（1）实验原理

本平台提供的真实校园环境3D智慧校园构建实验，实现了更进一步的校园绿地生态系统实况仿真以及基础数据查询功能，同时为线上实现样方调查模拟提供了可能。本实验还以INVEST模型、生物量扩展因子法对3D建模校园虚拟仿真环境中的绿地生态系统碳储量以及提供的生态系统服务进行核算。INVEST模型包含多个可以单独灵活调用的核算模块，如：固碳模块、产水模块、生物多样性模块、生境质量模块、土壤保持、氮磷输出模块，能够实现多种生态系统服务的量化评估和空间化表达。生物量扩展因子法则是一种基于实测数据（胸径D、树高H等）对地上生物量（B）核算方法，同时可基于不同植被类型进行分类，从而实现模型模拟与实测数据的耦合对比分析，提升模型模拟的精度。同时，实验内置的学科知识图谱查询板块，实现了对环境学科专业知识点信息基于属性关联的结构化存储和动态展示，能够为学生提供更加全面、准确和有用的学习支持。

知识点：共 16 个

1、绿地生态系统结构与功能的基本概念

2、绿地生态价值与功能

3、绿地生态系统服务的概念与分类

4、绿地生态系统服务功能测评

5、绿地生态系统碳循环的基本过程

6、绿地生物多样性的概念与重要性

7、绿地生物多样性评估方法

8、校园绿地群落的基本组成、结构与功能

9、校园植物群落调研的基本方法与技术

10、校园植被类型分类与分布特征分析

11、校园绿地生态系统的恢复与重建技术

12、气候变化与极端事件对校园绿地的影响

13、校园蓝绿空间格局构建与3D智慧校园组成要素

14、校园3D智慧空间构建与模拟技术

15、AI技术在校园绿地生态系统规划中的应用

16、环境科学知识图谱、能力图谱结构与智慧校园构建

（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）

1、客观结构：包括校园各区域的地形、土壤类型、植被分布及其生长状况。通过高精度的地图数据和遥感信息，以及无人机的高精度影像数据，精准地重现校园内建筑物、道路和绿地覆盖等细节。

2、功能设计：平台可以实时模拟校园绿地生态系统不同植被类型在吸收二氧化碳吸收、排放以及储存方面的能力，及其对温室气体减排的潜力，有助于校园绿地系统生态服务及其价值评估。

3、实验场景：学生可以通过设置不同的样方、不同的温度条件，模拟实地调查植被物种、密度和生长状况，并将数据输入到仿真系统中，与数据库内的历史实测数据进行对比、验证和分析。

4、应用知识图谱、能力图谱打开任意节点找寻相关知识，探寻相关科学原理，提出3D智慧生态校园的构建方案。

(1)实验教学过程

该教学实验项目基于环境生态、绿地规划的学科特点、实验教学体系要求，应用先进的三维虚拟仿真技术、多媒体技术方法，建成实验、实训与沉浸性服务平台与场景，并基于环境互联网形成信息化管理平台，为自然保护、环境生态与绿地规划师生提供一个综合性的教、学、考、练的虚拟仿真实验教学项目 。

基于环境学科特点和教学体系要求，拟通过对复旦大学实体绿地环境的3D建模和VR仿真设计，融合大量实地采样调研数据，以绿地生态系统组分调研与生态系统服务评估为核心，建构环境教学虚拟场景,使学生多角度感识校园绿地生态系统的各植被组分、功能区划以及与地质地貌、气候、土壤等环境因子之间的空间关系和物理关系,深化对它们内在关系和内部机理的理论研究。以“虚”补实、应用VR技术和多媒体技术获得实体环境无法达到的教学效果，为学校提供校园生态环境科学虚拟实验资源共享和软件教学资源共享，应用AI技术附能学生上机各环节研学效率提升，使学生在机房内即可实现“建模环境参观-绿地清查调研-原理模型推演”。

