數字測圖原理與方法課程教學探討

陳允芳，成 樞，柳 林，郭海花

（1.山東科技大學測繪科學與工程學院，山東青島 266590；2.山東科技大學地質科學與工程學院，山東青島 266590）

一、引 言

隨著全站儀和GPS RTK等現代測量儀器的出現、數字攝影測量和遙感技術的不斷進步，以及數字成圖軟件設計開發的日益完善，地形圖測繪由傳統模擬測圖進入全數字化測圖時代，數字測圖技術作為數字地圖的基本生產方法已得到廣泛應用。各大專院校測繪、遙感、地信、土木、資源、環境、地質、采礦等相關專業都相繼開設了數字測圖的相關課程。隨著該學科的進步和發展，關于該課程教學方法的研究和探討會不斷增多。

二、數字測圖及數字測圖系統配置

數字測圖是利用全站儀及3S技術以數字方式獲取、處理、分析和應用關于地球的自然要素和人文要素的空間信息獲取技術。廣義的數字測圖包括3部分內容:利用全站儀或GPS等大地測量儀器進行的野外地面數字測圖、利用手扶數字化儀或掃描數字化儀對紙質地形圖的數字化、對航攝像片和遙感影像進行處理的攝影測量與遙感技術。

數字測圖系統是以計算機為核心，以全站儀、GPS、數字化儀、數字儀、數碼相機、航攝儀、坐標測量儀、解析測圖儀、光譜儀、輻射儀，甚至衛星等為數據采集工具，在外接輸入、輸出設備軟硬件的支持下，對地形的數字空間數據進行采集、輸入、編輯、繪圖、輸出、管理的測繪系統。具體硬軟件配置及工作模式如圖1所示。

地面數字測圖是指利用電子全站儀、GPS等大地測量儀器在野外進行數字化地形數據采集，在成圖軟件支持下，通過計算機加工處理獲得數字地形圖的方法。因方法或設備的不同，其有草圖法、編碼法、電子平板法等。外業測量時，如采用草圖法則利用測區已有地籍圖作為底圖人工繪制草圖；數字采集完畢后，用數據傳輸線將儀器和計算機連接，利用數據傳輸軟件或Windows下的超級終端完成數據傳輸。同時，利用已有或用編程語言自行編制的數據轉換程序處理數據。地形圖繪制可采用RDBMS、EPSW、CASS等一些數字成圖軟件，依照草圖人機交互方式繪制，或利用編碼半自動編輯繪制圖形，再轉換至AutoCAD軟件環境下進行細部編輯和處理，也可直接使用MAPSUV、WalkField等軟件編輯和處理。

地形圖數字化是指利用手扶跟蹤或掃描數字化儀對已有紙質地形圖進行數字化，并轉換成計算機能存儲、處理的數字地形圖。其多采用MapInfo、WalkField等GIS軟件或AutoCAD等圖形處理軟件進行信息提取和圖形編輯繪制。

數字攝影測量和遙感方法是將攝影所獲得的航攝、遙感像片等影像進行數字化得到數字化影像，由計算機進行數字處理，從而提供數字地形圖或專題圖、數字地面模型等各種數字化產品。多采用VirtuoZo、JX4等數字攝影測量系統，以及ENVI、ERDAS等遙感圖像處理軟件來完成攝影像片或遙感影像的數據處理。

圖1 數字測圖系統配置及工作模式

三、理論教學重點設計與規劃

1.重點教學內容設計

1）平面直角坐標系的概念及測量坐標系的特點。從球面到平面的高斯投影是本課程中較為抽象的概念，可采用制作多媒體動畫的形式，展示從某一條帶在橫圓柱上投影、剝離并經過延展擠壓成平面葉片的整個過程，形象直觀地加深學生對這一投影過程的理解。采用與數學中坐標系對照的形式，強調測量坐標系與之異同，并從方位角的概念及三角函數解算的角度解釋其原因。

2）測量誤差傳播定律及其應用。該部分計算是本課程兩大重要計算內容之一，也是本課程的重點和難點，可采用多種教學手段相結合的形式。PPT中要一步步展示并突出強調公式的演變過程，并配合板書邊推導邊講解，設計相應例題如三角高程測量應用進行講解。還可布置相應課后作業進行鞏固，就作業情況進行答疑解決疑問。

