無人機實景三維典型應用虛擬仿真實驗課程平臺設計與實施

摘 要：隨著生態文明建設的不斷深入，礦區綜合治理受到廣泛關注。該研究旨在設計并實施一個無人機實景三維典型應用虛擬仿真實驗課程平臺，以應對礦產資源開發中的環境災害問題，并培養新型測繪技術人才。該平臺基于開源WebGIS技術，整合無人機實景三維技術、數據采集與處理、智慧監管應用和規模化項目規劃等教學內容，實現全鏈條的有序整合。通過虛擬仿真實驗，學生能夠在電腦瀏覽器端獨立操作，完成從數據采集到項目管理等一系列任務，有效解決傳統實驗教學中存在的問題。該研究還構建了多維評價方法，全面提升學生的理論理解、操作實踐和創新能力。課程內容不僅涵蓋礦山開采規模化監管技術，還包括豐富的課程思政元素，有助于培養學生的社會責任感、創新精神和實踐能力。研究成果表明，該虛擬仿真實驗平臺能顯著提高學生的技術能力和創新素養，為自然資源現代化管理提供有力的人才支持。

關鍵詞：虛擬仿真實驗；無人機；智慧監管；知識圖譜；課程思政元素

中圖分類號：G644 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2024）31-0102-04

Abstract： With the continuous advancement of ecological civilization construction， the comprehensive management of mining areas has attracted increasing attention. This study aims to design and implement Virtual Simulation Experimental course platform for typical applications of UAV three-dimensional reality， to address environmental disaster issues in mineral resource development and cultivate new types of surveying and mapping technology talents. The platform is based on open-source WebGIS technology and integrates teaching content such as UAV three-dimensional reality technology， data collection and processing， intelligent monitoring applications， and large-scale project planning， achieving an orderly integration of the entire chain. Through virtual simulation experiments， students can operate independently on the computer browser to complete a series of tasks from data collection to project management， effectively solving the problems existing in traditional experimental teaching. This study has also constructed a multidimensional evaluation method to comprehensively enhance students' theoretical understanding， practical operation， and innovative ability. The curriculum content not only covers the technology of large-scale mining monitoring but also includes rich curriculum ideological and political elements， which helps to cultivate students' sense of social responsibility， innovative spirit， and practical ability. Research results show that the virtual simulation experimental platform can significantly improve students' technical ability and innovative literacy， providing strong talent support for the modernization of natural resource management.

Keywords： Virtual Simulation Experiment; UAV; intelligent monitoring; knowledge graph; course ideological and political elements

礦產資源是人類開展生產工作的重要物質前提，然而巨大利益驅使下的非法采礦活動在帶來國有資源流失的同時也帶來了尖銳復雜的環境與災害風險[1]。伴隨我國生態文明建設的力度加大，礦區綜合治理問題得到前所未有的關注，但由于礦區一般地處偏遠、分布零散，相比其他自然資源要素，更容易造成信息化監管缺失或盲區[2]。盡管目前礦產資源開采監管已進入智慧監管時代，但監管數據獲取仍需要大量的人才、物力、財力[3]。而且，礦區開采是三維空間形態下的經濟活動，衛星遙感結合無人機實景三維是當前實現有效監管最優也是最亟需的數據載體[4]。無人機技術的快速發展使傾斜攝影實景三維建模成為了測繪行業的熱潮。實景三維中國建設的提出，也加快推進新型監管技術人才的培養。無人機技術和其他遙感監測技術采集的數據量大、信息復雜，如何對數據進行處理和分析，提取有效信息，需要配備相應的教學人員進行操作、分析和維護，這就需要課程教學聯合監管部門和企業投入一定的人力和物力接受專業的培訓和知識更新，以提高學生相關技術能力。相較于線下教學培訓，線上虛擬仿真課程可以提供更靈活、更經濟、更多樣化的學習體驗，有助于更有效地使用技術進行監管[5]。本項目以在全省米級衛星影像、采礦權為基礎數據，訓練學生如何針對省級規模監測目標礦區進行項目規劃以及數據獲取、分析應用，培養應用現代測繪信息技術全鏈條解決復雜工程問題的能力，這體現了實驗的“家國情懷”和“創新精神”，進一步提升了測繪人的責任感和使命感。

