本实验通过虚拟与现实、理论与实践融合，引导学生自主学习空间数据采集、三维场景构建、地理环境分析、选址方案形成等专业知识和技能，培养学生的科学思维、双创能力以及资源环境保护和国家安全意识。
通过仿真库区空间数据采集全过程，宣扬生态文明建设理念，引导学生认知空间数据采集的作业过程、仪器设备，学习地理空间数据采集、处理的原理和方法，训练空间数据处理的实践技能，提高学生生态文明意识。
选址分析是在一定地理区域内为一个或多个项目落地对象选定位置，使某一指标或综合指标达到最优的过程，其实质是一个多因素综合决策最优化问题的求解过程。尾矿坝选址可以着重考虑两个方面：尾矿库区选择和大坝选址。库区选择是选择最适宜建设尾矿库的区域（如山谷），大坝选址是在选择的库区内确定大坝的具体位置。
结合尾矿坝选址的领域知识与相关国家和行业标准，尾矿库区选择一般需要考虑以下因素：①尾矿库下游方向无居民点、工矿企业、铁路干线、高速公路。②避开地质断裂带、滑坡等地质灾害区域。③尾矿坝址靠近矿厂，并位于矿厂的下游方向。④有足够的库容。⑤库区山谷纵深要长，纵坡要缓。据此，库区选择分析的主要因素因子如表1所示。
备选库区山谷首先应该满足不存在一票否决的情形。在此基础上，不同的优化目标，各因素因子的优先级也会不同，可能会形成不同的库区选择方案。例如，以最大库容为优化目标，其他条件相近的情况下将优先选择库容最大的库区山谷；如果以距离矿厂最近为优化目标，其他条件相近的情况下将优先选择距离选矿厂最近的山谷。为了节省成本，尾矿库一般要尽可能靠近矿厂。
表1 尾矿库区选择分析的主要因素因子
因素 | 因子 | 说明 |
自然环境 | 土壤 | 调查土壤状况 |
植被 | 调查植被状况 | |
气象条件 | 气温 | 调查区域历史气温状况 |
降水 | 调查区域历史降水状况 | |
区位条件 | 下游居民点 | 若下游安全距离内有居民点，则一票否决 |
下游工矿企业 | 若下游安全距离内有工矿企业，则一票否决 | |
下游铁路干线 | 若下游安全距离内有铁路干线，则一票否决 | |
下游高速公路 | 若下游安全距离内有高速公路，则一票否决 | |
与选矿厂距离 | 库区山谷尽可能靠近选矿厂 | |
地质灾害 | 地质断裂带 | 若有地质断裂带，则一票否决 |
滑坡点 | 若有滑坡点，则一票否决 | |
地形条件 | 最大库容 | 库区山谷最大库容满足要求 |
山谷纵深 | 库区山谷纵深尽可能长 | |
平均纵坡 | 库区山谷平均纵坡不陡于20%，否则一票否决 |
在库区确定后，可以根据山谷地形条件，兼顾库容和大坝建造土方量，确定尾矿坝位置。坝顶高程要高于坝址的山谷高程、低于山脊在库区确定后，可以根据山谷地形条件，兼顾库容和大坝建造土方量，确定尾矿坝位置。坝顶高程要高于坝址的山谷高程、低于山脊高程。依据坝顶高程、尾矿坝设计规范进行三维空间分析，可以估算出库容和土方量。根据每年尾矿排放量，模拟分析尾矿坝库容能否达到设计年限要求，评估大坝选址方案的合理性。
空间数据采集设备组成与构造、无人机航线设计与测量、空间数据采集、遥感影像几何校正与拼接、点云数据滤波与重采样、DEM建立、三维空间距离量算、山谷汇水面积计算、山谷纵深与纵坡计算、缓冲区分析、尾矿库库容与大坝建造土方量计算、多因素多因子综合判别模型。
实验分为“空间数据采集”“三维场景构建”“地理环境分析”“选址方案形成”四个环节共19个步骤。
实验环节一：空间数据采集
