江心洲湿地演化及野外调查虚拟仿真实验平台建设

于少鹏， 史传奇， 丛东来， 郭 红， 刘宝玲， 周 彬

（1.哈尔滨学院a.地理与旅游学院；b.黑龙江省寒区湿地生态与环境研究重点实验室；c.哈尔滨湿地研究院，哈尔滨 150086；2.黑龙江省国土空间规划研究院，哈尔滨 150090）

0 引 言

虚拟现实作为教学工具和技术手段，以其临场性、多感受性、交互性等诸多优势［1］，已经成为高等教育课程信息化建设中重要的内容。目前，基于Unity3D、Prepar3D、Simulink 仿真软件［2-4］等作为开发工具，虚拟仿真实验平台建设已涵盖生物学［5］、旅游学［6］、天文学［7］、新闻学［8］等多个学科领域，可有效地克服传统实验教学中高成本、高消耗、高污染等缺点，提高学生设计与创新能力，激发学生学习兴趣［9］。并可以通过线上访问开展远程教学，满足疫情期间教学需求［10］。

湿地演化过程复杂，周期漫长［11］，学生很难从文字描述和图片中理解知识要点，野外实践教学受到时空、成本、师资、学时限制而不易开展［12-13］。为顺应环境生态工程专业人才培养目标，依托本校省级重点实验室中湿地测绘遥感室、水质监测室、土壤监测室、空气和噪声监测室及湿地动植物监测室，以哈尔滨阿勒锦岛国家湿地公园江心洲湿地为例，采用虚拟仿真技术实现虚实结合，建设虚拟仿真实验平台，从而解决实验课程中湿地演化过程不易理解、湿地野外调查不易开展的问题。

1 虚拟仿真实验平台建设目标

基于Unity3D、MAYA和3D Studio Max等工具，建设江心洲湿地演化及野外调查虚拟仿真实验平台，可同时满足自然地理学、湿地学、生态监测与评价等课程实验教学要求，实现理论与实践相结合的教学目标。通过江心洲湿地景观演变动画展示，使学生能够直观理解复杂的湿地演化过程；无人机操作模拟，使学生能够初步掌握复合翼无人机组装、飞前检查、设定航线等基本操作流程及航空影像获取方法；湿地野外生态监测模拟操作，使学生能够掌握湿地野外调查的基本内容和步骤，为野外实地调查奠定基础。

2 虚拟仿真实验平台建设内容

建设内容主要包括3 个部分：湿地景观演变过程、湿地航空拍摄及野外生态监测，附加野外监测安全注意事项。湿地景观演变过程以江心洲湿地演化过程为例，利用动画进行演示；湿地航空拍摄包括无人机组装、地面站设置、航空拍摄模拟；野外生态监测包括水体样品采集、土壤样品采集、空气及噪声监测和生物多样性调查。3 部分内容中，既包括基础理论知识，也包括实践技能，充分实现理论与实践相结合的教学目标。建设的江心洲湿地演化及野外调查虚拟仿真实验平台如图1 所示。

图1 虚拟仿真实验平台主界面

2.1 江心洲湿地景观演变过程

湿地景观形成周期漫长，且空间尺度大，传统教学中难以用文字和图片进行讲解。本实验平台所选哈尔滨阿勒锦岛为典型的松花江江心洲湿地，通过播放3D动画展示泥沙堆积、形成心滩、植被演替等江心洲湿地景观演变过程。如图2 所示，3D模型形象、逼真，在知识重点与难点处添加辅助线便于理解。观看过程中，学生跟随动画阅读字幕，可以随时暂停、回放或调节进度，总时长为165 s。配合教师讲解，使抽象概念变得直观易懂。

图2 江心洲湿地景观演变过程动画片段

2.2 湿地航空拍摄

虚拟仿真“无人机”以本校省级重点实验室购置的电动垂直起降复合翼航测无人机为原型建立3D 模型。教师可以在教学中利用真实的无人机和地面站（及软件）进行讲解，演示正确的组装顺序、遥控器调试、飞前检查及地面站软件参数设置，学生在虚拟仿真实验平台中进行模拟操作。可解决学生没有无人机驾驶证及受航空管制的问题。

（1）无人机组装与调试。虚拟仿真实验平台中无人机组装时，学生需按照正确的组装顺序进行操作，顺序完全正确可得满分，错误时扣分［见图3（a）］。无人机为3D模型，组装过程中可使用鼠标操作，从不同角度放大观察无人机部件，鼠标指针停留在无人机部件上时，显示该部件名称。无人机组装完成后，使用鼠标或遥控器（外接）进行起降、飞行姿态调试［见图3（b）］。

（2）无人机地面站设置。如图3（c）所示，点击“控制指令”可做机务检查、常规检查、航电检查等飞前检查指令。最终确认后，可设定无人机自动飞行路线，预设矩形、Z形、多边形航线，也可通过单击鼠标右键添加坐标点设定任意航线。同时，需设定飞行时间。点击“立即起飞”可预览飞行。地图可点击缩放，也可向各方向移动［见图3（d）］。

