基于云端的信息化测绘网络教学平台设计与开发

张 敏， 郑 哲

（1.福建信息职业技术学院建筑工程学院，福州 350003；2.福建省地质测绘院，福州 350011）

0 引 言

随着教育信息化工作的不断推进，构建“网络化、数字化、个性化、终身化”的教育体系，建设“人人皆学、处处能学、时时可学”的学习型社会［1-4］，推动形成基于信息技术的新型教育教学模式与教育服务供给方式，是教育现代化发展的内涵和建设思路。然而，当前测绘地理信息教育教学信息化发展存在瓶颈。①缺乏有效的信息化技术手段突破实践教学条件限制。主要集中在：首先，测绘作为实践性极强的工科课程，其教学体系安排中实践课程占比大，需大量使用仪器设备，而受院校仪器不足、仪器维修成本高昂等实践条件限制，造成学生实践群体面小，无法惠及所有学生个体；其次，实践教学场地单一，在应对不同工程领域的场景变化需求方面，极少数院校能够建设满足不同工程应用场景的实训场所；此外，时空、气象、疾病等不可控因素对实践教学产生巨大影响，这也是疫情期间测绘学科实践教学较难开展的根本原因。②缺乏有效的信息化技术手段完善实践教学组织。主要集中在：首先，学生个体能力不同，单一的教学模式无法满足差异化教学需求；其次，传统教学存在理论与实践的“两层皮”现象，知行难合一，理论与实践的过渡存在问题；此外，教师实践指导面向的学生群体多、分散，难以有效监管学生个体、小组的实践情况，实践教学缺乏科学、合理的评价手段。

探索基于信息技术的教学改革方法成为测绘地理信息教育教学改革的重要思路和途径。当前已有多所院校尝试应用虚拟仿真技术来丰富教学手段、突破实践教学条件限制，如河南理工大学运用3 ds Max 开发了水准仪模型［2］，并对其测量过程进行三维模拟；中国矿业大学基于Unity 3D 虚拟现实引擎进行全站仪虚拟仿真教学系统设计［3］及GNSS虚拟仿真教学系统设计；武汉大学设计实现地面数字化测图模拟与仿真平台［5-6］，并进一步建成测绘地理信息虚拟仿真实验教学中心［7］；中南大学基于Quest3D 进行全站仪的虚拟仿真实验设计［8］；辽宁工程技术大学实现DS3 型自动安平水准仪测绘仪器的三维可视化动态操作［9］；桂林理工大学开发了无人机摄影测量虚拟仿真教学系统［10］；太原理工大学构建虚拟的矿山测量学习环境，设计了井下测量虚拟仿真程序［11］；中国人民大学针对地籍测量建立三维虚拟仿真实验教学体系［12］；南方测绘研发了数字测图虚拟仿真系统［13］等。这些研究课题一定程度上促进测绘地理信息教育教学改革的发展，但技能点覆盖不广，教学深度不够全面，仅局限在某一种仪器或者某一个工种领域，且仅在本科院校局部范围内进行改革探索研究，并未形成可推广、可复制的教学模式和手段。因此，本文提出了“互联网+测绘”的教育改革思路，设计并研发基于云端的信息化测绘网络教学平台，既满足线上虚拟仿真教学需求，又满足线下真实实训需求；既能满足教师教学需求，又能满足学生技能拓展训练需求，建成“人人皆学、处处能学、时时可学”网络学习空间。

1 网络教学平台架构与设计

1.1 平台整体架构

如图1 所示，平台整体框架采用了层次化设计思想，以实现不同层次间的相互独立性，保障系统的高度稳定性、实用性和可扩展性［14］。

图1 网络教学平台架构

（1）基础设施层。该层提供平台操作系统、基本网络操作等基础软件环境，以及提供平台运行所依赖的计算机设施、服务器设施、网络设施、安全设施等硬件环境。

（2）数据层。作为平台的数据支撑，包括三维实景模型、仪器模型、教学资源等。

（3）服务层。该层为平台的研发提供基础平台支撑，采用Web Service 集成框架技术，以松耦合方式依据Web Service 规范进行平台模块化开发，综合应用JAVA、C#、VUE、H5 等语言实施应用开发。