本环节包括“采集设备认知”“无人机航线设计”“空间数据采集”“数据几何校正”“遥感影像拼接”5个步骤。使用无人机测绘新技术，获取矿区LiDAR点云、光学影像数据。使学生掌握无人机测绘基本原理、数据预处理方法和流程。
实验环节二：三维场景构建
本环节包括“点云数据滤波”“点云数据重采样”“ DEM建立”“三维场景构建”4个步骤。基于LiDAR点云和影像数据，开展实验区DEM建立、三维场景构建，使学生掌握DEM建立、三维场景构建等原理与步骤。
实验环节三：地理环境分析
本环节包括“地理环境调查”“矿厂与山谷距离量算”“最大库容计算”“山谷纵深量算”“平均纵坡计算”“汇水面积计算”“库区位置选择”7个步骤。根据实验区三维场景，分析影响库区选择的主要因素，综合判断，选择最适宜建设尾矿库的山谷。使学生掌握库区位置选择的原理和方法，增强生态文明建设意识，培养资源环境保护理念。
实验环节四：选址方案形成
本环节包括“安全邻域分析”“尾矿坝位置确定”“尾矿坝选址评估”3个步骤。进行安全邻域分析，开展尾矿坝选址和方案评估。使学生掌握缓冲区分析方法、库容和土方量计算、尾矿坝选址方案评估方法，提高学生国土安全意识。
图1 实验流程和实验方法图
尾矿坝选址虚拟仿真实验系统包括实验引导、实验操作、成绩计算等模块，由专业教师集中进行教学管理、资源管理和考核管理等，学生则通过网络平台进行相应的信息采集、数据处理、场景构建、选址分析及方案评价等实验操作。在实验过程中发现问题，可通过即时通讯工具、支持与服务群、论坛等方式提出指导请求，在线教学服务团队及时给予指导。学生完成实验、撰写并提交实验报告，老师进行综合考评，并给出必要的建议。本实验坚持以学生为中心，采用“情境体验式”“任务驱动式”“自由探究式”等实验教学方法，引导学生全面掌握选址分析的相关知识，高质量完成实验任务，达到实验教学目标。
情境体验式教学：本实验以动态渲染和三维可视化的方式，依托新疆伊犁AX金矿真实观测数据，构建三维虚拟仿真的尾矿坝选址实验场景。实验过程严格按照尾矿坝实际选址要求，使学生在虚拟条件下感受尾矿库区的地理环境和实验交互操作。
任务驱动式教学：根据实验原理和实验背景，本实验共设置四个环节，对应四个循序渐进的任务：空间数据采集→三维场景构建→地理环境分析→选址方案形成，引导学生逐步完成尾矿坝选址。
自由探究式教学：实验系统提供了大量拓展资料，鼓励学生自主探究，拓展学生知识面。实验系统既包含固定实验步骤，又嵌入容错机制，对学生的错误操作进行提示，实验效果体现在实验结果中（例如尾矿库是否安全），引导学生自行纠错，加深对相关知识的理解，促进学生从被动接受知识到主动学习的转变。
观察法：观察法应用于实验过程中的多个步骤，包括采集设备认知、地理环境分析等。学生通过观察法可以了解实验采用的仪器设备，理解数据采集过程以及库区DEM建立过程，此外，在地理环境调查中可以浏览实验地区整体情况。
控制变量法：控制变量法主要用于无人机航线设计。该方法可以帮助学生了解无人机数据采集过程中各个参数的作用。
自主设计法：主要运用于库区三维场景构建、安全邻域分析以及几何校正。实验可以调动学生自主探究的积极性和主动性，结合实验任务，完成实验内容。
比较法：主要运用于点云数据滤波和重采样。学生可以比较不同空间分辨率下的点云数据，选择合适的空间分辨率，建立DEM。
试错法：主要运用于尾矿坝选址步骤，实验中选择大坝位置并进行安全评估，如最终结果发生溃坝情形，学生可以重新选址，直到符合实验要求为止。
本实验共19步，总分100分。每个步骤的要求、合理用时、目标达成度赋分模型如下：
