水準測量虛擬仿真實驗教學系統設計與實現

郭茜航 羅小龍

摘要：《測量學》是一門理論與實踐并重的課程，針對《測量學》傳統實驗教學方式中存在戶外實驗受時空限制、測繪儀器不夠先進、學生考核方式不合理等問題，以水準測量實驗教學為例，利用虛擬現實技術與三維建模技術，構建了交互式水準測量虛擬仿真實驗教學系統，闡述了系統的設計思路及技術實現方案。該系統通過3d Max與SketchUp軟件分別對測量儀器和測量場景進行三維建模，并基于Unity平臺完成虛擬測量場景的集成，利用C#語言進行系統交互開發，實現了儀器結構認知、水準測量原理及方法、水準測量演示、水準測量實訓、教學反饋等一系列關鍵功能。此系統可為測繪學科本科教學改革提供新思路。

關鍵詞：測量學;虛擬仿真;水準測量;Unity;實驗教學

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

《測量學》課程是土木工程、測繪工程、土地管理、GIS等專業的一門專業基礎課[1]，其教學過程涉及多個實驗教學環節，幫助學生鞏固和加深對理論知識的理解，進而提高學生使用測量設備和獲取地理空間數據的技能。然而傳統測量學實驗環節中存在一些局限性，例如，在惡劣天氣狀況下戶外測量實驗課程易被取消或推遲，擾亂教學計劃;測量實驗課時較少，學生在課下不能隨時隨地進行重復測量作業練習;測量實踐課程以多人成組分工協作的形式，教師很難準確地評估每個學生的表現;另外一個重要局限性，測量實驗課程場地通常局限在大學校園，由于受到交通成本以及安全問題的限制，造成測量實驗課程很難在校外的不同場景下進行。而虛擬現實技術在實驗教學中的應用將為打破傳統測量學實驗教學方式局限性的束縛提供了一個新思路。

目前，國內許多高校圍繞臨床醫學[2]、地質工程[3]、生物工程[4]、土木工程[5]等不同專業進行了虛擬仿真實驗教學的探索和實踐。對于將虛擬現實技術應用在測繪類專業實驗教學中，通過營造身臨其境的虛擬測繪實訓環境，全面模擬測量儀器操作，學生可獲得直觀的實踐感受，提高學生的實踐操作能力，進而提高測繪類專業實驗教學水平。范沖等提出基于Quest3D的虛擬測繪實驗室的解決方案[6];章迪等提出了武漢大學測繪地理信息虛擬仿真實驗教學中心建設思路和具體內容[7];Bolkas等建議測量工程專業使用沉浸式或交互式虛擬現實技術來彌補現實中戶外測量實驗教學的不足[8]。對于GNSS測量[9]、攝影測量[10]、全站儀[11]等方面虛擬仿真教學研究也取得重大突破，然而具體針對水準儀及水準測量的虛擬仿真實驗教學研究較為匱乏。為豐富水準儀及水準測量虛擬仿真教學相關方面的研究，本文將以水準測量為例，建立一個交互式虛擬現實中的水準測量實驗教學系統。

1系統設計

1.1系統功能設計

此系統的設計堅持以理論與實踐相結合為原則，充分考慮水準測量實驗教學需求，讓學生直觀認識水準儀結構，加強對水準測量理論知識理解，熟悉水準測量方法及作業流程，可在多場景下重復測量作業;促進理論教學向實驗教學的過渡，豐富實驗教學方式與考核方式，提高教學質量。基于這些需求，將系統設計為儀器結構認知、水準測量原理及方法、水準測量演示、水準測量實訓、教學反饋等五個教學子模塊，系統的功能模塊如圖1所示。