（3）无人机航空拍摄模拟。利用遥控器或键盘操作模拟飞行［见图3（e）］，可调整无人机飞行方向、高度。通过左上方小窗口预览拍摄影像，记录地理坐标和飞行高度，点击“相机”按钮进行垂直摄影，保存影像为jpg图片格式作为实验报告［见图3（f）］。可对地形地貌、水系分布、植被覆盖等数据进行后续分析。

图3 湿地航空拍摄模拟

2.3 野外生态监测

参考《国家湿地公园生态监测技术指南》［14］，本部分模拟教师科研项目中湿地野外生态监测过程，内容主要包括水体、土壤样品采集，空气及噪声监测，生物多样性调查。学生可根据各实验步骤中所附操作说明和实验方法，在教师指导下逐步完成，提交相应的实验报告。

（1）水体样品采集。使用键盘控制人物行走方向（可加速），依次前往已设置好的3 个采样点，根据图4（a）中左下方文字提示，点击背包中水样采集器、水质检测仪、溶解氧仪等工具进行水体样品采集及水体温度、pH值、溶解氧含量等常规指标检测。采集完成后，根据提示，在水体样品采集记录表［见图4（b）］中填写相应数据信息，保存提交作为实验报告。

（2）土壤样品采集。分别前往3 个采样点进行土壤样品采集［见图4（c）］，使用背包中的土钻进行样品采集，取出土壤样品后使用分样筛去除杂质，称重，装入土壤样品盒，提示将土壤样品低温保存带回实验室。记录采样点处土壤温度、取样深度、取样质量等相应数据，保存提交作为实验报告。

（3）空气及噪声监测。空气及噪声监测［见图4（d）］同样设置3 个监测点，依次使用背包中温湿度计、负氧离子检测仪、噪声检测仪等工具，检测空气温度、湿度、负氧离子浓度等常规指标及环境噪声强度。检测完成后，提示记录检测数据，保存提交作为实验报告。

（4）生物多样性调查。生物多样性调查（见图5），包括野生高等植物、野生高等动物、浮游和底栖生物采集3 个环节。野生高等植物多样性调查采用样方法，在森林、灌丛、草本植物群落中，分别选择背包中已设定的20 m × 20 m、5 m × 5 m和1 m × 1 m样方。野生高等动物多样性调查采用样线法，沿途记录所见野生动物，使用背包中昆虫网、渔网，分别在相应位置调查昆虫和鱼类多样性。浮游和底栖生物多样性调查中，前往采集地点，使用背包中水样采集器、浮游生物网、彼得逊底泥采集器等工具进行相应样品采集，并提示如何保存带回实验室。生物多样性调查表中，如植物群落特征，物种中文名、拉丁名等信息，需在教师指导下填写，全部信息填写完成后，保存提交作为实验报告。

图5 野外生物多样性调查虚拟仿真操作界面

3 虚拟仿真实验平台建设特点

教师将科研成果融入实验教学内容中，可以使学生接触行业的最新发展动态，了解最新的行业需求［15］。本实验平台建设是以本校省级重点实验室已完成的湿地公园、湿地自然保护区生态监测科研项目成果为例，将教学与科研项目相融合，使本实验操作更具有真实感和实用性。实验过程操作步骤多，互动次数增加，如无人机航空摄影可使用遥控器模拟操作，增加体验感和趣味性，激发学生学习兴趣，有效提高学生操作能力。

该实验平台应用范围广，可适用于地理科学、地理信息科学、环境生态工程等不同专业的多门课程实验教学，在本校可同时应用于自然地理学、湿地学、生态监测与评价等专业核心课及专业方向课之中。实验平台将采取线上共享方式，学生亦可远程下载安装到本地计算机客户端使用。

虚拟仿真实验平台建设中，人物与场景由师生共同设计，坚持以学生为中心，充分发挥学生想象力与创新能力。同时，在生物多样性调查虚拟仿真操作中，提示学生捕捉野生动物后需放生，具有湿地保护宣传教育作用，提高学生保护生态环境的意识，增强学生的社会责任感。

4 结 语

完成江心洲湿地演化及野外调查虚拟仿真实验平台建设项目并应用于实验教学环节，有效地解决了湿地演化过程不易理解、湿地野外调查不易开展的问题。将我校省级重点实验室所承担的科研项目作为案例融入实验平台建设之中，使虚拟仿真实验内容有据可依，更加贴近现实。同时，师生共同参与实验平台建设，提高了实验教学中学生的实践能力和创新能力，完成教学目标，并达到了良好的教学效果。今后，该实验平台在使用中仍会发现新问题或有更好的创意，需在此版本基础上不断地加以改进，以期更加完善。