21世紀以來，隨著數字化信息技術的發展，虛擬仿真技術在不同領域展開了多樣化應用，大部分專家學者認為虛擬仿真技術是線上培訓的必然發展方向，利于提高在線培訓信息化水平[6]。王玲玲等[7]將虛擬仿真技術引入實驗教學，保證線上的不間斷實驗教學，解決線下實踐教學中存在場地時間受限的問題。侯建明等[8]基于Unity3D虛擬現實開發平臺，設計礦山救援虛擬仿真演練系統，實現多場景的模擬和控制，為災害救援部門高效演練提供參考。鐘祥華等[9]針對露天礦臺階爆破實驗教學存在的現場實習風險大等問題，對場景進行虛擬設計、三維仿真及動態仿真，拓展了實驗內容、廣度和深度。上述研究都表明，在實驗培訓中融入虛擬仿真技術，能避免線下教學的時間、空間、成本限制，在真實還原礦山場景的同時，能夠有效提高培訓效果。

一 研究目標

本虛擬仿真實驗內容源于工程實際和科研前沿，先試先行將無人機實景三維應用于省級規模礦產資源監管并將實施工作轉化為實驗內容，共同致力于應用型測繪人才的培養。實驗將典型礦山億級像素無人機超清全景、重點礦山高精度無人機實景三維以及全省亞米級高分辨率遙感及采礦權數據極盡精細化對礦山進行數字化呈現，基于開源WebGIS將涵蓋無人機實景三維技術基本操作、數據采集與處理、智慧監管應用和規模化應用項目規劃等生產過程中細碎軟硬件操作系列功能與實景三維礦區數據體按礦區智慧監管的數據采集、處理、分析及項目管理等任務進行全鏈條有序整合，學生在電腦瀏覽器端就能獨立操作且可小組合作完成規模化監管項目學習，較好解決了礦山分布零散且地方偏遠，加上往返不便、場景復雜、安全隱患多給真實實驗帶來了巨大的教學難題。通過本實驗讓學生在短時間內完成熱點技術、新型業務的大型綜合訓練，為面向《實景三維中國建設技術大綱》中建設任務對新型測繪技術應用與自然資源現代化管理的迫切需求人才培養亟需提供綜合實訓實驗配套。課程涉及國際關注以及國家、行業、地方有重大需求的礦山開采規模化監管技術，加上學生基于高精度的實景三維數據體探究和發現礦山開發以及環境災害相關問題，課程思政元素豐富，有助于學生社會責任感、創新精神、實踐能力的綜合培養。

二 課程內容建設

實驗經過精心設計，構建出“理論方法教學+虛擬實物仿真+工程實際操作”實驗架構，設計了“操作性考核+測試性考核+嘗試性考核+創新性考核”實驗目標達成度多維評價方法，全面提升學生理論理解、操作實踐和創新能力。讓學生通過“理論方法教學”夯實理論基礎，通過“虛擬實物仿真”加強新技術及新業務應用的理解，最終在虛擬真實環境下進行“工程實際操作”提升操作技能和培養創新能力。本實驗針對實驗中既包含對學生操作性、測試性等常規要求，也包含嘗試性、創新性的高階要求，設計了“操作性考核+測試性考核+嘗試性考核+創新性考核”多維評價方法，實現了對學生實驗的知識評價、過程評價、能力評價。目標是提升操作技能和培養創新能力，并且培養學生“發現問題-分析問題-解決問題”以及團隊協作的高階學習能力和創新能力，主要內容如下。

（一） 構建“理論方法+仿真訓練+工程實操”的實驗框架，培養學生“知識體系-技術實操-工程應用”的全過程學習模式

實驗分為四個模塊，將持續積累的典型礦山億級像素無人機超清全景，重點礦山高精度無人機實景三維模型，以及亞米級高分辨率遙感影像與采礦權專題數據精細化處理，對礦山進行數字化呈現。基本理論、數據采集與處理、智慧監管應用、規模化應用項目規劃等生產過程中細碎軟硬件操作系列功能，與實景三維礦區空間數據體按數據采集、處理、分析及項目管理等任務步驟進行全鏈條有序整合。

