水准测量虚拟仿真实验教学系统设计与实现

郭茜航 罗小龙

摘要：《测量学》是一门理论与实践并重的课程，针对《测量学》传统实验教学方式中存在户外实验受时空限制、测绘仪器不够先进、学生考核方式不合理等问题，以水准测量实验教学为例，利用虚拟现实技术与三维建模技术，构建了交互式水准测量虚拟仿真实验教学系统，阐述了系统的设计思路及技术实现方案。该系统通过3d Max与SketchUp软件分别对测量仪器和测量场景进行三维建模，并基于Unity平台完成虚拟测量场景的集成，利用C#语言进行系统交互开发，实现了仪器结构认知、水准测量原理及方法、水准测量演示、水准测量实训、教学反馈等一系列关键功能。此系统可为测绘学科本科教学改革提供新思路。

关键词：测量学;虚拟仿真;水准测量;Unity;实验教学

Abstract：Surveying is a course that emphasizes both theory and practice. In view of the problems existing in the traditional experimental teaching method of surveying， such as the limitation of outdoor experiment by time and space， the lack of advanced surveying and mapping instruments， and the unreasonable assessment method of students， an interactive virtual simulation experimental teaching system for leveling is constructed by using virtual reality technology and three-dimensional modeling technology， The design idea and technical implementation scheme of the system are described. In this system， 3d Max and SketchUp software are used to model the measuring instrument and measuring scene respectively， and the integration of virtual measuring scene is completed based on unity platform. C # language is used to develop the system interactively. A series of key functions such as instrument structure cognition， leveling principle and method， water level measurement demonstration， leveling training and teaching feedback are realized. This system can provide new ideas for undergraduate teaching reform of Surveying and mapping.

Key words： surveying; virtual simulation; leveling; unity; experimental teaching

《測量学》课程是土木工程、测绘工程、土地管理、GIS等专业的一门专业基础课[1]，其教学过程涉及多个实验教学环节，帮助学生巩固和加深对理论知识的理解，进而提高学生使用测量设备和获取地理空间数据的技能。然而传统测量学实验环节中存在一些局限性，例如，在恶劣天气状况下户外测量实验课程易被取消或推迟，扰乱教学计划;测量实验课时较少，学生在课下不能随时随地进行重复测量作业练习;测量实践课程以多人成组分工协作的形式，教师很难准确地评估每个学生的表现;另外一个重要局限性，测量实验课程场地通常局限在大学校园，由于受到交通成本以及安全问题的限制，造成测量实验课程很难在校外的不同场景下进行。而虚拟现实技术在实验教学中的应用将为打破传统测量学实验教学方式局限性的束缚提供了一个新思路。

目前，国内许多高校围绕临床医学[2]、地质工程[3]、生物工程[4]、土木工程[5]等不同专业进行了虚拟仿真实验教学的探索和实践。对于将虚拟现实技术应用在测绘类专业实验教学中，通过营造身临其境的虚拟测绘实训环境，全面模拟测量仪器操作，学生可获得直观的实践感受，提高学生的实践操作能力，进而提高测绘类专业实验教学水平。范冲等提出基于Quest3D的虚拟测绘实验室的解决方案[6];章迪等提出了武汉大学测绘地理信息虚拟仿真实验教学中心建设思路和具体内容[7];Bolkas等建议测量工程专业使用沉浸式或交互式虚拟现实技术来弥补现实中户外测量实验教学的不足[8]。对于GNSS测量[9]、摄影测量[10]、全站仪[11]等方面虚拟仿真教学研究也取得重大突破，然而具体针对水准仪及水准测量的虚拟仿真实验教学研究较为匮乏。为丰富水准仪及水准测量虚拟仿真教学相关方面的研究，本文将以水准测量为例，建立一个交互式虚拟现实中的水准测量实验教学系统。

1系统设计

1.1系统功能设计

此系统的设计坚持以理论与实践相结合为原则，充分考虑水准测量实验教学需求，让学生直观认识水准仪结构，加强对水准测量理论知识理解，熟悉水准测量方法及作业流程，可在多场景下重复测量作业;促进理论教学向实验教学的过渡，丰富实验教学方式与考核方式，提高教学质量。基于这些需求，将系统设计为仪器结构认知、水准测量原理及方法、水准测量演示、水准测量实训、教学反馈等五个教学子模块，系统的功能模块如图1所示。