參數對事物的運行機理進行仿真，達到合理控制事物運行的目的。高校通過虛擬現實技術構建工程測量虛擬仿真模塊，并借助數據庫、網絡通訊技術、人機交互手段完成實踐教學過程[1-2]。綜合仿真實訓平臺的“虛實結合、能實不虛、虛實互補”的特征，可以為實驗教學方法的創新創造有利條件，它不僅改變了實踐教學模式、激發了學生的學習興趣，而且可以培養學生的創新意識與創新能力[3-7]。

基于此，西北農林科技大學依托“陜西省測量測繪實驗教學示范中心”及校園數字平臺，優化和補充了工程測量實驗實習教學資源，組建了農業水工程測量綜合仿真實訓教學平臺，面向本校農業水利工程和水文與水資源工程專業本科學生開放，使工程測量實驗實習取得了良好的效果[8]。

(二)虛擬仿真實訓平臺建設的必要性

1.提升實踐教學的質量

虛擬仿真實驗具有著傳統實驗教學無法替代的作用，它不僅是傳統實驗的有益補充，還是信息技術與農業水利行業現代化相結合的產物。通過虛擬仿真實驗可以幫助學生在課前預習測量儀器的使用方法，在課后復習和鞏固工程測量各階段的操作步驟，還可以進行傳統實驗教學不可能完成的一些高危、不可見及現實條件不具備的實驗項目。

與水利相關的測量實習均安排在暑期，如水下地形圖測繪、大壩施工測量等。在暑期實習期間，河道和水庫易發生洪澇、滑坡等地質災害，因此測量實習受天氣、環境影響較大，同時也存在著較高的安全風險。而通過虛擬仿真平臺開展實訓項目，學生可以對安全風險高、不易操作的實習內容有系統直觀的認識和掌握，所以虛擬仿真實驗作為測量實習的有益補充，大大提升了實踐教學質量。

2.創新教學方法

相對于傳統教學方法和手段，采用虛擬仿真教學可以使學生接觸更多的信息，從而提高實習效率。當學生沉浸在虛擬仿真技術帶來的虛擬現場和虛擬環境中，可以身臨其境般地感受測量儀器的操作過程和實驗項目運行狀態的變化[4]。而工程測量傳統的理論教學很難展示實際生產的場景和測量過程，如導線測量、水下地形圖測繪、衛星定位等，尤其是衛星和地球空間關系僅用傳統的講授方法是很難讓學生理解的。但是，通過虛擬仿真平臺的三維場景重現，利用動畫、仿真等技術能夠真實而完美地展示各個測繪生產的場景和測量過程，同時還可以讓學生接觸到更多的測量新技術，極大地增強了學生的學習興趣。

3.培養學生具備工程實踐能力和創新能力

為了開闊學生的專業視野，培養學生的創新意識和創新能力，學院將有關水利工程測量實驗實習內容與農業水利的生產實際相結合，并進行了適當擴展，將無人GPS測量船進行水下地形圖測繪、RTK儀器數字地形圖測繪和施工放樣的測量等實習內容轉化成虛擬仿真實驗，學生通過虛擬現實技術在虛擬環境中使用鼠標/鍵盤控制測量儀器的操作，這種“實戰型項目”的練習，既可以增強學生的工程實踐能力，又可以提高創新意識和創新能力。

二、農業水工程測量實驗教學存在的問題

我國水利工程專業在開展工程測量實踐教學過程中普遍存在著實驗條件缺乏、學生實習訓練不足等問題[4]。加之農業水工程測量實訓常受施工環境、實驗成本、安全因素的制約，致使有些實訓實驗項目如水下地形測量等無法開展，影響了實驗教學的效果。

以西北農林科技大學為例，學校測量測繪實驗教學示范中心承擔著全校17個本科專業的12門課程的實驗實習教學任務，一直延用傳統的教學方法，實驗教學內容陳舊，缺乏工程實例，其實驗教學內容已不能滿足實際工程項目的需要；同時實驗教學項目多為驗證性實驗，綜合性、設計性實驗較少；加之測量儀器內部構造抽象，操作流程繁瑣且易出錯，導致實驗教學效率和質量較低。尤其是暑期實習期間汛情多發，水下地形測量存在潛在的安全風險，學生很難對實際測繪過程有系統的認識。

