虛擬仿真軟件在測量專業教學中的應用

毋利娜

（1.晉城職業技術學院，山西 晉城 048026）

虛擬仿真技術，又稱虛擬現實技術[1]，涉及計算機圖形學、人機交互技術、傳感技術、人工智能等[2]。虛擬仿真技術因其沉浸性、交互性、虛幻性、逼真性等特點[3]，已被應用于多個專業領域，并在一些專業實踐教學中發揮了極大作用。測量專業是一門理論與實踐緊密結合的專業，實踐性較強[4]，對學生實踐能力的培養具有很高的標準和要求[5-6]。在教學過程中，除保證學生掌握基礎理論知識外，更需注重培養學生的實踐操作能力。在理論教學過程中，教師基本通過教材和相應的儀器操作進行講解[2,7]，而在教室后方的學生可能看不清儀器的構造和操作，因此不能達到很好的教學效果；在實習環節，連續雨天、設備和場地的限制將影響實習的進度和效果，而引入虛擬仿真軟件可在一定程度上解決測量實習的難題。測繪虛擬仿真軟件可保證每個學生都能清晰地觀察到儀器的架設過程，并可親自在計算機上對測量儀器進行模擬操作，同時方便教師考察學生的學習程度。同時，虛擬仿真軟件還有助于教學改革，在不具備線下實踐教學的情況下，可進行線上實踐模擬儀器操作，更好地提高學生的學習興趣，培養學生的實踐能力、創新能力和組織能力[8]。

1 測量實踐教學存在的問題

1）現場條件受限。通常測量學課內實習以校園內部為實習場地，而校園面積有限[9]，以晉城職業技術學院為例，道路多為單車道、寬度不夠，測量實習時架設三腳架將占用部分道路；同時行車較多，存在安全隱患，對測量實踐教學有一定的影響。

2）實踐測量考核方式存在缺陷。由于工程測量的專業特點，實習時由測量員、記錄員、扶桿員等組成一個小組，共同完成測量實習作業，因此提交的作業是小組的整體成果，無法評判每個學生的成績，體現不出差異性，考核成績不全面[9-10]。

3）學生管理存在難度。在測量實踐中，數字測圖需在面積較大的范圍內進行，學生分散在學校的不同地方，在只有一個測量教師的情形下，很難及時考察到每個小組的測量情況，管理存在難度。

4）實習時間有限。在工程測量基礎課傳統教學中，采用先理論后實踐的模式，高職大專學生可能對理論知識抽象化的理解存在一定的難度，教學效率較低。同時，在一個學期中，若理論課課時過多，將會壓縮實習時間，學生無法在有限的時間里最大限度地掌握操作儀器的程序和測量觀測的程序，接受測量知識的效率也較低。

2 數字測圖虛擬仿真軟件在測量教學中的應用

2.1 虛擬仿真軟件

目前由南方測繪公司研發的虛擬仿真軟件采用3ds Max技術，模擬的儀器類型包括水準儀、全站儀、GPS等，可在三維狀態下對儀器進行相應操作，并可利用模擬儀器完成測量流程任務[11-12]。應用系統主要由計算機硬件、軟件組成，在模擬三維場景中可對模擬水準儀進行整平、調焦，讀取水準尺刻度；可對全站儀進行安置、對中、圓氣泡粗略整平、長水準管精確整平、目鏡與物鏡調焦；可對GPS基準站與移動站進行設置，在固定解狀態下進行GPS動態測量，與現實測量儀器中的操作幾乎一樣。虛擬仿真軟件的模塊構成如圖1所示。

圖1 虛擬仿真軟件的模塊構成

2.1.1 儀器設置

訓練營模塊主要是對儀器架設過程的還原，目的是使學生了解和掌握測量儀器的操作步驟。訓練營模塊包括架設基準站、架設移動站、求解不同坐標系轉換參數、架設全站儀、校正向導、導入導出GPS和全站儀數據等功能，可幫助學生提前熟悉所用儀器，并對相應儀器進行操作，為后續實習操作提供基礎，節省時間。GPS設置參數界面如圖2所示，全站儀設置界面如圖3所示。

圖2 GPS參數設置界面

圖3 全站儀設置界面

2.1.2 測量項目觀測

練習模塊負責測量項目的正常觀測，包括水準測量、導線測量和數字測圖。水準測量可按國家三、四等水準要求進行觀測，導線測量可按國家二等導線進行觀測，數字測圖中可結合全站儀和GPS進行測量。虛擬仿真軟件一一對應了測量教材中的相關內容，可使學生很好地掌握基礎測量的觀測程序，為后續室外實習做好準備。

本文以虛擬仿真軟件中的數字測圖為例進行介紹，測圖中采用的測量儀器包括全站儀、GPS等。首先通過手簿對基準站和移動站進行藍牙鏈接，再通過移動網絡的形式進行系統設置，使手簿由單點解變成固定解，設置成功。在利用全站儀測量時，全站儀架設在測站上，進行對中整平、調焦等操作，望遠鏡照準后視點，建站調入已知點坐標，做好準備工作。設置完成相關儀器后，即可進行相應的測圖工作。