3）控制測量及其內業平差計算。無論采用傳統水準儀、經緯儀還是全站儀，其測量方法都要嚴格遵循控制測量的基本過程、“先控制后碎部”來進行，即先進行控制點間角度、距離和高差的測量，然后是導線內業平差計算和水準路線平差計算。不同的是普通測圖是用經緯儀在解算的控制點上進行碎部測量配合測圖平板進行紙質地形圖測繪；而數字測圖是將解算的控制點坐標輸入全站儀，進行草圖法或編碼法野外數據采集，最后將數據導入數字成圖軟件進行數字地形圖的繪制。因此，控制測量相關內容是普通測圖和數字測圖都要涉及的重點銜接部分，可作為內容回顧重點突出強調，考試時內容上宜有所重疊，尤其導線平差和水準路線平差計算部分，是除測量誤差基本理論外，本課程涉及的兩大主要計算內容之一。可綜合運用PPT展示、板書推導、講解例題、課后作業及作業答疑相結合方式進行教學。可嘗試將計算器編程和電子計算表Excel應用于導線平差計算，即利用編程式計算器或Excel等電子表格來輔助完成計算，并以課堂作業的形式，引導學生利用所學語言，編制導線平差相關軟件。

4）全站儀使用及數字地形圖測繪。有針對性地選擇較有代表性的經典款全站儀講解。主要是采用課堂多媒體教學配合全站儀現場演示操作讓學生領會操作要領，接著觀看教材配套的全站儀操作與使用教學錄像，隨后安排實驗課的任務，并讓學生課余利用全站儀模擬器來熟悉操作使用，實驗課上認識、使用并操作與練習，教師巡視指導。另外，可結合學生的編程語言學習情況，指導學生開發電子全站儀模擬器，借此理解全站儀操作使用的原理。通過最終幾周教學實習的控制測量和野外測圖，能熟練操作技能和應用水平。數字地形圖測繪是本課程的研究主線，數字成圖軟件種類繁多，可就較普及常用款如CASS軟件的功能和使用進行詳細講解，配合教學錄像，并打開軟件界面，就主要使用流程進行介紹。另外，可適當講解一些測圖國家標準、常用測圖軟件、測圖軟件開發相關知識，并以課程設計或科研課題形式，鼓勵和提倡測繪專業學生自行開發數字成圖軟件。

5）數字地形圖的應用與城市三維建模。在常規坐標、距離、角度、面積、體積及土石方量測算基礎上，重點突出強調數字高程模型（DEM）的概念、生成方法、可視化技術、應用情況，以及DEM與等高線的相互轉化、城市三維建模及數字城市的概念、三維激光掃描儀使用的研究現狀。主要通過工程實例圖片形式，為學生后續課程做好知識儲備和理論引導。

2.多種教學手段綜合運用

課堂講授要整體貫穿始終，從測繪基礎知識理論入手，到各種測量儀器的操作使用，再至野外選點及觀測的方法和技巧，采用理論介紹、公式推導及圖表說明等形式，讓學生整體把握地形圖測繪的基本知識；又從細節上把握具體的知識點，中間穿插總結歷屆學生常出現的知識誤區和常犯操作錯誤，為實習做好充分準備，激發學生對該課程的興趣。

教學手段靈活多樣，有多媒體授課、板書推導、教學錄像播放、示范儀器操作與使用、課后作業及講解、課堂實驗及指導、隨機測試及教學實習、課程網站輔助學習等多種方式，根據授課內容和特點可多種方法有機結合。

