无人机实景三维典型应用虚拟仿真实验课程平台设计与实施

摘  要：随着生态文明建设的不断深入，矿区综合治理受到广泛关注。该研究旨在设计并实施一个无人机实景三维典型应用虚拟仿真实验课程平台，以应对矿产资源开发中的环境灾害问题，并培养新型测绘技术人才。该平台基于开源WebGIS技术，整合无人机实景三维技术、数据采集与处理、智慧监管应用和规模化项目规划等教学内容，实现全链条的有序整合。通过虚拟仿真实验，学生能够在电脑浏览器端独立操作，完成从数据采集到项目管理等一系列任务，有效解决传统实验教学中存在的问题。该研究还构建了多维评价方法，全面提升学生的理论理解、操作实践和创新能力。课程内容不仅涵盖矿山开采规模化监管技术，还包括丰富的课程思政元素，有助于培养学生的社会责任感、创新精神和实践能力。研究成果表明，该虚拟仿真实验平台能显著提高学生的技术能力和创新素养，为自然资源现代化管理提供有力的人才支持。

关键词：虚拟仿真实验；无人机；智慧监管；知识图谱；课程思政元素

中图分类号：G644      文献标志码：A          文章编号：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

矿产资源是人类开展生产工作的重要物质前提，然而巨大利益驱使下的非法采矿活动在带来国有资源流失的同时也带来了尖锐复杂的环境与灾害风险[1]。伴随我国生态文明建设的力度加大，矿区综合治理问题得到前所未有的关注，但由于矿区一般地处偏远、分布零散，相比其他自然资源要素，更容易造成信息化监管缺失或盲区[2]。尽管目前矿产资源开采监管已进入智慧监管时代，但监管数据获取仍需要大量的人才、物力、财力[3]。而且，矿区开采是三维空间形态下的经济活动，卫星遥感结合无人机实景三维是当前实现有效监管最优也是最亟需的数据载体[4]。无人机技术的快速发展使倾斜摄影实景三维建模成为了测绘行业的热潮。实景三维中国建设的提出，也加快推进新型监管技术人才的培养。无人机技术和其他遥感监测技术采集的数据量大、信息复杂，如何对数据进行处理和分析，提取有效信息，需要配备相应的教学人员进行操作、分析和维护，这就需要课程教学联合监管部门和企业投入一定的人力和物力接受专业的培训和知识更新，以提高学生相关技术能力。相较于线下教学培训，线上虚拟仿真课程可以提供更灵活、更经济、更多样化的学习体验，有助于更有效地使用技术进行监管[5]。本项目以在全省米级卫星影像、采矿权为基础数据，训练学生如何针对省级规模监测目标矿区进行项目规划以及数据获取、分析应用，培养应用现代测绘信息技术全链条解决复杂工程问题的能力，这体现了实验的“家国情怀”和“创新精神”，进一步提升了测绘人的责任感和使命感。

21世纪以来，随着数字化信息技术的发展，虚拟仿真技术在不同领域展开了多样化应用，大部分专家学者认为虚拟仿真技术是线上培训的必然发展方向，利于提高在线培训信息化水平[6]。王玲玲等[7]将虚拟仿真技术引入实验教学，保证线上的不间断实验教学，解决线下实践教学中存在场地时间受限的问题。侯建明等[8]基于Unity3D虚拟现实开发平台，设计矿山救援虚拟仿真演练系统，实现多场景的模拟和控制，为灾害救援部门高效演练提供参考。钟祥华等[9]针对露天矿台阶爆破实验教学存在的现场实习风险大等问题，对场景进行虚拟设计、三维仿真及动态仿真，拓展了实验内容、广度和深度。上述研究都表明，在实验培训中融入虚拟仿真技术，能避免线下教学的时间、空间、成本限制，在真实还原矿山场景的同时，能够有效提高培训效果。

一  研究目标

本虚拟仿真实验内容源于工程实际和科研前沿，先试先行将无人机实景三维应用于省级规模矿产资源监管并将实施工作转化为实验内容，共同致力于应用型测绘人才的培养。实验将典型矿山亿级像素无人机超清全景、重点矿山高精度无人机实景三维以及全省亚米级高分辨率遥感及采矿权数据极尽精细化对矿山进行数字化呈现，基于开源WebGIS将涵盖无人机实景三维技术基本操作、数据采集与处理、智慧监管应用和规模化应用项目规划等生产过程中细碎软硬件操作系列功能与实景三维矿区数据体按矿区智慧监管的数据采集、处理、分析及项目管理等任务进行全链条有序整合，学生在电脑浏览器端就能独立操作且可小组合作完成规模化监管项目学习，较好解决了矿山分布零散且地方偏远，加上往返不便、场景复杂、安全隐患多给真实实验带来了巨大的教学难题。通过本实验让学生在短时间内完成热点技术、新型业务的大型综合训练，为面向《实景三维中国建设技术大纲》中建设任务对新型测绘技术应用与自然资源现代化管理的迫切需求人才培养亟需提供综合实训实验配套。课程涉及国际关注以及国家、行业、地方有重大需求的矿山开采规模化监管技术，加上学生基于高精度的实景三维数据体探究和发现矿山开发以及环境灾害相关问题，课程思政元素丰富，有助于学生社会责任感、创新精神、实践能力的综合培养。