在這種傳統實驗教學模式下，學生動手能力以及主動學習意識不強，缺乏分析問題和解決問題的能力，無法達到創新人才培養的要求。

三、農業水工程測量虛擬仿真實訓平臺建設的措施

針對傳統實驗教學存在的不足，西北農林科技大學測量測繪實驗教學示范中心于2018年2月基于3D仿真、VR、AR等技術研發了實訓系統，并建設了農業水工程測量虛擬仿真實訓平臺。

(一)農業水工程測量虛擬仿真實訓平臺實驗教學內容體系構建

學院基于農業水工程測量虛擬仿真實訓平臺，建設了測量儀器結構與功能、地形圖測繪、水下地形測量和GNSS測量原理及應用4個實驗教學模塊。農業水工程測量虛擬仿真實訓平臺教學模塊，涵蓋了農業水利工程測量綜合實習的核心內容，形成了“統一平臺，分項虛擬，虛實結合，全方位共享”的實驗教學體系[5]。學生通過虛擬仿真平臺可以系統完成工程測量實習各環節的內容。同時教師也可以通過虛擬仿真實訓平臺指導學生參加測繪技能大賽，以提高學生的測繪技能。基于農業水工程測量綜合仿真實訓平臺構建的實驗教學模塊見圖1。

圖1 農業水工程測量虛擬仿真實訓平臺實驗教學模塊的內容體系

1.測量儀器結構與功能模塊

測量儀器結構與功能主要是介紹傳統和最新測繪儀器的各個部件名稱、構造、功能及軸線關系，包括經緯儀、全站儀、水準儀、數字水準儀、三維激光掃描儀、測量機器人、無人GPS船模型、GNSS接收機。學生可以任意選擇某一測量儀器，然后將鼠標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進行三維立體展示，同時還可以全方位展示各個軸線相互關系。測量儀器結構與功能模塊見圖2。

圖2 測量儀器結構與功能模塊界面

2.地形圖測量模塊

地形圖測量主要是在實際測繪生產過程中，采用傳統測量儀器(全站儀、水準儀)對一目標區域進行數字地形圖測繪。如先采用全站儀進行平面控制測量，包括角度測量和邊長測量兩部分；其次用水準儀進行高程控制測量；最后，對特征點進行碎部測量，并對測量結果進行地形圖繪制。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)沿著預設航線軌道以一定的采樣間隔進行平面位置和水深測量；其次，對測量結果進行平滑擬合，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測量原理及應用模塊

GNSS測量原理及應用主要是指GNSS測量的基本原理和應用的過程，主要包括GNSS介紹、GNSS數據處理、RTK基準站架設、碎部測量和施工放樣。首先，在虛擬三維空間展示了全球4大衛星導航系統，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布設原則和數據處理的詳細過程；再次，以中海達iRTK2儀器為例，展示了RTK基準站架設方法和過程；最后，分別以某一山區地形圖測繪和道路施工放樣為例，進行碎部測量和施工放樣。GNSS測量原理及應用模塊見圖5。

圖5 GNSS測量原理及應用模塊界面

學生在對4個模塊進行學習時，系統界面會有明確的操作指示和幫助，從而保證學生能正確完成每一板塊內容的學習和實踐操作。若操作不當，將無法進行下一步的學習和操作，系統會自動提示相應信息。這些教學模塊從專業基礎、技術、創新3個方面為農業水利工程和水文與水資源工程等本科專業工程測繪類課程提供了虛擬仿真實驗條件和環境。

