虚拟仿真软件在测量专业教学中的应用

毋利娜

（1.晋城职业技术学院，山西 晋城 048026）

虚拟仿真技术，又称虚拟现实技术[1]，涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等[2]。虚拟仿真技术因其沉浸性、交互性、虚幻性、逼真性等特点[3]，已被应用于多个专业领域，并在一些专业实践教学中发挥了极大作用。测量专业是一门理论与实践紧密结合的专业，实践性较强[4]，对学生实践能力的培养具有很高的标准和要求[5-6]。在教学过程中，除保证学生掌握基础理论知识外，更需注重培养学生的实践操作能力。在理论教学过程中，教师基本通过教材和相应的仪器操作进行讲解[2,7]，而在教室后方的学生可能看不清仪器的构造和操作，因此不能达到很好的教学效果；在实习环节，连续雨天、设备和场地的限制将影响实习的进度和效果，而引入虚拟仿真软件可在一定程度上解决测量实习的难题。测绘虚拟仿真软件可保证每个学生都能清晰地观察到仪器的架设过程，并可亲自在计算机上对测量仪器进行模拟操作，同时方便教师考察学生的学习程度。同时，虚拟仿真软件还有助于教学改革，在不具备线下实践教学的情况下，可进行线上实践模拟仪器操作，更好地提高学生的学习兴趣，培养学生的实践能力、创新能力和组织能力[8]。

1 测量实践教学存在的问题

1）现场条件受限。通常测量学课内实习以校园内部为实习场地，而校园面积有限[9]，以晋城职业技术学院为例，道路多为单车道、宽度不够，测量实习时架设三脚架将占用部分道路；同时行车较多，存在安全隐患，对测量实践教学有一定的影响。

2）实践测量考核方式存在缺陷。由于工程测量的专业特点，实习时由测量员、记录员、扶杆员等组成一个小组，共同完成测量实习作业，因此提交的作业是小组的整体成果，无法评判每个学生的成绩，体现不出差异性，考核成绩不全面[9-10]。

3）学生管理存在难度。在测量实践中，数字测图需在面积较大的范围内进行，学生分散在学校的不同地方，在只有一个测量教师的情形下，很难及时考察到每个小组的测量情况，管理存在难度。

4）实习时间有限。在工程测量基础课传统教学中，采用先理论后实践的模式，高职大专学生可能对理论知识抽象化的理解存在一定的难度，教学效率较低。同时，在一个学期中，若理论课课时过多，将会压缩实习时间，学生无法在有限的时间里最大限度地掌握操作仪器的程序和测量观测的程序，接受测量知识的效率也较低。

2 数字测图虚拟仿真软件在测量教学中的应用

2.1 虚拟仿真软件

目前由南方测绘公司研发的虚拟仿真软件采用3ds Max技术，模拟的仪器类型包括水准仪、全站仪、GPS等，可在三维状态下对仪器进行相应操作，并可利用模拟仪器完成测量流程任务[11-12]。应用系统主要由计算机硬件、软件组成，在模拟三维场景中可对模拟水准仪进行整平、调焦，读取水准尺刻度；可对全站仪进行安置、对中、圆气泡粗略整平、长水准管精确整平、目镜与物镜调焦；可对GPS基准站与移动站进行设置，在固定解状态下进行GPS动态测量，与现实测量仪器中的操作几乎一样。虚拟仿真软件的模块构成如图1所示。

图1 虚拟仿真软件的模块构成

2.1.1 仪器设置

训练营模块主要是对仪器架设过程的还原，目的是使学生了解和掌握测量仪器的操作步骤。训练营模块包括架设基准站、架设移动站、求解不同坐标系转换参数、架设全站仪、校正向导、导入导出GPS和全站仪数据等功能，可帮助学生提前熟悉所用仪器，并对相应仪器进行操作，为后续实习操作提供基础，节省时间。GPS设置参数界面如图2所示，全站仪设置界面如图3所示。

图2 GPS参数设置界面

图3 全站仪设置界面

2.1.2 测量项目观测

练习模块负责测量项目的正常观测，包括水准测量、导线测量和数字测图。水准测量可按国家三、四等水准要求进行观测，导线测量可按国家二等导线进行观测，数字测图中可结合全站仪和GPS进行测量。虚拟仿真软件一一对应了测量教材中的相关内容，可使学生很好地掌握基础测量的观测程序，为后续室外实习做好准备。

本文以虚拟仿真软件中的数字测图为例进行介绍，测图中采用的测量仪器包括全站仪、GPS等。首先通过手簿对基准站和移动站进行蓝牙链接，再通过移动网络的形式进行系统设置，使手簿由单点解变成固定解，设置成功。在利用全站仪测量时，全站仪架设在测站上，进行对中整平、调焦等操作，望远镜照准后视点，建站调入已知点坐标，做好准备工作。设置完成相关仪器后，即可进行相应的测图工作。