(2)实验方法描述

该项目能够实现校园绿地生态系统生态服务综合评估、动态推演、常规管理和实地调研的模拟（以复旦大学江湾校区、邯郸校区为例）；能够实现在真实植被调研数据和环境生态模型的基础上，以真实的绿地生态系统调研为背景，结合碳循环、生态系统服务的相关基础理论与技术方法（生态系统服务核算模型、生物量核算模型、生物多样性计算等），综合实现数据分析、实地调研模拟、生态系统服务核算、碳吸收与释放过程推演等功能。能够在3D建构的智慧校园虚拟仿真空间中进行植被样方调研实操模拟与数据记录，运用INVEST模型与生物量扩展因子模型，对校园绿地生态系统不同组分（基于植被类型划分）的生态系统服务现状进行模拟评估，同时与系统内置的大量实地调研现状数据（植被种类分类、植被形态观察、碳资产现状与碳密度评估、碳储量评估等）现状进行比较。实现在既定情景和条件设定下，对不同物理环境因子设置与调节，实现查看环境因子对于绿地生态系统的生态系统服务与碳释放过程影响的动态查看等功能。

（1）学生交互性操作步骤，共 9 步

（2）交互性步骤详细说明

1.国内外生态校园案例学习板块设置

1) 选择主页页面左侧的“国内外生态校园案例”；

2) 找到复旦大学江湾校区，自行学习浏览并观察“复旦大学江湾校区简介”、“复旦大学江湾校区校园环境”等课件；此外还可看杜克大学、英国诺丁汉大学、香港中文大学等其他大学校区的简介。（时间1个课时）

2. 知识图谱系统学习与查询板块设置

1) 打开知识图谱系统，找寻与校园绿地生态系统相关联的学科，厘清学科系统中的脉络，协助同学进行相应知识点的针对性自主学习。（时间1个课时）

3. 3D建模虚拟环境仿真浏览板块设置

1) 在线学习2个课时之后，学生可以进入网页中间的模块“校园虚拟仿真教学系统”，在线进行校园植物群落调查虚拟仿真实验，点击“开始模拟”，进入仿真实验页面,观察360度浏览的全校园3D虚拟环境；

2) 学生通过点击或拖动，选择并定位研究的特定区域或场景，使用鼠标或键盘进行视角移动和缩放，以便详细查看所选区域的地形和植被分布。

4. 碳循环模型模拟板块设置

1) 左侧进入“碳循环模型”页面，选择感兴趣的植被类型（如树木、草地等）；调整模拟参数，如光照条件和二氧化碳浓度，观察模拟结果显示植被对二氧化碳吸收和释放的过程。（时间2个课时）

2) 点击“开始模拟”进行实验模拟，在页面的右侧显示了校园绿地生态系统的3D可视化结果，清晰直观，同时显示了从输入具体参数，请思考数值变化和参数的关系，并在线记录模拟结果，同时要反复观察模拟过程和结果；

3) 在线填写报告；

4) 重复上述过程生成多个模拟结果；

5) 对多个模拟结果进行比较，并分析差异原因，据此提出自己的3D绿地生态智慧校园规划方案；

6) 提交报告和模拟结果。

5. 环境因子模拟分析板块设置

1) 学生可以进入网页中间的模块“校园虚拟仿真教学系统”，进入仿真实验页面；学生选择“地形分析工具”，点击虚拟地面区域，查看该区域的高程图和坡度分析；学生点击虚拟地面，查看该区域的地面类型分布图，并了解不同地面对植被和生态系统功能的影响、以及校园应对雨洪灾害的韧性。

2) 在线填写报告。

6. 植被调查模拟板块设置

1) 学生选择“植被调查”模块，在虚拟校园绿地环境中观察植被分布；

2) 选择合适的具有调研意义的区域进行样方设置，设置样方关键参数：大小（如：10*10 m或5*5 m）、数量（如1-5个）、方位等;

3) 学生使用“植被识别工具”，观察并标注各种植被类型的生长和分布情况；

4) 学生记录植物形态特征、群落结构，作为具体种属的判断依据，查询植物的学名、拉丁名和属种分类；

5) 设置种植不同的树木，对比观察不同植被景观布局对校园绿地景观、生态的影响。

7. 生态价值评估模拟板块设置

1) 点击“生态价值评估”，选择想要了解的植物种类，选择“生物量模拟”模块，输入样方调查中记录的植被物理特征、属性数据，进行不同植被种类的生物量核算模拟；

2) 选择“invest模型模拟”，选择与调用感兴趣的生态系统服务模块，输入对应需要输入数据种类，实现区域尺度不同种类生态系统服务模拟；

3) 重复上述过程，生成多个结果；

4) 对多个结果进行分析比较，特别分析不同植物的资源拥有状况、景观功能提供、生态服务价值。据此提出自己对于校园生态规划的总结感想，有可能的情况下可以对校园生态规划进行独立改进设计，尝试对现有校园生态价值评估模型进行优化改进与研发；