（4）应用层。该层在平台服务层的基础上，面向用户提供不同的应用，包括教学资源管理、虚拟仿真实验、线下移动式实验平台、数据评分系统、教务综合管理等。

（5）用户层。该层系统的使用用户，通过SAAS应用门户访问平台。

除了上述五层架构外，还须建立相应的信息化技术标准、规范与信息管理制度体系，保证信息有序，防止信息管理混乱，使平台建设和运作有章可循。

1.2 网络教学平台设计

如图2 所示，基于云端的信息化测绘网络教学平台主要包含教学资源管理模块、线上虚拟仿真实验模块、线下移动式实验平台、数据评分系统、教务综合管理模块，提供了教学资源应用、虚拟仿真实验、线下实训操作、智能评分、教务管理等功能。

图2 网络教学平台功能模块

1.2.1 教学资源管理

按照教学大纲，以虚拟化形式提供原理动画、仪器构造、仪器使用、模拟读数等大量碎片化教学资源，同时集成其他多种数据格式的教学资源，供师生在线教学使用（见图3）。

图3 网络教学资源

1.2.2 线上虚拟仿真实验

依据教学标准，考虑实训教学的普适性，挑选水准测量、角度测量、导线测量、数字测图、工程施工测量等30 个实验项目，在脚本设计、场景、设备、操作虚拟化完成的基础上，基于数据采集流程和规范，开发建设虚拟仿真实验模块，满足学生的基本技能训练和专业技能训练需求（见图4）。

图4 线上虚拟仿真实验项目

平台支持虚拟实验任务发布与管理、场景任意布设控制点等功能，能够按照数据采集流程和规范进行虚拟化操作，在虚拟场景中进行人物驱动、行走、漫游，能够进行仪器的准备、架设，能够驱动仪器进行瞄准、观测、数据采集，能够记录观测数据并驱动场景进行下一步操作。同时平台支持操作跟踪，实时记录技能错误点、统计数据采集情况，形成实验操作记录，并根据技能操作和数据采集情况，综合评定仿真实验成绩。

1.2.3 线下移动式实验平台

线下提倡“无纸化”实践教学模式，于移动端配套开发建设符合教学标准、企业生产流程的电子手簿及其相应的管理体系，实现线上线下一体化教学（见图5）。

图5 线下移动式实验平台

线下移动式实验平台同步匹配建设30 个实验项目，平台支持实验任务发布、学生分组、控制点管理、成绩评定等管理功能。教师根据教学进程安排，完成虚拟仿真实验教学后，即可发布相应的线下实验项目。学生在移动端接收到教师发布的实验任务，打开电子手簿开始数据记录、计算、成果整理、成果提交。平台同样能够实时统计数据采集情况，形成数据采集记录，并可根据设定的实验评价方式、成绩组成，按照一定的权重比例，综合评定实验成绩，从而构建科学、合理的评价方式。

1.2.4 数据智能评分

无论是线上虚拟仿真实验教学，还是线下移动式实验平台均建设数据智能评分系统，对学生的每一次操作进行跟踪记录，同时结合职业技能大赛相关赛事，考虑教学中的实际需求，开发建设二等水准和数字测图智能评测系统。系统能够支持现场评分，允许制定评分规则，根据评分规则对数据采集情况或绘图情况进行智能评分，改变传统人工判分耗时、耗力的情况，提高评分效率（见图6）。

1.2.5 教务综合管理

基于教学管理需求开发集日常教务管理（包含教师管理、班级管理、学生管理、课程管理、作业管理、题库管理、试卷管理、成绩管理等）和考试考核于一体的综合性教学管理系统（见图7）。

图7 教务综合管理

2 网络教学平台开发的关键技术

2.1 数据环境建构技术

应用倾斜摄影、激光三维扫描等三维实景技术和仪器建模技术进行底层数据环境建构。其中三维实景技术指采用空地联合技术，结合倾斜摄影测量、激光三维扫描的方式构建真实的三维场景模型，亦称三维实景模型。即通过无人机、手持扫描仪、相机等采集设备，根据多个角度采集的带有数学基础的影像信息、不同倾角相机之间的相对位置关系的描述文件、下视影像的外方位元素、像控点成果等进行区域网平差求解所有影像的外方位元素，再根据两张相片摄影中心点之间的位置关系逐一在范围内进行像对点云匹配、合并，根据合并后的点云文件创建三维模型。应用LOD技术创建纹理细节层次［15］，并根据视点远近自动进行纹理映射，自动生成高精度、高分辨率、带有真实纹理的实景三维模型。

