农业水工程测量虚拟仿真实训平台的建设

余卫华 张 鑫 姚一飞

(西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌 712100)

一、虚拟仿真实训平台建设的意义及必要性

(一)虚拟仿真实训平台建设的意义

农业水工程测量虚拟仿真实训是实践教学的重要环节，是培养学生创新精神和实践能力的主要途径，其实训效果直接影响着高校的教学质量和服务社会的水平。

为了更好地开展农业水工程测量实训项目，应加快农业水工程测量虚拟仿真实训平台的建设，将虚拟现实技术、三维建模与仿真技术融入实践教学。虚拟仿真技术是虚拟现实技术与计算机仿真技术相结合的产物，即在计算机创建的三维动态、实时可视的虚拟环境中，采用一定的数学模型，通过输入各种参数对事物的运行机理进行仿真，达到合理控制事物运行的目的。高校通过虚拟现实技术构建工程测量虚拟仿真模块，并借助数据库、网络通讯技术、人机交互手段完成实践教学过程[1-2]。综合仿真实训平台的“虚实结合、能实不虚、虚实互补”的特征，可以为实验教学方法的创新创造有利条件，它不仅改变了实践教学模式、激发了学生的学习兴趣，而且可以培养学生的创新意识与创新能力[3-7]。

基于此，西北农林科技大学依托“陕西省测量测绘实验教学示范中心”及校园数字平台，优化和补充了工程测量实验实习教学资源，组建了农业水工程测量综合仿真实训教学平台，面向本校农业水利工程和水文与水资源工程专业本科学生开放，使工程测量实验实习取得了良好的效果[8]。

(二)虚拟仿真实训平台建设的必要性

1.提升实践教学的质量

虚拟仿真实验具有着传统实验教学无法替代的作用，它不仅是传统实验的有益补充，还是信息技术与农业水利行业现代化相结合的产物。通过虚拟仿真实验可以帮助学生在课前预习测量仪器的使用方法，在课后复习和巩固工程测量各阶段的操作步骤，还可以进行传统实验教学不可能完成的一些高危、不可见及现实条件不具备的实验项目。

与水利相关的测量实习均安排在暑期，如水下地形图测绘、大坝施工测量等。在暑期实习期间，河道和水库易发生洪涝、滑坡等地质灾害，因此测量实习受天气、环境影响较大，同时也存在着较高的安全风险。而通过虚拟仿真平台开展实训项目，学生可以对安全风险高、不易操作的实习内容有系统直观的认识和掌握，所以虚拟仿真实验作为测量实习的有益补充，大大提升了实践教学质量。

2.创新教学方法

相对于传统教学方法和手段，采用虚拟仿真教学可以使学生接触更多的信息，从而提高实习效率。当学生沉浸在虚拟仿真技术带来的虚拟现场和虚拟环境中，可以身临其境般地感受测量仪器的操作过程和实验项目运行状态的变化[4]。而工程测量传统的理论教学很难展示实际生产的场景和测量过程，如导线测量、水下地形图测绘、卫星定位等，尤其是卫星和地球空间关系仅用传统的讲授方法是很难让学生理解的。但是，通过虚拟仿真平台的三维场景重现，利用动画、仿真等技术能够真实而完美地展示各个测绘生产的场景和测量过程，同时还可以让学生接触到更多的测量新技术，极大地增强了学生的学习兴趣。

3.培养学生具备工程实践能力和创新能力

为了开阔学生的专业视野，培养学生的创新意识和创新能力，学院将有关水利工程测量实验实习内容与农业水利的生产实际相结合，并进行了适当扩展，将无人GPS测量船进行水下地形图测绘、RTK仪器数字地形图测绘和施工放样的测量等实习内容转化成虚拟仿真实验，学生通过虚拟现实技术在虚拟环境中使用鼠标/键盘控制测量仪器的操作，这种“实战型项目”的练习，既可以增强学生的工程实践能力，又可以提高创新意识和创新能力。

二、农业水工程测量实验教学存在的问题

我国水利工程专业在开展工程测量实践教学过程中普遍存在着实验条件缺乏、学生实习训练不足等问题[4]。加之农业水工程测量实训常受施工环境、实验成本、安全因素的制约，致使有些实训实验项目如水下地形测量等无法开展，影响了实验教学的效果。