表2 实验步骤赋分模型
步骤序号 | 步骤目标要求 | 步骤合 理用时 | 目标达成度赋分模型 | 步骤满分 | 成绩 类型 |
1 | 认知采集设备 | 8 | 认知4个空间数据采集设备，浏览1个设备得0.5分，全部浏览得2分 | 2 | 操作 成绩 |
2 | 设计无人机航线 | 12 | 设置4个航线参数，每正确设置一个参数得1分，全部正确得4分 | 4 | 操作 成绩 |
3 | 采集空间数据 | 6 | 完成光学遥感影像、LiDAR点云2种空间数据采集。每完成1种空间数据采集得2.5分，全部完成得5分 | 5 | 操作 成绩 |
4 | 完成数据几何校正 | 10 | 至少选取3对正确的同名控制点，完成数据几何校正得5分 | 5 | 操作 成绩 |
5 | 完成遥感影像拼接 | 5 | 完成遥感影像拼接得4分 | 4 | 操作 成绩 |
6 | 完成点云数据滤波 | 10 | 完成点云数据滤波得4分 | 4 | 操作 成绩 |
7 | 完成点云数据重采样 | 10 | 完成1种空间分辨率点云数据重采样得3分，完成2种以上空间分辨率点云数据重采样得5分 | 5 | 操作 成绩 |
8 | 建立库区DTM | 8 | 建立DEM得2分，完成DEM与DOM叠合得2分，共计4分 | 4 | 操作 成绩 |
9 | 构建库区三维场景 | 15 | 本步骤需放置7个要素。每正确放置1个要素得1分。全部正确得7分 | 7 | 操作 成绩 |
10 | 完成地理环境调查 | 18 | 调查并记录A山谷3项环境信息得2分，调查并记录B山谷3项环境信息得2分（未包含滑坡点扣1分），调查并记录C山谷3项环境信息得2分（未包含地质断裂带扣1分）。全部调查并记录得6分 | 6 | 操作 成绩 |
11 | 量算矿厂与山谷距离 | 5 | 本步骤需量算矿厂与3个山谷的距离，完成1个山谷与矿厂距离测量得1分，全部完成得3分 | 3 | 操作 成绩 |
12 | 计算最大库容 | 5 | 本步骤需计算3个山谷的最大库容，完成1个山谷最大库容计算得1分，全部完成得3分 | 3 | 操作 成绩 |
13 | 量算山谷纵深 | 5 | 本步骤需量算3个山谷纵深，完成1个山谷纵深量算得1分，全部完成得3分 | 3 | 操作 成绩 |
14 | 计算平均纵坡 | 5 | 本步骤需计算3个山谷纵坡，完成1个山谷平均纵坡计算得1分，全部完成得3分 | 3 | 操作 成绩 |
15 | 计算汇水面积 | 5 | 本步骤需计算3个山谷汇水面积，完成1个山谷汇水面积计算得1分，全部完成得3分 | 3 | 操作 成绩 |
16 | 选择库区位置 | 8 | 正确选出库区山谷的次数为1得6分，为2得4分，为3得2分 | 6 | 操作 成绩 |
17 | 完成安全邻域分析 | 18 | 本步骤需选择5个要素并设置缓冲距离进行安全邻域分析，满分为10分。每完成1个要素安全邻域分析得2分 | 10 | 操作 成绩 |
18 | 确定尾矿坝位置 | 20 | 本步骤需确定坝址位置，设置坝顶高程并计算库容和土方量，满分为10分。 选择合理坝址位置得5分；坝顶高程在合理范围内得3分；完成库容和土方量计算得2分 | 10 | 操作 成绩 |
19 | 评估尾矿坝选址 | 27 | 本步骤根据选址次数和尾矿坝方案是否通过评估赋分，满分13分。选址次数小于3次得3分，大于等于3次得7分；选址方案通过评估得5分，不通过评估不得分；提交选址结果得1分 | 13 | 操作 成绩 |
