水準(zhǔn)測量虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

郭茜航 羅小龍

摘要：《測量學(xué)》是一門理論與實踐并重的課程，針對《測量學(xué)》傳統(tǒng)實驗教學(xué)方式中存在戶外實驗受時空限制、測繪儀器不夠先進(jìn)、學(xué)生考核方式不合理等問題，以水準(zhǔn)測量實驗教學(xué)為例，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)與三維建模技術(shù)，構(gòu)建了交互式水準(zhǔn)測量虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)，闡述了系統(tǒng)的設(shè)計思路及技術(shù)實現(xiàn)方案。該系統(tǒng)通過3d Max與SketchUp軟件分別對測量儀器和測量場景進(jìn)行三維建模，并基于Unity平臺完成虛擬測量場景的集成，利用C#語言進(jìn)行系統(tǒng)交互開發(fā)，實現(xiàn)了儀器結(jié)構(gòu)認(rèn)知、水準(zhǔn)測量原理及方法、水準(zhǔn)測量演示、水準(zhǔn)測量實訓(xùn)、教學(xué)反饋等一系列關(guān)鍵功能。此系統(tǒng)可為測繪學(xué)科本科教學(xué)改革提供新思路。

關(guān)鍵詞：測量學(xué);虛擬仿真;水準(zhǔn)測量;Unity;實驗教學(xué)

Abstract：Surveying is a course that emphasizes both theory and practice. In view of the problems existing in the traditional experimental teaching method of surveying， such as the limitation of outdoor experiment by time and space， the lack of advanced surveying and mapping instruments， and the unreasonable assessment method of students， an interactive virtual simulation experimental teaching system for leveling is constructed by using virtual reality technology and three-dimensional modeling technology， The design idea and technical implementation scheme of the system are described. In this system， 3d Max and SketchUp software are used to model the measuring instrument and measuring scene respectively， and the integration of virtual measuring scene is completed based on unity platform. C # language is used to develop the system interactively. A series of key functions such as instrument structure cognition， leveling principle and method， water level measurement demonstration， leveling training and teaching feedback are realized. This system can provide new ideas for undergraduate teaching reform of Surveying and mapping.

Key words： surveying; virtual simulation; leveling; unity; experimental teaching

《測量學(xué)》課程是土木工程、測繪工程、土地管理、GIS等專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課[1]，其教學(xué)過程涉及多個實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，幫助學(xué)生鞏固和加深對理論知識的理解，進(jìn)而提高學(xué)生使用測量設(shè)備和獲取地理空間數(shù)據(jù)的技能。然而傳統(tǒng)測量學(xué)實驗環(huán)節(jié)中存在一些局限性，例如，在惡劣天氣狀況下戶外測量實驗課程易被取消或推遲，擾亂教學(xué)計劃;測量實驗課時較少，學(xué)生在課下不能隨時隨地進(jìn)行重復(fù)測量作業(yè)練習(xí);測量實踐課程以多人成組分工協(xié)作的形式，教師很難準(zhǔn)確地評估每個學(xué)生的表現(xiàn);另外一個重要局限性，測量實驗課程場地通常局限在大學(xué)校園，由于受到交通成本以及安全問題的限制，造成測量實驗課程很難在校外的不同場景下進(jìn)行。而虛擬現(xiàn)實技術(shù)在實驗教學(xué)中的應(yīng)用將為打破傳統(tǒng)測量學(xué)實驗教學(xué)方式局限性的束縛提供了一個新思路。

目前，國內(nèi)許多高校圍繞臨床醫(yī)學(xué)[2]、地質(zhì)工程[3]、生物工程[4]、土木工程[5]等不同專業(yè)進(jìn)行了虛擬仿真實驗教學(xué)的探索和實踐。對于將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用在測繪類專業(yè)實驗教學(xué)中，通過營造身臨其境的虛擬測繪實訓(xùn)環(huán)境，全面模擬測量儀器操作，學(xué)生可獲得直觀的實踐感受，提高學(xué)生的實踐操作能力，進(jìn)而提高測繪類專業(yè)實驗教學(xué)水平。范沖等提出基于Quest3D的虛擬測繪實驗室的解決方案[6];章迪等提出了武漢大學(xué)測繪地理信息虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)思路和具體內(nèi)容[7];Bolkas等建議測量工程專業(yè)使用沉浸式或交互式虛擬現(xiàn)實技術(shù)來彌補(bǔ)現(xiàn)實中戶外測量實驗教學(xué)的不足[8]。對于GNSS測量[9]、攝影測量[10]、全站儀[11]等方面虛擬仿真教學(xué)研究也取得重大突破，然而具體針對水準(zhǔn)儀及水準(zhǔn)測量的虛擬仿真實驗教學(xué)研究較為匱乏。為豐富水準(zhǔn)儀及水準(zhǔn)測量虛擬仿真教學(xué)相關(guān)方面的研究，本文將以水準(zhǔn)測量為例，建立一個交互式虛擬現(xiàn)實中的水準(zhǔn)測量實驗教學(xué)系統(tǒng)。

1系統(tǒng)設(shè)計

1.1系統(tǒng)功能設(shè)計

此系統(tǒng)的設(shè)計堅持以理論與實踐相結(jié)合為原則，充分考慮水準(zhǔn)測量實驗教學(xué)需求，讓學(xué)生直觀認(rèn)識水準(zhǔn)儀結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)對水準(zhǔn)測量理論知識理解，熟悉水準(zhǔn)測量方法及作業(yè)流程，可在多場景下重復(fù)測量作業(yè);促進(jìn)理論教學(xué)向?qū)嶒灲虒W(xué)的過渡，豐富實驗教學(xué)方式與考核方式，提高教學(xué)質(zhì)量。基于這些需求，將系統(tǒng)設(shè)計為儀器結(jié)構(gòu)認(rèn)知、水準(zhǔn)測量原理及方法、水準(zhǔn)測量演示、水準(zhǔn)測量實訓(xùn)、教學(xué)反饋等五個教學(xué)子模塊，系統(tǒng)的功能模塊如圖1所示。