以西北农林科技大学为例，学校测量测绘实验教学示范中心承担着全校17个本科专业的12门课程的实验实习教学任务，一直延用传统的教学方法，实验教学内容陈旧，缺乏工程实例，其实验教学内容已不能满足实际工程项目的需要；同时实验教学项目多为验证性实验，综合性、设计性实验较少；加之测量仪器内部构造抽象，操作流程繁琐且易出错，导致实验教学效率和质量较低。尤其是暑期实习期间汛情多发，水下地形测量存在潜在的安全风险，学生很难对实际测绘过程有系统的认识。

在这种传统实验教学模式下，学生动手能力以及主动学习意识不强，缺乏分析问题和解决问题的能力，无法达到创新人才培养的要求。

三、农业水工程测量虚拟仿真实训平台建设的措施

针对传统实验教学存在的不足，西北农林科技大学测量测绘实验教学示范中心于2018年2月基于3D仿真、VR、AR等技术研发了实训系统，并建设了农业水工程测量虚拟仿真实训平台。

(一)农业水工程测量虚拟仿真实训平台实验教学内容体系构建

学院基于农业水工程测量虚拟仿真实训平台，建设了测量仪器结构与功能、地形图测绘、水下地形测量和GNSS测量原理及应用4个实验教学模块。农业水工程测量虚拟仿真实训平台教学模块，涵盖了农业水利工程测量综合实习的核心内容，形成了“统一平台，分项虚拟，虚实结合，全方位共享”的实验教学体系[5]。学生通过虚拟仿真平台可以系统完成工程测量实习各环节的内容。同时教师也可以通过虚拟仿真实训平台指导学生参加测绘技能大赛，以提高学生的测绘技能。基于农业水工程测量综合仿真实训平台构建的实验教学模块见图1。

图1 农业水工程测量虚拟仿真实训平台实验教学模块的内容体系

1.测量仪器结构与功能模块

测量仪器结构与功能主要是介绍传统和最新测绘仪器的各个部件名称、构造、功能及轴线关系，包括经纬仪、全站仪、水准仪、数字水准仪、三维激光扫描仪、测量机器人、无人GPS船模型、GNSS接收机。学生可以任意选择某一测量仪器，然后将鼠标移动到测量仪器部件上，即可显示该部件名称，所有测绘仪器均可通过拖动鼠标进行三维立体展示，同时还可以全方位展示各个轴线相互关系。测量仪器结构与功能模块见图2。

图2 测量仪器结构与功能模块界面

2.地形图测量模块

地形图测量主要是在实际测绘生产过程中，采用传统测量仪器(全站仪、水准仪)对一目标区域进行数字地形图测绘。如先采用全站仪进行平面控制测量，包括角度测量和边长测量两部分；其次用水准仪进行高程控制测量；最后，对特征点进行碎部测量，并对测量结果进行地形图绘制。地形图测量模块见图3。

图3 地形图测量模块界面

3.水下地形测量

水下地形测量主要是指水下地形图测绘的过程，包括河道地形测量和纵横断面测量。首先，采用安装有GPS的无人测量船(模型)沿着预设航线轨道以一定的采样间隔进行平面位置和水深测量；其次，对测量结果进行平滑拟合，绘制出等深线，即可得到河道的地形图及纵横断面图。水下地形测量模块见图4。

图4 水下地形测量模块界面

4.GNSS测量原理及应用模块

GNSS测量原理及应用主要是指GNSS测量的基本原理和应用的过程，主要包括GNSS介绍、GNSS数据处理、RTK基准站架设、碎部测量和施工放样。首先，在虚拟三维空间展示了全球4大卫星导航系统，包括美国的GPS、我国的北斗、俄罗斯的GLONSS和欧盟的伽利略；其次，以HGO软件为例，介绍了GNSS布设原则和数据处理的详细过程；再次，以中海达iRTK2仪器为例，展示了RTK基准站架设方法和过程；最后，分别以某一山区地形图测绘和道路施工放样为例，进行碎部测量和施工放样。GNSS测量原理及应用模块见图5。

图5 GNSS测量原理及应用模块界面

学生在对4个模块进行学习时，系统界面会有明确的操作指示和帮助，从而保证学生能正确完成每一板块内容的学习和实践操作。若操作不当，将无法进行下一步的学习和操作，系统会自动提示相应信息。这些教学模块从专业基础、技术、创新3个方面为农业水利工程和水文与水资源工程等本科专业工程测绘类课程提供了虚拟仿真实验条件和环境。

