测绘地理信息虚拟仿真实验教学中心建设

章 迪，邹进贵，向 东，张万威，贾剑钢

（武汉大学 测绘学院，测绘国家级实验教学示范中心（武汉大学），湖北 武汉 430079）

测绘学是研究地理信息的获取、处理、描述和应用的一门学科，广泛应用于国民经济建设、国防建设和社会发展中，其研究内容包括：测定描述地球形状、大小、重力场、地表形态以及它们的各种变化，确定自然和人工物体的空间位置及属性，制成各种地图和信息系统[1]。随着科技的进步和学科的发展，测绘学涉及的仪器设备种类日益丰富、地理环境日趋复杂，如何在有限的设备、时间和空间之内，通过合理、有效的实验过程，培养学生的实践技能和创新能力，是当前高校实验教学面临的挑战。

信息技术、计算机技术的快速发展为高等教育的改革创新提供了发展机遇，教育部明确要求 “建设优质教育资源共享体系”[2]，提出 “把教育信息化作为国家信息化的战略重点和优先领域全面部署、加快实施，用十年左右的时间初步建成具有中国特色的教育信息化体系，使我国教育信息化整体上接近国际先进水平，推进教育事业的科学发展”[3]；强调要以学生发展为中心，通过教学改革促进学习革命，因课制宜选择课堂教学方式方法，科学设计课堂考核内容和方式，不断提高课堂教学质量[4]。

虚拟仿真实验教学融合虚拟现实、人机交互、多媒体、数据库和网络通信等多种先进技术，构建高度仿真的虚拟实验仪器、环境、材料和过程，使学生能不受地点和环境限制在虚拟环境中开展实验，降低真实实验的成本消耗及规避不可抗性因素带来的风险，达到教学大纲所要求的教学目的。因此，虚拟仿真实验教学资源开发与建设是突破高校实验教学瓶颈的重要途径。

1 测绘实验教学面临的困境

1.1 高精尖测绘仪器成本高、数量少

测绘仪器是测绘实验教学的基础[5]。随着科学技术的快速发展，高精尖设备的购置和维护成本也越来越高，如三维激光扫描仪、激光跟踪仪、地基SAR、绝对重力仪的售价都在百万元级别。学生人数众多与贵重仪器稀缺使实验教学面临困境。开展虚拟仿真实验教学能突破测绘仪器的成本和数量瓶颈，使学生可以在任意时间、任意地点，通过互联网进行实验。学生们能通过预先使用虚拟仪器进行训练，熟练后再进行实际操作，从而大幅提升教学效率，降低设备损耗。

1.2 极端环境下的真实实验难以实施

测绘领域的很多实验需要在特定环境下进行[6]，存在可行性、成本、安全性等一系列问题。例如，大地测量实验的空间尺度可达数千km、时间尺度可达数十年；地震监测、滑坡监测、泥石流监测、海洋测绘、极地测绘等实验需要在高危环境下开展；航空摄影测量成本高、消耗大[7-8]，且事先需要申请空域、手续繁杂。利用实景沙盘、VR/AR/MR 等多种方式构建山川海洋等自然地理环境及高楼大坝等人工建筑，能让学生仿佛身临其境，完成真实实验难以完成的步骤，并降低成本、规避安全风险，弥补教学空白。

1.3 精细化质量控制难以实现

传统实验教学模式下，通常一名教师辅导数十名学生，在有限的学时内，难以实现个性化精准辅导，也难以全面获知学生对知识技能的掌握情况。虚拟仿真教学系统可以内置提示、跟踪、统计等功能[9-10]，能以量化形式评估学生的学习效果，能从微观和宏观两个层面上找准学生实验过程中的薄弱环节，为教师提供可靠的依据对教学内容、教学手段、学时分配等进行优化改进，使教学更具针对性和灵活性，实现真正意义上的因材施教。

2 建设思路

我校测绘地理信息虚拟仿真实验教学中心（以下简称“中心”）充分发挥学科特色和人才资源优势，以“整合资源、集聚优势、注重研发、突显特色、持续改进” 的建设思路为指引，本着“虚实结合、能实不虚”的原则，针对测绘工程、地球物理、导航工程等专业的特点，兼顾专业综合能力培养和行业技能培训，通过自主研发和校企合作相结合，将虚拟仿真、三维建模、人机交互、数据库、网络通信等先进技术和培养计划、专业特点、行业特色进行深度融合，开发出系列虚拟仿真实验教学资源；设立安全可靠、经济环保、真实实验不具备或难以完成的特色虚拟仿真实验项目，重点解决实验教学中的难点、痛点问题；在教学过程中根据实验效果及师生反馈，不断进行优化和改进。

3 建设内容

3.1 基础测绘仪器仿真实验教学系统

能否规范、熟练地使用仪器在很大程度上决定了测绘工作的质量和效率[11]。尽管中心摄制了大量的测绘仪器规范化操作视频[12-13]，并建立了实验教学网站，但视频仅能观看而无法进行操作。因此，中心进一步自主研发了水准仪、全站仪、GNSS 等基础测绘仪器的交互式虚拟仿真实验教学软件[14]，对仪器外观、结构和功能进行全方位虚拟仿真，如图1 所示。学生可在课前预习、课堂学习、课后复习过程中，随时随地进行测绘仪器“操作”，突破了仪器使用的时间和空间限制，提高了实验教学的效率与质量。

