江心洲濕地演化及野外調(diào)查虛擬仿真實驗平臺建設

于少鵬， 史傳奇， 叢東來， 郭 紅， 劉寶玲， 周 彬

（1.哈爾濱學院a.地理與旅游學院；b.黑龍江省寒區(qū)濕地生態(tài)與環(huán)境研究重點實驗室；c.哈爾濱濕地研究院，哈爾濱 150086；2.黑龍江省國土空間規(guī)劃研究院，哈爾濱 150090）

0 引 言

虛擬現(xiàn)實作為教學工具和技術(shù)手段，以其臨場性、多感受性、交互性等諸多優(yōu)勢［1］，已經(jīng)成為高等教育課程信息化建設中重要的內(nèi)容。目前，基于Unity3D、Prepar3D、Simulink 仿真軟件［2-4］等作為開發(fā)工具，虛擬仿真實驗平臺建設已涵蓋生物學［5］、旅游學［6］、天文學［7］、新聞學［8］等多個學科領(lǐng)域，可有效地克服傳統(tǒng)實驗教學中高成本、高消耗、高污染等缺點，提高學生設計與創(chuàng)新能力，激發(fā)學生學習興趣［9］。并可以通過線上訪問開展遠程教學，滿足疫情期間教學需求［10］。

濕地演化過程復雜，周期漫長［11］，學生很難從文字描述和圖片中理解知識要點，野外實踐教學受到時空、成本、師資、學時限制而不易開展［12-13］。為順應環(huán)境生態(tài)工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標，依托本校省級重點實驗室中濕地測繪遙感室、水質(zhì)監(jiān)測室、土壤監(jiān)測室、空氣和噪聲監(jiān)測室及濕地動植物監(jiān)測室，以哈爾濱阿勒錦島國家濕地公園江心洲濕地為例，采用虛擬仿真技術(shù)實現(xiàn)虛實結(jié)合，建設虛擬仿真實驗平臺，從而解決實驗課程中濕地演化過程不易理解、濕地野外調(diào)查不易開展的問題。

1 虛擬仿真實驗平臺建設目標

基于Unity3D、MAYA和3D Studio Max等工具，建設江心洲濕地演化及野外調(diào)查虛擬仿真實驗平臺，可同時滿足自然地理學、濕地學、生態(tài)監(jiān)測與評價等課程實驗教學要求，實現(xiàn)理論與實踐相結(jié)合的教學目標。通過江心洲濕地景觀演變動畫展示，使學生能夠直觀理解復雜的濕地演化過程；無人機操作模擬，使學生能夠初步掌握復合翼無人機組裝、飛前檢查、設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)測模擬操作，使學生能夠掌握濕地野外調(diào)查的基本內(nèi)容和步驟，為野外實地調(diào)查奠定基礎。

2 虛擬仿真實驗平臺建設內(nèi)容

建設內(nèi)容主要包括3 個部分：濕地景觀演變過程、濕地航空拍攝及野外生態(tài)監(jiān)測，附加野外監(jiān)測安全注意事項。濕地景觀演變過程以江心洲濕地演化過程為例，利用動畫進行演示；濕地航空拍攝包括無人機組裝、地面站設置、航空拍攝模擬；野外生態(tài)監(jiān)測包括水體樣品采集、土壤樣品采集、空氣及噪聲監(jiān)測和生物多樣性調(diào)查。3 部分內(nèi)容中，既包括基礎理論知識，也包括實踐技能，充分實現(xiàn)理論與實踐相結(jié)合的教學目標。建設的江心洲濕地演化及野外調(diào)查虛擬仿真實驗平臺如圖1 所示。

圖1 虛擬仿真實驗平臺主界面

2.1 江心洲濕地景觀演變過程

濕地景觀形成周期漫長，且空間尺度大，傳統(tǒng)教學中難以用文字和圖片進行講解。本實驗平臺所選哈爾濱阿勒錦島為典型的松花江江心洲濕地，通過播放3D動畫展示泥沙堆積、形成心灘、植被演替等江心洲濕地景觀演變過程。如圖2 所示，3D模型形象、逼真，在知識重點與難點處添加輔助線便于理解。觀看過程中，學生跟隨動畫閱讀字幕，可以隨時暫停、回放或調(diào)節(jié)進度，總時長為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程動畫片段

2.2 濕地航空拍攝

虛擬仿真“無人機”以本校省級重點實驗室購置的電動垂直起降復合翼航測無人機為原型建立3D 模型。教師可以在教學中利用真實的無人機和地面站（及軟件）進行講解，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)設置，學生在虛擬仿真實驗平臺中進行模擬操作。可解決學生沒有無人機駕駛證及受航空管制的問題。

（1）無人機組裝與調(diào)試。虛擬仿真實驗平臺中無人機組裝時，學生需按照正確的組裝順序進行操作，順序完全正確可得滿分，錯誤時扣分［見圖3（a）］。無人機為3D模型，組裝過程中可使用鼠標操作，從不同角度放大觀察無人機部件，鼠標指針停留在無人機部件上時，顯示該部件名稱。無人機組裝完成后，使用鼠標或遙控器（外接）進行起降、飛行姿態(tài)調(diào)試［見圖3（b）］。

（2）無人機地面站設置。如圖3（c）所示，點擊“控制指令”可做機務檢查、常規(guī)檢查、航電檢查等飛前檢查指令。最終確認后，可設定無人機自動飛行路線，預設矩形、Z形、多邊形航線，也可通過單擊鼠標右鍵添加坐標點設定任意航線。同時，需設定飛行時間。點擊“立即起飛”可預覽飛行。地圖可點擊縮放，也可向各方向移動［見圖3（d）］。