(二)通过“产、学、研”提升虚拟仿真实训平台的建设水平

为了提高农业水工程测量虚拟仿真实训平台的建设水平，西北农林科技大学测量测绘实验教学示范中心本着“优势互补、资源共享”的原则，与软件开发单位合作，校企共建虚拟仿真实训平台。一方面，企业参与实践教学计划的制订，为平台建设提供各类技术资料、软件，参与虚拟仿真实训平台的研发工作、软件维护和升级管理工作，服务于学校的人才培养；另一方面，虚拟仿真实训平台可以为企业的人才培训提供支持[8]。通过人才培养这个纽带，学校和企业整合各自优势，结成战略合作伙伴关系，从而为虚拟仿真实训平台的可持续发展提供了强大的技术支撑。

(三)建立虚拟仿真实验的评价标准，加强教学质量监控

为了保证虚拟仿真实验实训的教学效果，避免单一评价导致结果的片面性和不科学性，学院针对虚拟仿真实验项目构建了全周期的评价体系，形成了“实验前预习、实验过程、实验效果”的评价标准。学生通过实验前预习系统，可以了解测量仪器内部构造和原理，学习有关测量实验内容；教师通过虚拟仿真实训平台可以实时查看学生的预习情况，并根据预习的完成度和作业的情况给出这个环节的考核成绩，此成绩占虚拟仿真实验成绩的30%。实验过程的评价可以说是教师对学生整个实验过程的指导和纠错过程。由于虚拟仿真实验具备可控制性、可中断性，所以在实验过程中，系统会及时提醒和警示学生错误的操作，并中断错误实验，避免了学生在对仪器操作不熟练的情况下产生的设备损坏。同时教师可根据记录的错误信息，帮助学生查找问题，发现问题、改进实验、教师根据学生在实验过程中展现出的分析问题，解决问题的能力，给予这个环节的考核成绩，此成绩占虚拟仿真实验成绩的40%。教师通过对实验效果的评价可以了解到学生的学习情况并给予这个环节的考核成绩，此成绩占虚拟仿真实验成绩的30%。通过这3个环节的评价，可以实现对虚拟仿真实验项目的全周期评价，从而加强了对实验教学质量的监控。

四、农业水工程测量虚拟仿真实训平台建设的成效

(一)丰富了实践教学内容

在虚拟仿真实验实训平台的建设中，从事测量实验教学的教师要根据测量实验的实际需要，不断完善实验教学体系，研发了各种适合学生独立学习的工程测量虚拟实验，不仅丰富了教学内容，而且培养了学生自主学习的意识。目前，教学团队正在计划将最新的“无人机倾斜摄影测量”技术并入虚拟仿真实验内容。

(二)激发了学生开展测量实验实训的兴趣

在实验实训过程中如何引导学生真正成为学习的主体，是教师应该关注的问题，学生只有把被动学习变为主动学习，才能达到良好的学习效果。由于虚拟仿真实验项目有较强的趣味性和互动性，学生通过平台可实现对“测量仪器”交互式的3D仿真操作，极大地激发了学生开展实验实训的兴趣。同时整个系统平台界面美观、操作简单、易于学习，有利于学生开展自主学习。2020年西北农林科技大学测量技能竞赛的参赛学生人数由往年的120人增加到了295人，除了有农业水利工程和水文与水资源工程专业的学生参赛外，园林、风景园林、水利水电工程、土木工程、地理信息科学、资源环境科学、环境工程、水土保持与荒漠化防治、人文地理与城乡规划、土地资源管理、能源与动力工程等11个专业的学生也积极报名参赛。

(三)实现了教学资源的共享

农业水工程测量虚拟仿真实训平台现已成为西北农林科技大学多学科、多专业的共享平台，除了农业水利工程和水文与水资源工程专业，学校其他开设测量类课程的专业也可以共享这个平台的实验资源。目前全校6个学院的17个本科专业1 500余名学生都能够享受到虚拟仿真实训平台提供的教学服务，实现了全校测量基础课程虚拟仿真实验实习教学的全覆盖。

农业水工程测量虚拟仿真实训平台补充和完善了实践教学环节，不仅提升了农业水利工程及水文与水资源工程测量实验教学的整体水平，也为创新人才的培养开辟了一条特色之路[7]。