2.2 數字測圖過程

根據數字測圖所需的相關知識以及虛擬仿真軟件中的相關場景，在虛擬仿真軟件的練習模塊中進行相關測量（圖4），以達到使學生掌握相關測量儀器使用方法和了解數字測圖過程的目的。虛擬場景數字測圖訓練成果如圖5所示。

圖4 虛擬場地

圖5 虛擬場景數字測圖訓練成果

數字測圖的具體流程為：

1）架設基準站、移動站，利用手簿對基準站、移動站進行藍牙鏈接并設置參數。

2）新建工程，在至少3個已知控制點上進行控制點測量，求取轉換參數并應用。

3）測量房屋特征點，若采用GPS進行測量，由于GPS的相位中心與房屋特征點不能重合，導致數據誤差較大，因此可采用全站儀進行測量。在全站儀測量前，需在房屋周邊進行勘察并布設碎步控制點；再利用移動站在布設點上進行測量，得到已知點坐標；最后導出GPS移動站控制點坐標數據。

4）在房屋周圍控制點上架設全站儀，對中整平儀器，導入控制點坐標、建站，對準后視點，采用無棱鏡合作模式進行房屋特征點的數據采集，最后導出全站儀房屋測點數據。

5）對于測圖區域其他地形地物，可采用GPS移動站進行數據采集，再導出碎步點數據。

6）在South Map或南方CASS軟件中，對控制點數據和地形地物數據進行展點，對地形圖進行編輯，完成基本成果，如圖5所示。

通過虛擬仿真軟件的相應測量，得到測圖過程中的部分數據如表1所示，其中K為控制點，Z為GPS儀器坐標轉換前的觀測數據，J為GPS儀器坐標轉換后在已知點上的檢測數據，P為GPS儀器在其他地物點的數據，Q為全站儀測得的房角點，可以看出，坐標轉換后1、2、3號點上原始已知點數據與檢測數據的誤差不大（表2），即J-K，滿足正常測量需求。由數字測圖和實驗數據可知，在虛擬仿真軟件中也可完成相應的測量實習項目，使學生掌握測量項目的前后程序，還可節省室外實習時學生從一個觀測點走到另一個觀測點的時間。

表1 數字測圖數據/m

表2 點位檢測誤差/mm

通過虛擬仿真教學，可在軟件操作過程中將課本理論知識與現場儀器操作緊密聯系起來，很好地展示儀器的構成，如全站儀的基座、度盤、望遠鏡、腳螺旋等，讓學生有一個形象的認識；可演示儀器的操作過程，如三腳架的架起，全站儀的對中、粗平、精平，使學生置身于實際測量的操作環境，與虛擬環境進行互動；在具體測量項目中，可提高學生的思維能力、動手能力和組織能力。虛擬仿真技術應用于測量專業教學，對加強測量學課程改革、教學方法的變化和培養測量技術人才具有極大意義[13]。虛擬仿真軟件的利用極大地節省了學生的實習時間和提高了學生的實踐操作效率，使學生有了整體認識。

3 虛擬仿真軟件在測量教學中的應用優勢

1）在傳統測量儀器實習中，需以4～5人為一個小組共同合作才能完成一條水準路線或導線的觀測，這樣雖可增加學生的團體意識，但其弊端是成果體現的是小組整體成績，無法準確判斷個人實習的效果；而在測量虛擬仿真軟件中，完全可由個人單獨完成一個測量項目，充分發揮個人潛能，且根據測量數據可對每個學生進行考核，得到的成績更加公平公正。

2）在測量專業教學中引入虛擬仿真軟件，在課堂教授理論知識的同時運用虛擬仿真軟件模擬，可加深學生對儀器操作和外業作業流程的認識和理解[9]，使抽象的概念具體化，避免了學生的抽象性理解，增加了學生對課堂知識的感性認知，提高了教學質量[14]。

3）在傳統測量實訓教學中，若遇到連續下雨天氣，則無法進行室外測量作業；而利用虛擬仿真軟件練習學習，則無需考慮天氣變化。

4）虛擬仿真軟件可模擬一個測量項目的全過程，從新建項目開始到模擬環境中的實地勘察，再到點、角度、距離的測量以及數據處理，這樣完整的測量環節，可鍛煉學生的設計能力和組織能力。

4 結語

虛擬仿真技術在教學過程中以現實環境為基礎，使教學方式更加靈活，極大地提高了學生的學習興趣。學生掌握相應理論知識后，可在虛擬仿真軟件中進行反復練習，加深對理論知識的理解，然后在室外進行相應的實際操作，可達到更好的教學效果。虛擬仿真技術改變了傳統教學模式，在學生學習過程中以交互的方式進行測量觀測操作，提高了學生的整體認知水平。虛擬仿真教學離不開實操，無論仿真系統多么逼真，永遠無法取代實操。在以后的教學中需要采用理論知識、仿真軟件練習、室外操作相結合的方式教學，以提高教學質量。