三維可視化應用實驗教學流程設計

袁 銘，楊朝輝，王 穎

(蘇州科技學院環境科學與工程學院，江蘇蘇州215011)

三維可視化應用實驗教學流程設計

袁 銘，楊朝輝，王 穎

(蘇州科技學院環境科學與工程學院，江蘇蘇州215011)

通過對GIS專業領域中蘇州地區近年來的應用需求分析，以及對GIS專業實踐系列課程的梳理，引入在企業產品生產中廣泛采用的流水線生產方式，以某一實踐性主題貫穿于從空間信息采集到城市三維可視化實現的全過程。通過這種系統規范的訓練，達到強化實踐環節、提高應用能力的目的。實踐證明，本流程特色明顯，針對性強，實施方案具體、明確，具有很強的操作性，有利于GIS專業應用型人才的培養。

GIS;課程;流程;實踐性

一、引 言

將數字4D產品和三維模型作為綜合處理對象的三維可視化系統可以再現管理環境的真實情況，即把所有管理對象都置于一個真實的三維世界里，進行虛擬現實管理［1］。三維可視化是GIS的核心和今后的重要發展方向，其相關理論與方法是當前計算機圖形學、計算可視化、GIS、數字攝影測量等研究的主要內容［2］。三維可視化應用實驗教學流程設計就是將這一應用與地理信息系統專業的實踐教學緊密結合，培養符合社會需要的應用型人才。

蘇州是我國經濟發達城市，已有9個古典園林被列入《世界文化遺產名錄》，成為中國擁有世界遺產項目最多的城市之一。在這一背景下，三維數據建庫、數字文化遺產、城市規劃、地下管線等與三維可視化相關的應用具有巨大市場。作為蘇州市唯一一所開辦GIS專業的高校，城市三維可視化是我校GIS專業服務地方的絕佳選擇，是產學研合作的最好結點，將有利于GIS專業應用型人才的培養。

本文通過對 GIS專業實踐系列課程的梳理［3］，以及對GIS專業領域中蘇州地區近年來的應用需求分析，引入了在企業產品生產中廣泛采用的流水線生產方式，進行GIS專業的人才培養，探索應用型人才培養的新模式。幾年來的教學實踐表明，這一模式在專業能力培養和適應市場需求方面效果良好。

二、實驗流程設計

1.實驗方案

三維可視化實驗教學流程的總體方案如下:

選定一個建設對象(產品)，對GIS專業基礎課和專業課程涉及的部分實驗進行流水線操作，以某一實踐性主題貫穿于全部實驗的全過程。通過這種與實際應用密切結合的、系統規范的訓練方法，達到強化實踐環節，提高應用能力的目的。

產品流水線生產法要求，前一項實驗未做或不合格，下一個實驗無法進行。如果全部實驗完成并達到合格標準，三維可視化應用的實踐能力可以認為已達到實際應用要求。

流水線生產法還要求做到四固定:實驗項目數固定、實驗內容固定、實驗流程固定、實驗結果固定(在上述基礎上可以根據專業發展現狀固定產品的示范地點、應用的軟件和硬件等)。具體實施途徑如下:

1)通過調研，選擇一個固定的實驗產品模式(一個小區的綜合地物、地貌三維可視化模型)，該模式涉及課程實驗中所有關鍵要素;

2)確定相關課程中的若干個實驗參與本產品流程，并制定出各實驗具體實施方案;

3)確定本產品實施所需要的所有基礎條件(儀器設備和基礎數據);

4)在部分或全部實驗小組中進行全程訓練，為期5個學期。

最終確定5門課程中的13個實驗參與整個教學流程，包括:導線測量、碎部測量、航片立體觀察和量測、參數設置與模型定向、各類產品生成、利用立體影像進行DEM建模與編輯、影像鑲嵌和DEM拼接、綜合測區練習、IGS數字化測圖、模型表面紋理處理、三維建模、紋理映射、三維場景制作。

2.實驗流程

圖1是三維可視化教學課程和實驗流程圖，列出了各學期開設的課程和實驗以及得到的階段性產品，5門課程及開課學期列于左邊。從圖1可見，從大學二年級上學期開始，就開設了“測量學”課程，介紹和掌握測量控制點的建立以及地形圖測繪的方法。這些內容是通過“導線測量”和“碎部測量”兩個實驗實現的，其產品是一張比例尺為1∶500的地形圖，是本流程中最重要的基礎數據來源。

大學二年級下學期開設的“環境遙感”課程，要求介紹和掌握使用立體鏡進行航空像片立體觀察的方法［4］，為以后正確理解衛星遙感圖像立體測圖奠定基礎。其產品是立體相對。

圖1 三維可視化教學課程和實驗流程圖

大學三年級上學期開設的“數字攝影測量”課程，要求介紹和掌握利用數字攝影測量方法和相應的軟件進行參數設置與模型定向;掌握和了解影像匹配原理和實現過程;掌握DEM數據及其他產品生成的原理和實現過程，建立像片的立體模型;掌握利用軟件而不是前面的測繪儀器法進行測圖的方法，其產品是正射影像和二維矢量圖。該課程實驗共有5個，是本流程中另一個重要的基礎數據來源。

大學三年級下學期開設的“數字高程模型”課程，要求掌握根據前面已經建立的立體影像生成數字高程模型，并掌握數字高程模型的交互式編輯方法［5］，其產品是建立實驗區內的數字高程模型。本實驗的產品是三維場景中的地貌形態。

