《“百年行知园”数字孪生虚拟仿真实验教学项目》（简称“项目”），以南京晓庄学院“数字行知园实景三维数字化测量项目”为基础，通过三维激光测量技术、虚拟仿真技术、互联网技术与地理信息专业教育技术的深度融合，实现从前期的三维激光点云数据采集与处理、到数字化模型库的建模与贴图制作、到虚拟建筑的数字化重构的一整条流水线作业过程，硏发面向教师和学生用户的互联网在线实验教学课程。

三维激光扫描技术作为一种高新技术，为我国文化遗产的保护工作提供了革命性的影响。使用三维激光扫描仪对文物进行三维扫描，保存测量原始数据便于以后的利用、分析和毁损修复，同时对古迹进行三维建模，实现三维数字遗产保护。

三维数字遗产保护和视景漫游行业市场的持续发展和变换，需要更多不同层次的实景三维数据采集、处理和三维GIS建设专业人才，需要在高等院校教学过程，进一步提升地理信息专业的教学质量，帮助学生了解新技术在行业的发展和应用情况。

本项目坚持“能实不虚、虚实结合、以虚补实”的原则，利用线上虚拟仿真实验进行传统教学难以进行的操作，是对传统实训实验教学开展的一次新教学方法和新教学手段改革的全新尝试。与传统实训实验教学相比，本项目帮助院校建立的虚拟仿真实验教学过程，具有以下特点和优势：

（1）有利于学生自主学习，提高学生的积极性

采用虚拟仿真实验教学，教师不再是传统教学模式那样灌输知识给学者，而是学习活动的组织者、指导者和监督者。虚拟仿真实验教学强调的是学生的主体性，学生可以自行选择时间、地点和内容进行学习，可以根据拟定的学习计划自主进行仿真实验，反复操作和测评，实现差异性的实训学习活动。

另外，通过虚拟仿真实验，能够有效调动学生的听、视、触等各种感官，接受并反馈与相关知识信息，激发学生的学习兴趣和创新意识，显著提高学生的学习效率和主观能动性。

（2）有利于学生更好理解和掌握课程难点重点，进一步减轻教师教学负担

传统实训实验教学过程，通常是一个老师面对着众多学生的理论讲解、操作指导、主观评价过程；加上仪器设备昂贵，通常是几个学生一组进行实训操作。在有限的实训实验教学时间内，学生比较难理解和掌握课程的重点和难点。

而采用虚拟仿真实验教学，所有实训实验教学的知识点都可以直观动态地展示出来，对于重点难点实验环节，学生通过虚拟仿真操作，亲自动手并感受各种实验过程。每个学生都可以根据自身的学习情况，对未理解掌握的实验环节进行反复的仿真操作，更好地理解和掌握课程的难点和重点。每一次虚拟仿真实验操作都相当于是一对一的实训授课过程，有效减轻老师的教学负担，是推动实验课程内容改革的有效手段。

（3）有利于高效、便捷、安全地开展实训实验教学活动

传统的实训实验教学受到特定的学时、实验场地和设备所限制，而虚拟仿真实验教学则不受此限制。师生只需要互联网络和PC终端，就可以随时随地进行实训实验教学活动。

传统的实景三维数字化测量项目实训教学活动，必须要到野外实训场地进行，存在较大的安全隐患；且采用昂贵的无人机、三维激光扫描设备，实验成本高。而采用虚拟仿真实验教学，则能够避免人身安全事故和设备损坏安全事故的发生。

（4）有利于加快优质教学资源的推广应用

传统的教学模式下，优质课程实训教学资源往往集中掌握在极少数的高校内部，难以实现教学资源的共享，更不利用新技术的推广应用。通过本实验项目的建设，可以将我校在地理信息专业教学方面的教学研究成果、通过互联网分享给更多的师生和社会同行，是全国高校优质实训实验教学资源实现开放共享的有效实践。

“百年行知园”数字孪生虚拟仿真实验原理如下：

1）前期准备与技术设计

作业前收集测区已有资料并进行适用性分析：测区以及周边的控制成果资料、1:500~1:2000 比例尺地形图、数字高程模型、数字正射影像图，以及测区其他相关资料。

2）现场踏勘

根据作业要求，实地了解作业区域的自然地理、人文及交通状况；核对已有资料的真实性和适用性；根据测区情况选择控制网设站和三维激光扫描仪设站方案。

3）仪器选用与检查

根据项目要求确定相应作业等级，确定地面三维激光扫描仪的主要技术要求。根据项目的规模和工期要求，选择符合要求的单一类型地面三维激光扫描仪，或者符合要求的多种类型地面三维扫描仪混合使用，但应顾及后续数据处理软件的兼容性。针对仪器设备的检查包括：一般检查、通电检查、外置同轴相机参数检查等。

