測繪地理信息虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)

章 迪，鄒進貴，向 東，張萬威，賈劍鋼

（武漢大學 測繪學院，測繪國家級實驗教學示范中心（武漢大學），湖北 武漢 430079）

測繪學是研究地理信息的獲取、處理、描述和應(yīng)用的一門學科，廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟建設(shè)、國防建設(shè)和社會發(fā)展中，其研究內(nèi)容包括：測定描述地球形狀、大小、重力場、地表形態(tài)以及它們的各種變化，確定自然和人工物體的空間位置及屬性，制成各種地圖和信息系統(tǒng)[1]。隨著科技的進步和學科的發(fā)展，測繪學涉及的儀器設(shè)備種類日益豐富、地理環(huán)境日趨復雜，如何在有限的設(shè)備、時間和空間之內(nèi)，通過合理、有效的實驗過程，培養(yǎng)學生的實踐技能和創(chuàng)新能力，是當前高校實驗教學面臨的挑戰(zhàn)。

信息技術(shù)、計算機技術(shù)的快速發(fā)展為高等教育的改革創(chuàng)新提供了發(fā)展機遇，教育部明確要求 “建設(shè)優(yōu)質(zhì)教育資源共享體系”[2]，提出 “把教育信息化作為國家信息化的戰(zhàn)略重點和優(yōu)先領(lǐng)域全面部署、加快實施，用十年左右的時間初步建成具有中國特色的教育信息化體系，使我國教育信息化整體上接近國際先進水平，推進教育事業(yè)的科學發(fā)展”[3]；強調(diào)要以學生發(fā)展為中心，通過教學改革促進學習革命，因課制宜選擇課堂教學方式方法，科學設(shè)計課堂考核內(nèi)容和方式，不斷提高課堂教學質(zhì)量[4]。

虛擬仿真實驗教學融合虛擬現(xiàn)實、人機交互、多媒體、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通信等多種先進技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗儀器、環(huán)境、材料和過程，使學生能不受地點和環(huán)境限制在虛擬環(huán)境中開展實驗，降低真實實驗的成本消耗及規(guī)避不可抗性因素帶來的風險，達到教學大綱所要求的教學目的。因此，虛擬仿真實驗教學資源開發(fā)與建設(shè)是突破高校實驗教學瓶頸的重要途徑。

1 測繪實驗教學面臨的困境

1.1 高精尖測繪儀器成本高、數(shù)量少

測繪儀器是測繪實驗教學的基礎(chǔ)[5]。隨著科學技術(shù)的快速發(fā)展，高精尖設(shè)備的購置和維護成本也越來越高，如三維激光掃描儀、激光跟蹤儀、地基SAR、絕對重力儀的售價都在百萬元級別。學生人數(shù)眾多與貴重儀器稀缺使實驗教學面臨困境。開展虛擬仿真實驗教學能突破測繪儀器的成本和數(shù)量瓶頸，使學生可以在任意時間、任意地點，通過互聯(lián)網(wǎng)進行實驗。學生們能通過預(yù)先使用虛擬儀器進行訓練，熟練后再進行實際操作，從而大幅提升教學效率，降低設(shè)備損耗。

1.2 極端環(huán)境下的真實實驗難以實施

測繪領(lǐng)域的很多實驗需要在特定環(huán)境下進行[6]，存在可行性、成本、安全性等一系列問題。例如，大地測量實驗的空間尺度可達數(shù)千km、時間尺度可達數(shù)十年；地震監(jiān)測、滑坡監(jiān)測、泥石流監(jiān)測、海洋測繪、極地測繪等實驗需要在高危環(huán)境下開展；航空攝影測量成本高、消耗大[7-8]，且事先需要申請空域、手續(xù)繁雜。利用實景沙盤、VR/AR/MR 等多種方式構(gòu)建山川海洋等自然地理環(huán)境及高樓大壩等人工建筑，能讓學生仿佛身臨其境，完成真實實驗難以完成的步驟，并降低成本、規(guī)避安全風險，彌補教學空白。

1.3 精細化質(zhì)量控制難以實現(xiàn)

傳統(tǒng)實驗教學模式下，通常一名教師輔導數(shù)十名學生，在有限的學時內(nèi)，難以實現(xiàn)個性化精準輔導，也難以全面獲知學生對知識技能的掌握情況。虛擬仿真教學系統(tǒng)可以內(nèi)置提示、跟蹤、統(tǒng)計等功能[9-10]，能以量化形式評估學生的學習效果，能從微觀和宏觀兩個層面上找準學生實驗過程中的薄弱環(huán)節(jié)，為教師提供可靠的依據(jù)對教學內(nèi)容、教學手段、學時分配等進行優(yōu)化改進，使教學更具針對性和靈活性，實現(xiàn)真正意義上的因材施教。