大學四年級上學期開設的“數字城市概論”課程，要求掌握各種GIS空間數據在三維可視化軟件中的輸入方式，了解每種數據格式的導入和轉換功能。學習利用Photoshop軟件進行紋理圖像處理，利用3ds Max軟件進行基本三維建模，通過3ds Max將PhotoShop處理后的紋理圖像作為材質，粘貼到模型的表面，以獲得仿真的三維建筑模型。這一過程涉及4個實驗，其產品是三維可視化場景，是本流程的最終產品。

三、綜合性實驗

本項目13個實驗中，有3項為綜合性實驗，每個綜合性實驗都涉及多項內容，對一門課程來講，是將課堂內容和多個單獨實驗內容綜合在一起進行的，是對這些內容整體掌握的一次實踐，具體情況如下。

1)導線測量。實驗目的是通過觀測建立一個簡單的導線，并通過對這些觀測量進行計算獲得導線控制點的坐標。工作內容為采用經緯儀測量角度，鋼尺或測距儀測量距離，涉及導線的布設、施測和計算方法，是一個綜合性很強的實驗。

2)綜合測區練習。實驗目的是熟悉整個測區的數字攝影測量流程，以工程化的模式來進行訓練，從數據準備、數據輸入、模型建立、產品生成到IGS數字化測圖，以便學生熟練掌握軟件的操作。

3)三維場景制作。實驗目的是熟悉數字城市建設中三維可視化模型的制作方法，了解建立三維地理信息系統的主要環節和工作流程。掌握各種GIS空間數據在三維可視化系統軟件中的輸入方式，了解每種數據格式的導入和轉換功能，使得每種空間數據在同一個系統中能夠進行良好的兼容和處理。

四、實施效果與結論

三維可視化應用流程設計包括了地理信息系統專業所涉及的主要專業課程，配合了相應的課堂教學和實踐性教學環節，并為此提供了一個具體的實施方案。自二年級開始到四年級，每學期都有為完成同一個目標進行的若干實驗，具有連續、系統的特點。由于流程具有統一標準，易操作、易考核，只要按順序和規定完成這些實驗，就可以達到教學要求。流程除可帶動其他課程的學習外，還可以集中于一根主線，有助于這些課程的復習和掌握，加強了教學的系統性和連續性。

本流程選定以蘇州科技學院江楓校區為實驗對象，將該校區部分區域的三維可視化作為最終產品。整個流程于2006年開始實施，按照三維可視化應用實驗教學流程設計的要求，已開出全部實驗課程，在2005級地理信息系統專業的學生中試行(2006年大學二年級上學期開始)，全部實驗課開設時間至2010年已開設過4年，共有兩屆學生全部上過，兩屆學生部分上過。教學實驗流程表明，這對提高學生的實踐能力具有較好的作用。

學生有了三維可視化實踐的基礎，就可以參與數字蘇州的工程項目。作為蘇州城市三維可視化的生產項目，參與項目實驗的2005、2006級學生完成了蘇州市測繪院承擔的蘇州城區我校江楓校區及其周圍路段的三維可視化生產任務;2007、2008、2009級學生正在進行蘇州市區三維可視化數據建庫和更新的生產項目，三維可視化流程的實踐在校企結合這個節點上體現出了良好效果。

幾年來的實踐表明，這一模式在專業能力培養和符合市場需求方面是有效的。對于本項工作的實施，筆者有以下體會和結論:

1)與市場接軌。蘇州是全國的信息化示范城市，而“數字蘇州”建設中的城市三維可視化是一項重要工作，蘇州的三維可視化工作需求量非常大，完成本項目流程的學生畢業以后可以立即為“數字蘇州”建設服務，與蘇州的市場應用接軌。

2)特色明顯，操作性強。城市三維可視化是我校GIS專業的特色方向，流程所涉及的系列實驗特色明顯，針對性強，實施方案具體、明確，具有很強的操作性，有利于GIS專業應用型人才的培養。

3)創新的設計思路。三維可視化應用實驗教學流程在GIS專業教學上是一次嶄新的嘗試，本項目的創新性主要表現在三維可視化應用實驗教學流程整體方案設計上的創新，主要有以下幾點:

a.產品流水線生產法:選定的實驗產品包含主干課程的所有關鍵要素，采用產品流水線操作。前一項實驗未做或不合格，下一個實驗無法進行，全部實驗合格可認為已達到實際應用要求。

b.四固定模式:流水線生產法要求做到四固定:實驗項目固定、實驗內容固定、實驗流程固定、實驗結果固定。

c.橫向系列實驗設計:所涉及的13個實驗橫跨5門課程、5個學期，各實驗經過特別設計，設計特點是針對性強，相互銜接緊，在流水線中具有唯一性。

［1］ 朱文軍.數字城市三維模型的可視化技術［J］.湖北民族學院學報，2005，23(3):280-284.

［2］ 梁勇，袁銘，朱紅春，等.數字城市建設與管理［M］.北京:中國農業大學出版社，2005.

［3］ 袁銘，連達軍，嚴勇.GIS專業實踐性教學流程設計［J］.測繪與空間地理信息，2009，32(1):22-25.

［4］ 張序，袁銘，王穎.測量學［M］.南京:東南大學出版社，2005.

［5］ 李志林，朱慶.數字高程模型［M］.武漢:武漢大學出版社，2003.

Design of 3D Visualization Application Experiment Teaching Process

YUAN Ming，YANG Zhaohui，WANG Ying

0494-0911(2011)06-0092-03

P208

B

2010-01-28;

2010-03-25

蘇州科技學院教學改革項目資助(2008YQ-01)

袁 銘(1955—)，男，江蘇常熟人，教授，主要研究方向為測繪工程、地理信息系統應用。