郭茜航 羅小龍

摘要：《測(cè)量學(xué)》是一門理論與實(shí)踐并重的課程，針對(duì)《測(cè)量學(xué)》傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式中存在戶外實(shí)驗(yàn)受時(shí)空限制、測(cè)繪儀器不夠先進(jìn)、學(xué)生考核方式不合理等問(wèn)題，以水準(zhǔn)測(cè)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與三維建模技術(shù)，構(gòu)建了交互式水準(zhǔn)測(cè)量虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，闡述了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路及技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案。該系統(tǒng)通過(guò)3d Max與SketchUp軟件分別對(duì)測(cè)量?jī)x器和測(cè)量場(chǎng)景進(jìn)行三維建模，并基于Unity平臺(tái)完成虛擬測(cè)量場(chǎng)景的集成，利用C#語(yǔ)言進(jìn)行系統(tǒng)交互開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了儀器結(jié)構(gòu)認(rèn)知、水準(zhǔn)測(cè)量原理及方法、水準(zhǔn)測(cè)量演示、水準(zhǔn)測(cè)量實(shí)訓(xùn)、教學(xué)反饋等一系列關(guān)鍵功能。此系統(tǒng)可為測(cè)繪學(xué)科本科教學(xué)改革提供新思路。

關(guān)鍵詞：測(cè)量學(xué);虛擬仿真;水準(zhǔn)測(cè)量;Unity;實(shí)驗(yàn)教學(xué)

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(cè)量學(xué)》課程是土木工程、測(cè)繪工程、土地管理、GIS等專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課[1]，其教學(xué)過(guò)程涉及多個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，幫助學(xué)生鞏固和加深對(duì)理論知識(shí)的理解，進(jìn)而提高學(xué)生使用測(cè)量設(shè)備和獲取地理空間數(shù)據(jù)的技能。然而傳統(tǒng)測(cè)量學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中存在一些局限性，例如，在惡劣天氣狀況下戶外測(cè)量實(shí)驗(yàn)課程易被取消或推遲，擾亂教學(xué)計(jì)劃;測(cè)量實(shí)驗(yàn)課時(shí)較少，學(xué)生在課下不能隨時(shí)隨地進(jìn)行重復(fù)測(cè)量作業(yè)練習(xí);測(cè)量實(shí)踐課程以多人成組分工協(xié)作的形式，教師很難準(zhǔn)確地評(píng)估每個(gè)學(xué)生的表現(xiàn);另外一個(gè)重要局限性，測(cè)量實(shí)驗(yàn)課程場(chǎng)地通常局限在大學(xué)校園，由于受到交通成本以及安全問(wèn)題的限制，造成測(cè)量實(shí)驗(yàn)課程很難在校外的不同場(chǎng)景下進(jìn)行。而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用將為打破傳統(tǒng)測(cè)量學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式局限性的束縛提供了一個(gè)新思路。

目前，國(guó)內(nèi)許多高校圍繞臨床醫(yī)學(xué)[2]、地質(zhì)工程[3]、生物工程[4]、土木工程[5]等不同專業(yè)進(jìn)行了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索和實(shí)踐。對(duì)于將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在測(cè)繪類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，通過(guò)營(yíng)造身臨其境的虛擬測(cè)繪實(shí)訓(xùn)環(huán)境，全面模擬測(cè)量?jī)x器操作，學(xué)生可獲得直觀的實(shí)踐感受，提高學(xué)生的實(shí)踐操作能力，進(jìn)而提高測(cè)繪類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平。范沖等提出基于Quest3D的虛擬測(cè)繪實(shí)驗(yàn)室的解決方案[6];章迪等提出了武漢大學(xué)測(cè)繪地理信息虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)思路和具體內(nèi)容[7];Bolkas等建議測(cè)量工程專業(yè)使用沉浸式或交互式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)彌補(bǔ)現(xiàn)實(shí)中戶外測(cè)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足[8]。對(duì)于GNSS測(cè)量[9]、攝影測(cè)量[10]、全站儀[11]等方面虛擬仿真教學(xué)研究也取得重大突破，然而具體針對(duì)水準(zhǔn)儀及水準(zhǔn)測(cè)量的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究較為匱乏。為豐富水準(zhǔn)儀及水準(zhǔn)測(cè)量虛擬仿真教學(xué)相關(guān)方面的研究，本文將以水準(zhǔn)測(cè)量為例，建立一個(gè)交互式虛擬現(xiàn)實(shí)中的水準(zhǔn)測(cè)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)堅(jiān)持以理論與實(shí)踐相結(jié)合為原則，充分考慮水準(zhǔn)測(cè)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求，讓學(xué)生直觀認(rèn)識(shí)水準(zhǔn)儀結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)對(duì)水準(zhǔn)測(cè)量理論知識(shí)理解，熟悉水準(zhǔn)測(cè)量方法及作業(yè)流程，可在多場(chǎng)景下重復(fù)測(cè)量作業(yè);促進(jìn)理論教學(xué)向?qū)嶒?yàn)教學(xué)的過(guò)渡，豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式與考核方式，提高教學(xué)質(zhì)量?；谶@些需求，將系統(tǒng)設(shè)計(jì)為儀器結(jié)構(gòu)認(rèn)知、水準(zhǔn)測(cè)量原理及方法、水準(zhǔn)測(cè)量演示、水準(zhǔn)測(cè)量實(shí)訓(xùn)、教學(xué)反饋等五個(gè)教學(xué)子模塊，系統(tǒng)的功能模塊如圖1所示。