二  课程内容建设

实验经过精心设计，构建出“理论方法教学+虚拟实物仿真+工程实际操作”实验架构，设计了“操作性考核+测试性考核+尝试性考核+创新性考核”实验目标达成度多维评价方法，全面提升学生理论理解、操作实践和创新能力。让学生通过“理论方法教学”夯实理论基础，通过“虚拟实物仿真”加强新技术及新业务应用的理解，最终在虚拟真实环境下进行“工程实际操作”提升操作技能和培养创新能力。本实验针对实验中既包含对学生操作性、测试性等常规要求，也包含尝试性、创新性的高阶要求，设计了“操作性考核+测试性考核+尝试性考核+创新性考核”多维评价方法，实现了对学生实验的知识评价、过程评价、能力评价。目标是提升操作技能和培养创新能力，并且培养学生“发现问题-分析问题-解决问题”以及团队协作的高阶学习能力和创新能力，主要内容如下。

（一）  构建“理论方法+仿真训练+工程实操”的实验框架，培养学生“知识体系-技术实操-工程应用”的全过程学习模式

实验分为四个模块，将持续积累的典型矿山亿级像素无人机超清全景，重点矿山高精度无人机实景三维模型，以及亚米级高分辨率遥感影像与采矿权专题数据精细化处理，对矿山进行数字化呈现。基本理论、数据采集与处理、智慧监管应用、规模化应用项目规划等生产过程中细碎软硬件操作系列功能，与实景三维矿区空间数据体按数据采集、处理、分析及项目管理等任务步骤进行全链条有序整合。

（二）  实验设计基于“知识模块”和“知识图谱”互补的教学逻辑，开发学习过程多维度评价方法，实现学生渐进式和关联式相结合的“理论知识”学习过程

课程将实验涉及的知识理论拆解、具体化和结构化，形成“监测对象”和“监测技术”两大知识体系，共同组成实验知识背包。拆解为露天矿构成基本要素、露天矿开采相关知识、思政资料、无人机基本知识与操作训练、实景三维相关知识和智慧监管原理共6个模块。以渐进式学习方式引导并激发学生学习兴趣和探索欲望。在每个模块下，将对应模块涉及的知识点转化为“实体”及其之间的“关系”，构建形成知识图谱。应用知识图谱的知识关联能力，弥补学生学习过程中对部分知识点掌握不佳以及对知识点间的串联度缺乏，导致难以形成知识面的问题。渐进与关联式学习方式互补，构建以学生为中心的自主学习模式。同时，实验开发“创新性+操作性+测试性+尝试性+设计性”的多维评价方法，灵活区分学生学习过程的多样性，实现以学生为中心的“因材施教”高阶培养思路。

（三）  实验设计基于“三维实景”和“交互系统”结合的教学方法，将抽象、繁杂的实操过程转化为重复性、剖解性和探索性融合的“应用技能”掌握方式

本仿真实验以“实景三维”建设与省域露天矿智慧监管为背景，融合现代测绘信息技术概述和相关新技术的教学内容，为虚拟仿真实验提供充分的实验原理方法、开发技术、运行数据等的铺垫和自然导入。设计以“实景三维”场景为仿真实验基底，开发基于“无人机系统的实景三维数据采集与处理”“实景三维模型的矿山智慧监管应用”“重大资源管理工程项目技术经济指标的省级规模化应用规划”三个交互式学习系统。提供可重复、可剖解和可探索的应用技能掌握方式，让学生能够安全、清晰地开展无人机实景三维的采集、处理、应用、开发的仿真实验，进一步学习视频、设备感知、互联网数据等多源传感器以及多源空地遥感数据在实景三维数据中的融合，为后续课程学习及开展高阶的创新创业项目铺垫更好的知识基础。

三  虚拟仿真实验教学平台构建

此虚拟仿真系统是由Nginx+SpringCloud+SpringBoot+MySQL等组成的基于B/S架构设计的虚拟仿真实验教学平台[10]，并基于Cesium的3D数字地球引擎实现三维场景，该场景即为现实矿山的数字孪生版，逼真准确，可量测性高。将细碎软硬件操作系列功能与生产项目积累的实景三维矿区数据体按矿区智慧监管的数据采集、处理、分析及项目管理等任务进行全链条有序整合。提供了进行实验法、练习法、发现法、任务驱动法、自主学习法、尝试法和合作学习法多种学习方式并举的网络实验平台。系统采用轻量化的开发语言JavaScript和模块化设计方案，部署简单、使用方便。系统支持微服务等分布式部署方案，可随使用情况动态扩充容量，基于微服务架构部署还可实现自动扩容，无需人为干预。系统客户端只需能上网的浏览器，用户使用轻便化，打开网页即可流畅运行该虚拟仿真系统，实验原理及架构如图1所示。