(二)通過“產、學、研”提升虛擬仿真實訓平臺的建設水平

為了提高農業水工程測量虛擬仿真實訓平臺的建設水平，西北農林科技大學測量測繪實驗教學示范中心本著“優勢互補、資源共享”的原則，與軟件開發單位合作，校企共建虛擬仿真實訓平臺。一方面，企業參與實踐教學計劃的制訂，為平臺建設提供各類技術資料、軟件，參與虛擬仿真實訓平臺的研發工作、軟件維護和升級管理工作，服務于學校的人才培養；另一方面，虛擬仿真實訓平臺可以為企業的人才培訓提供支持[8]。通過人才培養這個紐帶，學校和企業整合各自優勢，結成戰略合作伙伴關系，從而為虛擬仿真實訓平臺的可持續發展提供了強大的技術支撐。

(三)建立虛擬仿真實驗的評價標準，加強教學質量監控

為了保證虛擬仿真實驗實訓的教學效果，避免單一評價導致結果的片面性和不科學性，學院針對虛擬仿真實驗項目構建了全周期的評價體系，形成了“實驗前預習、實驗過程、實驗效果”的評價標準。學生通過實驗前預習系統，可以了解測量儀器內部構造和原理，學習有關測量實驗內容；教師通過虛擬仿真實訓平臺可以實時查看學生的預習情況，并根據預習的完成度和作業的情況給出這個環節的考核成績，此成績占虛擬仿真實驗成績的30%。實驗過程的評價可以說是教師對學生整個實驗過程的指導和糾錯過程。由于虛擬仿真實驗具備可控制性、可中斷性，所以在實驗過程中，系統會及時提醒和警示學生錯誤的操作，并中斷錯誤實驗，避免了學生在對儀器操作不熟練的情況下產生的設備損壞。同時教師可根據記錄的錯誤信息，幫助學生查找問題，發現問題、改進實驗、教師根據學生在實驗過程中展現出的分析問題，解決問題的能力，給予這個環節的考核成績，此成績占虛擬仿真實驗成績的40%。教師通過對實驗效果的評價可以了解到學生的學習情況并給予這個環節的考核成績，此成績占虛擬仿真實驗成績的30%。通過這3個環節的評價，可以實現對虛擬仿真實驗項目的全周期評價，從而加強了對實驗教學質量的監控。

四、農業水工程測量虛擬仿真實訓平臺建設的成效

(一)豐富了實踐教學內容

在虛擬仿真實驗實訓平臺的建設中，從事測量實驗教學的教師要根據測量實驗的實際需要，不斷完善實驗教學體系，研發了各種適合學生獨立學習的工程測量虛擬實驗，不僅豐富了教學內容，而且培養了學生自主學習的意識。目前，教學團隊正在計劃將最新的“無人機傾斜攝影測量”技術并入虛擬仿真實驗內容。

(二)激發了學生開展測量實驗實訓的興趣

在實驗實訓過程中如何引導學生真正成為學習的主體，是教師應該關注的問題，學生只有把被動學習變為主動學習，才能達到良好的學習效果。由于虛擬仿真實驗項目有較強的趣味性和互動性，學生通過平臺可實現對“測量儀器”交互式的3D仿真操作，極大地激發了學生開展實驗實訓的興趣。同時整個系統平臺界面美觀、操作簡單、易于學習，有利于學生開展自主學習。2020年西北農林科技大學測量技能競賽的參賽學生人數由往年的120人增加到了295人，除了有農業水利工程和水文與水資源工程專業的學生參賽外，園林、風景園林、水利水電工程、土木工程、地理信息科學、資源環境科學、環境工程、水土保持與荒漠化防治、人文地理與城鄉規劃、土地資源管理、能源與動力工程等11個專業的學生也積極報名參賽。

(三)實現了教學資源的共享

農業水工程測量虛擬仿真實訓平臺現已成為西北農林科技大學多學科、多專業的共享平臺，除了農業水利工程和水文與水資源工程專業，學校其他開設測量類課程的專業也可以共享這個平臺的實驗資源。目前全校6個學院的17個本科專業1 500余名學生都能夠享受到虛擬仿真實訓平臺提供的教學服務，實現了全校測量基礎課程虛擬仿真實驗實習教學的全覆蓋。

農業水工程測量虛擬仿真實訓平臺補充和完善了實踐教學環節，不僅提升了農業水利工程及水文與水資源工程測量實驗教學的整體水平，也為創新人才的培養開辟了一條特色之路[7]。