（二） 實驗設計基于“知識模塊”和“知識圖譜”互補的教學邏輯，開發學習過程多維度評價方法，實現學生漸進式和關聯式相結合的“理論知識”學習過程

課程將實驗涉及的知識理論拆解、具體化和結構化，形成“監測對象”和“監測技術”兩大知識體系，共同組成實驗知識背包。拆解為露天礦構成基本要素、露天礦開采相關知識、思政資料、無人機基本知識與操作訓練、實景三維相關知識和智慧監管原理共6個模塊。以漸進式學習方式引導并激發學生學習興趣和探索欲望。在每個模塊下，將對應模塊涉及的知識點轉化為“實體”及其之間的“關系”，構建形成知識圖譜。應用知識圖譜的知識關聯能力，彌補學生學習過程中對部分知識點掌握不佳以及對知識點間的串聯度缺乏，導致難以形成知識面的問題。漸進與關聯式學習方式互補，構建以學生為中心的自主學習模式。同時，實驗開發“創新性+操作性+測試性+嘗試性+設計性”的多維評價方法，靈活區分學生學習過程的多樣性，實現以學生為中心的“因材施教”高階培養思路。

（三） 實驗設計基于“三維實景”和“交互系統”結合的教學方法，將抽象、繁雜的實操過程轉化為重復性、剖解性和探索性融合的“應用技能”掌握方式

本仿真實驗以“實景三維”建設與省域露天礦智慧監管為背景，融合現代測繪信息技術概述和相關新技術的教學內容，為虛擬仿真實驗提供充分的實驗原理方法、開發技術、運行數據等的鋪墊和自然導入。設計以“實景三維”場景為仿真實驗基底，開發基于“無人機系統的實景三維數據采集與處理”“實景三維模型的礦山智慧監管應用”“重大資源管理工程項目技術經濟指標的省級規模化應用規劃”三個交互式學習系統。提供可重復、可剖解和可探索的應用技能掌握方式，讓學生能夠安全、清晰地開展無人機實景三維的采集、處理、應用、開發的仿真實驗，進一步學習視頻、設備感知、互聯網數據等多源傳感器以及多源空地遙感數據在實景三維數據中的融合，為后續課程學習及開展高階的創新創業項目鋪墊更好的知識基礎。

三 虛擬仿真實驗教學平臺構建

此虛擬仿真系統是由Nginx+SpringCloud+SpringBoot+MySQL等組成的基于B/S架構設計的虛擬仿真實驗教學平臺[10]，并基于Cesium的3D數字地球引擎實現三維場景，該場景即為現實礦山的數字孿生版，逼真準確，可量測性高。將細碎軟硬件操作系列功能與生產項目積累的實景三維礦區數據體按礦區智慧監管的數據采集、處理、分析及項目管理等任務進行全鏈條有序整合。提供了進行實驗法、練習法、發現法、任務驅動法、自主學習法、嘗試法和合作學習法多種學習方式并舉的網絡實驗平臺。系統采用輕量化的開發語言JavaScript和模塊化設計方案，部署簡單、使用方便。系統支持微服務等分布式部署方案，可隨使用情況動態擴充容量，基于微服務架構部署還可實現自動擴容，無需人為干預。系統客戶端只需能上網的瀏覽器，用戶使用輕便化，打開網頁即可流暢運行該虛擬仿真系統，實驗原理及架構如圖1所示。

系統包含實驗實訓、實驗報告、實驗指南、數據統計、考試系統、幫助中心、收費系統、安全中心、資源中心、協同服務、動態排名和知識圖譜等功能模塊。系統除支持虛擬仿真實驗外還可上傳視頻和其他文檔資料，支持系統化課程體系學習。系統可對學生實驗、學習數據做詳細記錄并分析每個學生的學習情況和整體學生知識掌握情況，實驗報告系統可對學生提交的實驗報告進行自動批閱也可由教師人工批閱或學生相互閱評。系統用戶可分為教師和學生兩種角色。教師可發布實驗資源，建設實驗課程，設置課程共享信息，可查看發布課程的學習情況，可批閱學生實驗報告和考試。學生可報名參與課程，可觀看報名課程的視頻，操作課程的實驗資源，可查看個人的學習情況，可評價學習課程、參與課程討論，可參與實驗報告互評等。