2 建設(shè)思路

我校測繪地理信息虛擬仿真實驗教學中心（以下簡稱“中心”）充分發(fā)揮學科特色和人才資源優(yōu)勢，以“整合資源、集聚優(yōu)勢、注重研發(fā)、突顯特色、持續(xù)改進” 的建設(shè)思路為指引，本著“虛實結(jié)合、能實不虛”的原則，針對測繪工程、地球物理、導航工程等專業(yè)的特點，兼顧專業(yè)綜合能力培養(yǎng)和行業(yè)技能培訓，通過自主研發(fā)和校企合作相結(jié)合，將虛擬仿真、三維建模、人機交互、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)通信等先進技術(shù)和培養(yǎng)計劃、專業(yè)特點、行業(yè)特色進行深度融合，開發(fā)出系列虛擬仿真實驗教學資源；設(shè)立安全可靠、經(jīng)濟環(huán)保、真實實驗不具備或難以完成的特色虛擬仿真實驗項目，重點解決實驗教學中的難點、痛點問題；在教學過程中根據(jù)實驗效果及師生反饋，不斷進行優(yōu)化和改進。

3 建設(shè)內(nèi)容

3.1 基礎(chǔ)測繪儀器仿真實驗教學系統(tǒng)

能否規(guī)范、熟練地使用儀器在很大程度上決定了測繪工作的質(zhì)量和效率[11]。盡管中心攝制了大量的測繪儀器規(guī)范化操作視頻[12-13]，并建立了實驗教學網(wǎng)站，但視頻僅能觀看而無法進行操作。因此，中心進一步自主研發(fā)了水準儀、全站儀、GNSS 等基礎(chǔ)測繪儀器的交互式虛擬仿真實驗教學軟件[14]，對儀器外觀、結(jié)構(gòu)和功能進行全方位虛擬仿真，如圖1 所示。學生可在課前預(yù)習、課堂學習、課后復習過程中，隨時隨地進行測繪儀器“操作”，突破了儀器使用的時間和空間限制，提高了實驗教學的效率與質(zhì)量。

圖1 基礎(chǔ)測繪儀器仿真實驗教學系統(tǒng)

3.2 無人機數(shù)字測圖虛擬仿真實驗系統(tǒng)

無人機數(shù)字測圖是當前攝影測量的熱門研究和應(yīng)用領(lǐng)域，但受到設(shè)備數(shù)量、空域管制、飛行安全等因素的制約，其外業(yè)數(shù)據(jù)采集是教學中一大難點。本系統(tǒng)（如圖2 所示）通過設(shè)置無人機影像采集、像控點數(shù)據(jù)采集、無人機影像處理這3 個依次銜接的實驗環(huán)節(jié)，實現(xiàn)無人機數(shù)字測圖虛擬仿真實驗，適用于測繪工程及相關(guān)專業(yè)的課間實驗和綜合實習。該項目突破了傳統(tǒng)測繪實驗教學的時空限制，使實驗者沉浸式體驗無人機數(shù)字測圖技術(shù)全流程，準確理解和全面掌握相關(guān)知識點，實現(xiàn)了傳統(tǒng)實驗教學過程中無法進行的精細化教學，切實提升了實驗教學效果，成功入選2018 年度國家虛擬仿真實驗教學項目[15]。

圖2 無人機數(shù)字測圖虛擬仿真實驗系統(tǒng)

3.3 多波束聲吶測深仿真實驗系統(tǒng)

航海安全、海權(quán)維護、深海資源開發(fā)、海洋動力環(huán)境、海洋災(zāi)害監(jiān)測等眾多海洋活動和科學研究都需要高精度、高分辨率海底地形測繪提供保障。多波束聲吶以其高效率、高精度、面測量等優(yōu)勢，已成為海洋水下地形測量的必備工具，但其價格昂貴，且出海實習具有較大的危險性[16]。為此，中心研發(fā)了多波束聲吶測深仿真實驗系統(tǒng)（如圖3 所示），實現(xiàn)對波束聲波發(fā)射、接收及多傳感器測量過程的模擬、測量數(shù)據(jù)的處理及展示等功能，使學生對多波束聲吶系統(tǒng)的測量原理有更深入的認識；通過聲線跟蹤、姿態(tài)/航向改正、多條帶鑲嵌等數(shù)據(jù)處理操作，使學生更快更全地掌握多波束聲吶測深數(shù)據(jù)的基本處理方法。

圖3 多波束聲吶測深仿真實驗系統(tǒng)

3.4 衛(wèi)星導航虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)