图1 基础测绘仪器仿真实验教学系统

3.2 无人机数字测图虚拟仿真实验系统

无人机数字测图是当前摄影测量的热门研究和应用领域，但受到设备数量、空域管制、飞行安全等因素的制约，其外业数据采集是教学中一大难点。本系统（如图2 所示）通过设置无人机影像采集、像控点数据采集、无人机影像处理这3 个依次衔接的实验环节，实现无人机数字测图虚拟仿真实验，适用于测绘工程及相关专业的课间实验和综合实习。该项目突破了传统测绘实验教学的时空限制，使实验者沉浸式体验无人机数字测图技术全流程，准确理解和全面掌握相关知识点，实现了传统实验教学过程中无法进行的精细化教学，切实提升了实验教学效果，成功入选2018 年度国家虚拟仿真实验教学项目[15]。

图2 无人机数字测图虚拟仿真实验系统

3.3 多波束声呐测深仿真实验系统

航海安全、海权维护、深海资源开发、海洋动力环境、海洋灾害监测等众多海洋活动和科学研究都需要高精度、高分辨率海底地形测绘提供保障。多波束声呐以其高效率、高精度、面测量等优势，已成为海洋水下地形测量的必备工具，但其价格昂贵，且出海实习具有较大的危险性[16]。为此，中心研发了多波束声呐测深仿真实验系统（如图3 所示），实现对波束声波发射、接收及多传感器测量过程的模拟、测量数据的处理及展示等功能，使学生对多波束声呐系统的测量原理有更深入的认识；通过声线跟踪、姿态/航向改正、多条带镶嵌等数据处理操作，使学生更快更全地掌握多波束声呐测深数据的基本处理方法。

图3 多波束声呐测深仿真实验系统

3.4 卫星导航虚拟仿真实验教学系统

卫星导航虚拟仿真实验教学系统主要是通过仪器设备和计算机模拟，将看不见、摸不着的卫星导航信号，以虚拟仿真的新视角、新形式呈现在学生面前，引导学生深入学习与探索卫星导航原理与算法，如图4 所示。仿真内容涵盖信号发射、传播、接收等全过程，可模拟包括导航卫星轨道及钟误差、相对论效应、对流层误差、电离层误差、接收天线增益误差等各类误差对卫星观测数据的影响，帮助学生从宏观尺度深入地理解卫星导航定位原理，培养学生扎实的专业基础和实践技能[17]。

3.5 地球物理三维虚拟仿真实验平台

由于地球内部的不可及性，需要综合采用多种观测手段，来探求地球内部结构及各种动力学机理。地球物理观测量主要包括地球重力、地磁、地电、地震以及大地形变等，但因大多数概念抽象、受自然环境和安全因素等限制较多，学生难以快速真切地获得实验数据。为此，中心设计开发了 “地球物理三维虚拟仿真实验平台系统”（如图5 所示），提供重力、地磁、地电、地震等多个测项的三维虚拟数据及可视化展现，大大提高了学生的学习兴趣，使数据的获取更为便捷，为算法验证等实验的开展提供了便利，也为地球物理学的科研和教学提供了平台。

图4 卫星导航虚拟仿真实验教学系统

图5 地球物理三维虚拟仿真实验平台

4 应用效果

我中心建立了专门的门户网站（图6），集成了多种虚拟仿真实验教学资源，采取分层次、多样化的开放模式，实现校内外共享，扩大受益面。校内测绘类专业，包括测绘工程、地球物理学、导航工程、遥感科学与技术、地理国情监测、地理科学、地理信息工程等专业师生注册后均可免费访问虚拟仿真教学资源、开展虚拟仿真实验。中心每学年服务本校学生近3 000 人。虚拟仿真教学有效弥补了教学空白，改变了传统的实验教学模式，提高了教学质量。学生的知识水平、动手能力和综合分析能力得到了增强，也激发了学生的创新创业意识。例如，2015 届本科毕业生许毅在使用中心的虚拟仿真资源过程中受到启发，对VR技术产生了浓厚兴趣，在考取本校硕士研究生的同时，还作为负责人创办了武汉市珞珈俊德地信科技有限公司，他带领团队研发的Map+VR 智慧城市地图项目先后获得 “2016 年中国测绘地理信息学会工程测量年会” 论文一等奖、“2017 年WGDC 全球地理信息开发者大会”泰伯创客大赛第二名、“第三届全国研究生智慧城市技术与创意设计大赛” 一等奖，其团队也受到原中央政治局委员、国务委员刘延东，全国政协副主席、中国科学技术协会主席万钢，原国家测绘地理信息局副局长李朋德等领导的接见和指导。

图6 中心网站首页

5 结束语

测绘地理信息虚拟仿真实验教学中心依托我校测绘科学与技术的学科优势，立足于学科相关的测绘工程、导航工程和地球物理专业人才培养，紧紧围绕国民经济和社会发展对高层次人才的培养需求，创建了“多层次、系统化、研究型、共享式” 虚拟仿真实验教学培养体系，引入学科发展最新成果，针对高成本、高风险、不可及、不可逆、极端环境下的实验项目，研发了特色鲜明、多专业集成的立体化虚拟仿真实验教学资源和教学系统，涵盖了测绘地理信息教学中的重点难点，有效弥补了教学空白，通过虚实结合、以虚补实、虚实交错等多种教学方式，充分激发学生的科研创新精神、训练他们的实践动手能力，对于提升实验教学效果、提高学生创新能力发挥了重要作用，受到校内外广大师生的好评。

中心将进一步紧跟学科发展，不断完善虚拟仿真实验教学资源，为新时代测绘地理信息人才的培养发挥作用。