四 研究成果和特色

實驗方案設計思路特色。針對大規模實景三維以及礦山監管業務現場教學難以開展的難點，將無人機實景三維應用于省級規模監管實施轉化為實驗內容，將傳統教學小實驗教學拓展到大規模實際項目虛擬仿真實驗，設計“知識圖譜關聯式理論學習→無人機實景三維建模→省級規模化工程規劃與應用實施”遞進式實驗環節，體現了實驗的探究性與挑戰度。實驗避免了物理實驗所產生的設備和人身危險性，有序整合依賴多技術、復雜步驟的實施流程，可重復虛擬再現各個礦區的開采狀況以及環境災害問題，全面促進學生對新技術、新業務的知識獲取、實際操作和規律探索，增強測繪人的責任感和使命感，體現“實驗思政”與課程思政的融合。

實驗教學方法創新。針對實驗內容步驟繁雜且抽象的特征，在實驗教學過程中，提出“理論方法教學+虛擬實物仿真+工程實際操作”實驗方法，基于真實運行數據，實現在虛擬環境中做真實驗，實驗結果可以植入真實工程系統運行。通過“理論方法教學”夯實理論基礎，并通過“虛擬實物仿真”加強新技術及新業務應用的理解，在虛擬真實環境下進行“工程實際操作”提升操作技能和培養創新能力。采用實驗情景式、案例驅動式、合作探究式等相融合的教學方法，通過“認知與觀察”“合作學習與比較”“設計與探究”的綜合實驗方法開展實驗，滿足測繪行業及社會對高素質人才的要求。

學生實驗目的達成度評價方法創新。考核覆蓋全面，針對實驗中既包含對學生操作性、測試性等常規要求，也包含嘗試性、創新性的高階要求，設計了“操作性考核+測試性考核+嘗試性考核+創新性考核”多維評價方法。礦區開采狀況監管由學生獨立操作，省級規模化應用規劃由小組合作完成，既考核個人學習掌握情況，也提倡合作式學習、培養團隊合作精神。完成時間、各項得分及總分也將進入成績排行榜，校內外學生在同一平臺競爭，激發學生學習積極性。

五 結束語

本實驗以礦山開采現代化監管為應用場景，結合虛擬仿真技術構建一套基于無人機實景三維的露天礦開采智慧監管虛擬仿真教學系統。培養學生對礦山這一自然資源要素重點監管對象以及監管技術的深刻認知，使學生熟練掌握利用現代測繪信息技術進行自然資源監管的技術方法，映射相關課程思政內容，貫徹落實習近平生態文明思想，幫助學生提升生態文明素養及科技創新意識。研究成果顯示，該仿真實驗相較于真實實驗而言，減少了由于學生技術基礎薄弱直接實操引起“炸機”帶來的人身安全和教學設備損壞的風險，克服由于連接無人機飛行與采集的操作軟件的手機或平板電腦屏幕尺寸小難以讓多數學生觀摩體驗的不便，克服地方偏遠、往返不便、場景復雜及安全隱患多等礦區現場教學的難點，通過虛實結合，較好解決了該課程對設備和場地過度依賴的教學痛點問題。

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基金項目：福建省教育部產學合作協同育人項目“推進實景三維福建建設背景下人才技術提升需求調研與培訓研究”（230819260707307）；福建省教育部產學合作協同育人項目“實景三維創新應用項目化沉浸式實訓基地建設”（231107551090743）；2023年福建省對外合作項目“基于礦山地上地下實景三維與多源物聯網整合構建的礦山智慧監管平臺”（2023I0047）；龍巖市產學研聯合創新項目“基于數字孿生的歷史建筑復合災害監測與預防性保護應用”（2022LYF18001）

第一作者簡介：何原榮（1977-），男，漢族，福建龍海人，博士，教授，碩士研究生導師。研究方向為無人機遙感。