4）控制测量

测区范围地面控制网布设，利用 GNSS/RTK 进行作业区域控制点与国家控制点进行联系测量，建立作业区域三维控制网。

5）三维激光数据采集

测量人员事先在一些位置摆设标靶球以及贴标靶纸，便于两站数据之间的拼接；根据测区地形特点，采用机载、背包三维激光扫描仪相结合，完成测区范围点云数据的扫描采集，扫描完的数据直接存储于扫描仪专用的 USB 内存中。

6）数据预处理

采用 LaserControl 软件对将扫描原始数据进行拼接，拼接时可采用标靶球和标靶纸同时拼接，采用最小二乘法，要求 200 测站数据拼接精度达到 2cm。完成拼接数据的预处理工作，包括：点云数据配准、坐标系转换、降噪与抽稀、图像数据处理、彩色点云制作。

7）三维成果制作

采用基于 AutoCAD/3Dmax 平台的点云软件，利用专业点云数据处理软件（如：Geomagic/PPVision）, 直接快速导入点云数据，对建筑结构进行建模。通过抽稀、去噪、删除孤点、统一采样、封装、补洞、合并等过程步骤，生成三维模型。对于复杂结构建筑，可以采用点云软件的切片功能对局部进行精细化建模再合并。具体功能包括：三维模型构建、DEM 制作、DLG 制作、TDOM 制作、平面图/立面图/剖面图制作等。

8）成果分析

基于导出的点云数据成果，完成：长度/面积/体积量算、剖面分析、变形监测等操作。

9）质量控制

按照技术规程要求对各项过程数据以及最终成果进行质量检验，达到相应精度要求方可通过成果验收。

10）成果发布

基于三维 GIS 软件平台，对上述三维成果资料进行发布，建立统一的三维应用场景，实现测区三维场景的可视化分析和虚拟漫游功能。

知识点：共 10个

1、无人机航空摄影测量原理

2、三维激光的原理

3、无人机认知

4、无人机拼装

5、三维激光认知

6、现场踏勘

7、无人机航测

8、三维激光采集

9、数据预处理

10、数据处理

（2）核心要素仿真设计（对系统或对象的仿真模型体现的客观结构、功能及其运动规律的实验场景进行如实描述，限500字以内）

在三维虚拟场景中，构建行知园三维重建和数字还原操作场景。实训任务主要采用单人任务方式，用户可以使用上述仪器设备，通过相关测量技术及工艺的认知、练习和评价过程，掌握三维激光点云数据采集、处理、发布和应用过程和方法，目的是帮助学生熟悉掌握各项任务的作业流程、设备操作要求、技术规范、知识技能点，有效解决地理信息专业教学中地理信息系统建设实践项目周期长、成本髙、难再现等问题，让每一位学生都能在教师指导、团队合作的基础上，通过线上平台完成地理信息产品实验任务。

（1）实验内容主要包括6个部分：(1)室外环境踏勘、(2)室内环境踏勘、(3)仪器准备、(4) 无人机航线规划、(5) 三维激光数据采集、(6) 数据处理

（2）学生交互性操作步骤，共 11 步

（2）交互性步骤详细说明

1、预估测站

选择场景内的扫描布设点，设置扫描范围

点击提交，校验布设范围是否含盖全部待扫描区域

2、安置仪器

在待测点架设三脚架，安置仪器

3、安置标靶球

四周安置标靶球

4、仪器开机

按开关按钮，开启扫描仪

5、调平倾角仪

检测倾角是否调平

6、检查sd卡

检测SD卡是否正常

7、设置参数

点击设置扫描参数

8、开始扫描

点击扫描，仪器开始扫描工作

扫描途中禁止人员走动

9、停止扫描

点击停止扫描来中止扫描过程

10、迁站

在下一个待扫点迁站

重新安置标靶球

11、导出数据

获取扫描结果

扫描结果导入电脑

点击开关使仪器关闭