5) 提交报告和模拟结果。

8. 气候变化模拟板块设置

1) 选择“气候变化模拟”模块，可利用上一阶段模拟的最优植被布局，后设置不同的气象参数，如温度、湿度和风速；点击“运行模拟”，观察模拟结果如植被生长变化，分析气候变化对校园局部生态系统的影响。

2) 重复上述过程，生成多个结果；

3) 对多个结果进行分析比较，特别要分析不同气象变化对校园生态影响产生差异和原因；尝试对不同植被布局应对温室效应、洪涝灾害的能力的差异和原因进行分析，并据此提出自己的应对气候变化的方案；

4) 提交报告和模拟结果。

9. 3D智慧生态校园构建模拟板块

1) 选择“3D智慧生态校园模拟”模块，基于无人机实地采样构建的后端校园基质元素数据库内提供的校园基础设施模拟要素，学生选取不同种类的校园构建要素（蓝绿空间、植物、建筑、地形地貌、基础设施等）进行校园空间规划设计，点击“运行模拟”，观察模拟结果。

2) 学生可以耦合前述模块，调整不同环境因子，进行不同规划原则与分布下校园绿地系统的不同种类生态系统服务模拟，分析校园要素的不同空间位置带来的不同生态效益。

3) 重复上述过程，生成多个结果；

4) 提交报告和模拟结果。

10. 报告赋分原则参考说明

报告文字流畅通顺，逻辑性强，学科术语准确，作业中至少包含10个知识点和20个实验步骤，正确的考察和模拟仿真结果、输入参数与输出结果对应、评价结果与历史作业中的其他学生的结果达到50%以上的对应，则可认为学生达到实验教学的基本要求，基本能够掌握该实验中的知识点，可获得基础分50-60分；

报告中的考察和模拟结果正确，输入参数组合多样，且有相应的实际情景对应，同时具备原因分析；能够给出自己的评估方案，评价结果与历史作业中的其他学生的结果达到75%以上的对应，则可认为学生对水环境生态评估具有较深入的思考，具有解决实际问题的能力，可获得15-25分的加分；

报告中的模拟结果正确，且能指出虚拟仿真实验平台给出的现有各种模型的优劣，并在报告中提出改进方法，并切实可行，则可认为学生具有较高的创新能力，可获得10-15分的加分；

满分为100分，各分数段可客观反映学生的创新性、理解力和实际动手能力。老师对学生的评分和学生之间互评分将作为学生考核的最终结果。

(1) 地形分析：在模拟大雨条件下，低洼区域、硬质路面未采取排水管理措施时出现积水，而在有透水铺装和植被覆盖的区域，水流得到有效控制，水土保持效果显著。从而可以得出结论：合理的排水管理和植被覆盖措施可以显著减少校园内的水土流失，增强绿地的抗洪能力。透水性铺装和植被覆盖是有效的水土保持策略，值得在校园内推广应用。

(2) 植被调查、生态价值评估：例如样方A区域（靠近日湖或月湖）的植物多样性指数较高，有丰富的乔木、灌木和草本植物，而样方B区域（校园空地）多为单一的草本植物，物种多样性较低。从而可以得出结论：多样化的植被结构有助于提升校园绿地的生态价值。增加高地区域的植被多样性可以提高其生态服务功能和抗干扰能力。

(3) 碳储模拟：在模拟条件下，校园内的大乔木（如樟树）的碳储量显著高于灌木和草本植物，尤其在光照充足的条件下，乔木的光合作用效率显著提高，碳固定量增加。因此，校园内的乔木是重要的碳汇，应优先保护和种植这些树木，合理布局，以增强碳储能力，助力校园碳中和。

(4) 气象气候变化：在模拟高温干旱条件下，草本植物的生长受到显著抑制，蒸发蒸腾率增加，土壤水分迅速减少。而在湿润气候条件下，植物生长旺盛，土壤水分保持良好。从而可以得出结论：气候变化对校园内植被生长和生态系统功能有重要影响。高温干旱条件下，需要采取措施如增加灌溉和选择耐旱植物，以维持校园绿地生态系统的健康和功能。

(5) 3D校园绿地智慧校园：讨论蓝绿空间、植物、建筑、地形地貌、基础设施等要素在构建3D生态智慧校园中的功能作用，应用VR、AI（知识图谱、能力图谱、机器学习）及3DMax及AutoCAD等技术方法构建虚拟校园场景，并分析其特点及改进建议。