衛(wèi)星導航虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)主要是通過儀器設(shè)備和計算機模擬，將看不見、摸不著的衛(wèi)星導航信號，以虛擬仿真的新視角、新形式呈現(xiàn)在學生面前，引導學生深入學習與探索衛(wèi)星導航原理與算法，如圖4 所示。仿真內(nèi)容涵蓋信號發(fā)射、傳播、接收等全過程，可模擬包括導航衛(wèi)星軌道及鐘誤差、相對論效應(yīng)、對流層誤差、電離層誤差、接收天線增益誤差等各類誤差對衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的影響，幫助學生從宏觀尺度深入地理解衛(wèi)星導航定位原理，培養(yǎng)學生扎實的專業(yè)基礎(chǔ)和實踐技能[17]。

3.5 地球物理三維虛擬仿真實驗平臺

由于地球內(nèi)部的不可及性，需要綜合采用多種觀測手段，來探求地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)及各種動力學機理。地球物理觀測量主要包括地球重力、地磁、地電、地震以及大地形變等，但因大多數(shù)概念抽象、受自然環(huán)境和安全因素等限制較多，學生難以快速真切地獲得實驗數(shù)據(jù)。為此，中心設(shè)計開發(fā)了 “地球物理三維虛擬仿真實驗平臺系統(tǒng)”（如圖5 所示），提供重力、地磁、地電、地震等多個測項的三維虛擬數(shù)據(jù)及可視化展現(xiàn)，大大提高了學生的學習興趣，使數(shù)據(jù)的獲取更為便捷，為算法驗證等實驗的開展提供了便利，也為地球物理學的科研和教學提供了平臺。

圖4 衛(wèi)星導航虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)

圖5 地球物理三維虛擬仿真實驗平臺

4 應(yīng)用效果

我中心建立了專門的門戶網(wǎng)站（圖6），集成了多種虛擬仿真實驗教學資源，采取分層次、多樣化的開放模式，實現(xiàn)校內(nèi)外共享，擴大受益面。校內(nèi)測繪類專業(yè)，包括測繪工程、地球物理學、導航工程、遙感科學與技術(shù)、地理國情監(jiān)測、地理科學、地理信息工程等專業(yè)師生注冊后均可免費訪問虛擬仿真教學資源、開展虛擬仿真實驗。中心每學年服務(wù)本校學生近3 000 人。虛擬仿真教學有效彌補了教學空白，改變了傳統(tǒng)的實驗教學模式，提高了教學質(zhì)量。學生的知識水平、動手能力和綜合分析能力得到了增強，也激發(fā)了學生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識。例如，2015 屆本科畢業(yè)生許毅在使用中心的虛擬仿真資源過程中受到啟發(fā)，對VR技術(shù)產(chǎn)生了濃厚興趣，在考取本校碩士研究生的同時，還作為負責人創(chuàng)辦了武漢市珞珈俊德地信科技有限公司，他帶領(lǐng)團隊研發(fā)的Map+VR 智慧城市地圖項目先后獲得 “2016 年中國測繪地理信息學會工程測量年會” 論文一等獎、“2017 年WGDC 全球地理信息開發(fā)者大會”泰伯創(chuàng)客大賽第二名、“第三屆全國研究生智慧城市技術(shù)與創(chuàng)意設(shè)計大賽” 一等獎，其團隊也受到原中央政治局委員、國務(wù)委員劉延東，全國政協(xié)副主席、中國科學技術(shù)協(xié)會主席萬鋼，原國家測繪地理信息局副局長李朋德等領(lǐng)導的接見和指導。

圖6 中心網(wǎng)站首頁

5 結(jié)束語

測繪地理信息虛擬仿真實驗教學中心依托我校測繪科學與技術(shù)的學科優(yōu)勢，立足于學科相關(guān)的測繪工程、導航工程和地球物理專業(yè)人才培養(yǎng)，緊緊圍繞國民經(jīng)濟和社會發(fā)展對高層次人才的培養(yǎng)需求，創(chuàng)建了“多層次、系統(tǒng)化、研究型、共享式” 虛擬仿真實驗教學培養(yǎng)體系，引入學科發(fā)展最新成果，針對高成本、高風險、不可及、不可逆、極端環(huán)境下的實驗項目，研發(fā)了特色鮮明、多專業(yè)集成的立體化虛擬仿真實驗教學資源和教學系統(tǒng)，涵蓋了測繪地理信息教學中的重點難點，有效彌補了教學空白，通過虛實結(jié)合、以虛補實、虛實交錯等多種教學方式，充分激發(fā)學生的科研創(chuàng)新精神、訓練他們的實踐動手能力，對于提升實驗教學效果、提高學生創(chuàng)新能力發(fā)揮了重要作用，受到校內(nèi)外廣大師生的好評。

中心將進一步緊跟學科發(fā)展，不斷完善虛擬仿真實驗教學資源，為新時代測繪地理信息人才的培養(yǎng)發(fā)揮作用。