2.2 数字测图过程

根据数字测图所需的相关知识以及虚拟仿真软件中的相关场景，在虚拟仿真软件的练习模块中进行相关测量（图4），以达到使学生掌握相关测量仪器使用方法和了解数字测图过程的目的。虚拟场景数字测图训练成果如图5所示。

图4 虚拟场地

图5 虚拟场景数字测图训练成果

数字测图的具体流程为：

1）架设基准站、移动站，利用手簿对基准站、移动站进行蓝牙链接并设置参数。

2）新建工程，在至少3个已知控制点上进行控制点测量，求取转换参数并应用。

3）测量房屋特征点，若采用GPS进行测量，由于GPS的相位中心与房屋特征点不能重合，导致数据误差较大，因此可采用全站仪进行测量。在全站仪测量前，需在房屋周边进行勘察并布设碎步控制点；再利用移动站在布设点上进行测量，得到已知点坐标；最后导出GPS移动站控制点坐标数据。

4）在房屋周围控制点上架设全站仪，对中整平仪器，导入控制点坐标、建站，对准后视点，采用无棱镜合作模式进行房屋特征点的数据采集，最后导出全站仪房屋测点数据。

5）对于测图区域其他地形地物，可采用GPS移动站进行数据采集，再导出碎步点数据。

6）在South Map或南方CASS软件中，对控制点数据和地形地物数据进行展点，对地形图进行编辑，完成基本成果，如图5所示。

通过虚拟仿真软件的相应测量，得到测图过程中的部分数据如表1所示，其中K为控制点，Z为GPS仪器坐标转换前的观测数据，J为GPS仪器坐标转换后在已知点上的检测数据，P为GPS仪器在其他地物点的数据，Q为全站仪测得的房角点，可以看出，坐标转换后1、2、3号点上原始已知点数据与检测数据的误差不大（表2），即J-K，满足正常测量需求。由数字测图和实验数据可知，在虚拟仿真软件中也可完成相应的测量实习项目，使学生掌握测量项目的前后程序，还可节省室外实习时学生从一个观测点走到另一个观测点的时间。

表1 数字测图数据/m

表2 点位检测误差/mm

通过虚拟仿真教学，可在软件操作过程中将课本理论知识与现场仪器操作紧密联系起来，很好地展示仪器的构成，如全站仪的基座、度盘、望远镜、脚螺旋等，让学生有一个形象的认识；可演示仪器的操作过程，如三脚架的架起，全站仪的对中、粗平、精平，使学生置身于实际测量的操作环境，与虚拟环境进行互动；在具体测量项目中，可提高学生的思维能力、动手能力和组织能力。虚拟仿真技术应用于测量专业教学，对加强测量学课程改革、教学方法的变化和培养测量技术人才具有极大意义[13]。虚拟仿真软件的利用极大地节省了学生的实习时间和提高了学生的实践操作效率，使学生有了整体认识。

3 虚拟仿真软件在测量教学中的应用优势

1）在传统测量仪器实习中，需以4～5人为一个小组共同合作才能完成一条水准路线或导线的观测，这样虽可增加学生的团体意识，但其弊端是成果体现的是小组整体成绩，无法准确判断个人实习的效果；而在测量虚拟仿真软件中，完全可由个人单独完成一个测量项目，充分发挥个人潜能，且根据测量数据可对每个学生进行考核，得到的成绩更加公平公正。

2）在测量专业教学中引入虚拟仿真软件，在课堂教授理论知识的同时运用虚拟仿真软件模拟，可加深学生对仪器操作和外业作业流程的认识和理解[9]，使抽象的概念具体化，避免了学生的抽象性理解，增加了学生对课堂知识的感性认知，提高了教学质量[14]。

3）在传统测量实训教学中，若遇到连续下雨天气，则无法进行室外测量作业；而利用虚拟仿真软件练习学习，则无需考虑天气变化。

4）虚拟仿真软件可模拟一个测量项目的全过程，从新建项目开始到模拟环境中的实地勘察，再到点、角度、距离的测量以及数据处理，这样完整的测量环节，可锻炼学生的设计能力和组织能力。

4 结语

虚拟仿真技术在教学过程中以现实环境为基础，使教学方式更加灵活，极大地提高了学生的学习兴趣。学生掌握相应理论知识后，可在虚拟仿真软件中进行反复练习，加深对理论知识的理解，然后在室外进行相应的实际操作，可达到更好的教学效果。虚拟仿真技术改变了传统教学模式，在学生学习过程中以交互的方式进行测量观测操作，提高了学生的整体认知水平。虚拟仿真教学离不开实操，无论仿真系统多么逼真，永远无法取代实操。在以后的教学中需要采用理论知识、仿真软件练习、室外操作相结合的方式教学，以提高教学质量。