仪器建模则按照1∶1比例进行实体建模，建模前总结出不同类型仪器的主要部件及主要的轴线关系，确定不同模型的制作要点和注意事项，并拍摄整体及部件照片，分别处理成Front、Side、Top 3 个视图，在Maya软件中严格按照模型尺寸，综合运用Nurbs 建模、Polygon 建模方法进行仪器三维模型构建，再赋以真实的仪器纹理、材质，经渲染构建出1∶1的真实仪器模型。

2.2 实验项目的虚拟化设计

应用Unity3D技术，在规范的数据采集流程基础上，进行30 个虚拟仿真实验教学设计。在整合图形引擎、物理引擎、碰撞引擎、脚本引擎、艺术资源管理等多个引擎完成实验项目虚拟化设计的基础上，在虚拟场景中通过VUE进行数据表格记录，采用Beetl 模板引擎，实现响应的数据绑定，将表格与模型驱动、设备操作、数据采集虚拟化等操作串联在一起，使得沉浸式、感知式的测绘教学环境应用成为可能，构筑起虚拟化的实验环境，打破硬件限制、时空限制、场地限制等，丰富教学应用场景。

2.3 自主性底层框架结构设计

以松耦合方式进行模块化开发，采用Spring Boot 3 层架构，以Spring Boot 2 为基础进行底层框架结构设计，共有表示层-业务层-访问层，表示层负责对用户的请求接受、数据返回，为客户端提供应用程序的访问；业务层负责对数据层的操作；数据访问层完成对各个数据文件的操作。

2.4 分布式虚拟现实技术

采用SAAS 部署模式，其系统分层是：租户识别＞应用层＞虚拟机层＞服务器层＞基础设施层。通过SAAS 服务提供商的统一平台租用服务，SAAS 服务提供商在基础设施提供商的云数据中心部署SAAS 软件的虚拟机及其之间的通信网络，SAAS 软件则在虚拟机上进行部署、组织和管理，每个虚拟机包含预安装、预配置的操作系统、中间件和应用构件。通过SAAS部署模式多个用户通过计算机网络连接在一起，同时共享一个虚拟空间环境，共同体验虚拟经历［16］，多个用户可通过网络对同一虚拟世界进行观察和操作，从而实现分布式虚拟现实。

3 网络教学平台建设成效

（1）线上虚拟仿真教学突破测绘学科实践教学条件限制。采用Unity3D技术整合多个引擎解决测量设备模型的虚拟化、测量场景的虚拟化、仪器设备控制的虚拟化、测量观测的虚拟化、数据采集的虚拟化，基于规范的数据采集流程进行30 个虚拟实验的设计与研发，打造沉浸式、感知式、人机交互式的虚拟实验场景。

（2）线下移动式实验平台改善教学组织与管理。应用异构集成技术，建成适配全机型的线下移动式实验平台，平台同步对接30 个实验教学内容，按照规范要求和实验流程分别设计并研发电子手簿，实现实践环节的全过程监管，即教师发布实验任务，学生进入实验，应用研发的电子手簿进行数据采集、计算、平差、成果整理，成果提交反馈至后台，后台实时评分，并将学习记录结果反馈至教师，由教师根据学习记录对学生进行针对性指导，从而解决传统实践教学组织不良、学生监管不到位的问题。

（3）教学跟踪评价构建科学合理的评价方式。根据教学评价内容和组成要素，设计并研发实现了教学跟踪评价体系，全面跟踪不同阶段学生的学习记录，尤其是针对线上虚拟仿真实验、线下实验对学生的技能操作错误点进行统计分析，形成个性化的学习记录。研究设计评分规则、评分模式建立快速高效的评价体系，通过权重配比设计、评分主体设计，构建科学合理的教学评价生态。

（4）基于云端的分布式技术突破时空限制。基于SAAS部署模式实现了基于云端的分布式网络教学，多个用户通过网络对平台、虚拟世界进行访问、观察和操作，由此构建网络可访问、设备可驱动、数据可采集、记录可跟踪、教学可评价的信息化测绘网络教学平台，实现“人人皆学、处处能学、时时可学”的教学目标。

4 结 语

本文提出建构的基于云端的信息化测绘网络教学平台，是基于“互联网+测绘”的模式建设而成的网络学习空间，有效解决了测绘学科实践教学场地和设备的限制、改善了实践教学的组织和管理，为后疫情时代测绘学科同类课程的实践教学提供方案和思路。目前该平台已应用于福建信息职业技术学院、黄河水利职业技术学院等多所院校，为院校的测绘实践教学提供服务，实践教学效果显著，院校均对平台给予高度评价。