（3）無人機航空拍攝模擬。利用遙控器或鍵盤操作模擬飛行［見圖3（e）］，可調(diào)整無人機飛行方向、高度。通過左上方小窗口預覽拍攝影像，記錄地理坐標和飛行高度，點擊“相機”按鈕進行垂直攝影，保存影像為jpg圖片格式作為實驗報告［見圖3（f）］。可對地形地貌、水系分布、植被覆蓋等數(shù)據(jù)進行后續(xù)分析。

圖3 濕地航空拍攝模擬

2.3 野外生態(tài)監(jiān)測

參考《國家濕地公園生態(tài)監(jiān)測技術(shù)指南》［14］，本部分模擬教師科研項目中濕地野外生態(tài)監(jiān)測過程，內(nèi)容主要包括水體、土壤樣品采集，空氣及噪聲監(jiān)測，生物多樣性調(diào)查。學生可根據(jù)各實驗步驟中所附操作說明和實驗方法，在教師指導下逐步完成，提交相應的實驗報告。

（1）水體樣品采集。使用鍵盤控制人物行走方向（可加速），依次前往已設置好的3 個采樣點，根據(jù)圖4（a）中左下方文字提示，點擊背包中水樣采集器、水質(zhì)檢測儀、溶解氧儀等工具進行水體樣品采集及水體溫度、pH值、溶解氧含量等常規(guī)指標檢測。采集完成后，根據(jù)提示，在水體樣品采集記錄表［見圖4（b）］中填寫相應數(shù)據(jù)信息，保存提交作為實驗報告。

（2）土壤樣品采集。分別前往3 個采樣點進行土壤樣品采集［見圖4（c）］，使用背包中的土鉆進行樣品采集，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驗室。記錄采樣點處土壤溫度、取樣深度、取樣質(zhì)量等相應數(shù)據(jù)，保存提交作為實驗報告。

（3）空氣及噪聲監(jiān)測。空氣及噪聲監(jiān)測［見圖4（d）］同樣設置3 個監(jiān)測點，依次使用背包中溫濕度計、負氧離子檢測儀、噪聲檢測儀等工具，檢測空氣溫度、濕度、負氧離子濃度等常規(guī)指標及環(huán)境噪聲強度。檢測完成后，提示記錄檢測數(shù)據(jù)，保存提交作為實驗報告。

（4）生物多樣性調(diào)查。生物多樣性調(diào)查（見圖5），包括野生高等植物、野生高等動物、浮游和底棲生物采集3 個環(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定的20 m × 20 m、5 m × 5 m和1 m × 1 m樣方。野生高等動物多樣性調(diào)查采用樣線法，沿途記錄所見野生動物，使用背包中昆蟲網(wǎng)、漁網(wǎng)，分別在相應位置調(diào)查昆蟲和魚類多樣性。浮游和底棲生物多樣性調(diào)查中，前往采集地點，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行相應樣品采集，并提示如何保存帶回實驗室。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，需在教師指導下填寫，全部信息填寫完成后，保存提交作為實驗報告。

圖5 野外生物多樣性調(diào)查虛擬仿真操作界面

3 虛擬仿真實驗平臺建設特點

教師將科研成果融入實驗教學內(nèi)容中，可以使學生接觸行業(yè)的最新發(fā)展動態(tài)，了解最新的行業(yè)需求［15］。本實驗平臺建設是以本校省級重點實驗室已完成的濕地公園、濕地自然保護區(qū)生態(tài)監(jiān)測科研項目成果為例，將教學與科研項目相融合，使本實驗操作更具有真實感和實用性。實驗過程操作步驟多，互動次數(shù)增加，如無人機航空攝影可使用遙控器模擬操作，增加體驗感和趣味性，激發(fā)學生學習興趣，有效提高學生操作能力。

該實驗平臺應用范圍廣，可適用于地理科學、地理信息科學、環(huán)境生態(tài)工程等不同專業(yè)的多門課程實驗教學，在本校可同時應用于自然地理學、濕地學、生態(tài)監(jiān)測與評價等專業(yè)核心課及專業(yè)方向課之中。實驗平臺將采取線上共享方式，學生亦可遠程下載安裝到本地計算機客戶端使用。

虛擬仿真實驗平臺建設中，人物與場景由師生共同設計，堅持以學生為中心，充分發(fā)揮學生想象力與創(chuàng)新能力。同時，在生物多樣性調(diào)查虛擬仿真操作中，提示學生捕捉野生動物后需放生，具有濕地保護宣傳教育作用，提高學生保護生態(tài)環(huán)境的意識，增強學生的社會責任感。

4 結(jié) 語

完成江心洲濕地演化及野外調(diào)查虛擬仿真實驗平臺建設項目并應用于實驗教學環(huán)節(jié)，有效地解決了濕地演化過程不易理解、濕地野外調(diào)查不易開展的問題。將我校省級重點實驗室所承擔的科研項目作為案例融入實驗平臺建設之中，使虛擬仿真實驗內(nèi)容有據(jù)可依，更加貼近現(xiàn)實。同時，師生共同參與實驗平臺建設，提高了實驗教學中學生的實踐能力和創(chuàng)新能力，完成教學目標，并達到了良好的教學效果。今后，該實驗平臺在使用中仍會發(fā)現(xiàn)新問題或有更好的創(chuàng)意，需在此版本基礎上不斷地加以改進，以期更加完善。