多媒體講授主要針對高斯投影、測量坐標系、坐標方位角和高程的概念，儀器構造和操作使用，水準測量和角度、距離外業測量方法，數字地形圖的測繪及應用等信息量大的內容來進行。可采用PPT課件為主、其他方法輔助相結合的方式，形式靈活，使用方便，多種方法優勢互補，能使學生能在短時間內接觸更多信息量，實現有關知識的融合與最佳傳授。多媒體教學時要注意調動課堂氣氛和互動效果，重點內容要結合實例講解并通過課堂例題，以加深理解并能調動學生的學習積極性。如講解坐標方位角的概念后，可接著列一些復雜的幾何圖形，來練習求算每一條邊的坐標方位角；誤差傳播理論講解完畢，可給出三角高程測量的綜合實例，根據邊、角和高差之間的函數關系，分別求算觀測值函數的中誤差。授課語言要通俗易懂，在枯燥理論知識學習的同時要緊密結合實踐，以引發學生的好奇心。如講解實習注意事項時，可選取一些歷年學生易犯的錯誤，如嚴禁坐儀器箱、水準尺不能立墻或樹上而要平放地上、人離開儀器不能超過1 m開外、地面點的十字中心描畫要細、選點在下水道井蓋或大理石地磚上其松動后精度會如何、相鄰點間沒樹葉時通視良好枝葉茂密后爬上樹撥著樹枝觀測等。通常能使學生輕松理解并牢牢記住。

板書推導主要是針對課程中的重點和難點進行的，如涉及較多計算和理論推導的誤差基本理論和誤差傳播定律應用、坐標正反算、導線及水準測量內業計算等。公式推導和計算實例相結合的形式能循序漸進，在講解中與學生互動，利于學生接受與消化。對于這些理論計算，可讓學生用自己熟悉的語言去嘗試編程實現，并要考慮多種情況，設置多種初始條件、轉向流程、循環步驟和中斷判定。

教學錄像是將測量學中的儀器操作和使用過程、成圖軟件使用過程等制作成錄像，可插入課件中輔助教師講解，也可上傳至課程網站，供學生自行學習。

示范教學是在儀器介紹和操作使用時，通過課堂實物介紹、實習前的操作示范等方式，將儀器搬至教室或在實驗、實習場地現場演示教學，使學生能夠較快了解使用方法和操作步驟。

網絡教學主要是結合精品課程建設情況，建立課程網站，發布相應的授課大綱、實習大綱、網絡課件、儀器操作和軟件使用的教學視頻、章節習題及試題庫等，為學生提供一個學習和交流的交互式平臺，作為課前預習和課后復習的一項重要內容，可充分調動學生學習的積極性，提高其學習效率。

四、實踐教學安排與實現

1.課堂實驗

為高度實現理論與實踐相結合原則，課堂實驗需要緊跟相應章節展開。對課堂實驗，采取定任務、限指標的方法，具體分以下幾個步驟:

1）實驗準備及踏勘選點。課堂講解了儀器的操作、使用步驟及相關觀測方法后，課程結束時安排下一次課的實驗任務，明確實習時間、地點、所用儀器、任務及紙筆準備等。讓每組學生自學踏勘選點相關章節內容，利用課余時間，在實驗前自行在指定實習場地事先選好一個閉合環（考慮到課堂實驗時間有限，只選取4個點），后續的測角、量邊、測高差、導線測量、地形圖測繪等各項實習任務都在這些點位上進行。這就避免了臨時選點時學生四處分散不便管理，且測量數據具有盲目性、前后不一致、不系統等弊端。

2）明確各項任務及限差指標。無論是黑紅雙面尺測高差、測回法測水平角，還是全站儀測角量邊測量高差的控制測量，都是觀測方法的問題，要結合測量誤差理論嚴格進行測站檢核，控制各項限差和最后的閉（附）合差。儀器認識與使用實驗中，可進行一些驗證性實驗。如黑紅雙面水準尺保持不動，讀其黑、紅兩面讀數，驗證尺常數，為后續講解數據處理做好準備；或用經緯儀盤左、盤右先后瞄準同一目標，讀取度盤讀數，驗證盤左盤右相差180°的原理，為后續講解2C值互差做好準備。其次，明確觀測方法、讀數順序、記錄方法及限差要求。雙面尺法水準測量中除觀測方法本身外，要明確規定黑紅面讀數差、黑紅面所測高差之差、前后視距差、前后視距累積差及高差閉合差的具體數據。同樣，測回法水平角觀測中，要明確度盤起始讀數設置與變換方法，規定半測回較差、測回間較差及角度閉合差等的具體數值，以便學生對所測數據進行檢核和評定。

3）考核辦法及成績評定。采用實驗課上點名考勤加實驗報告相結合的形式，最終在學生上交的實驗報告上以優、良、中、及格、不及格5個等級來考查實驗課成績，并以平時考勤10%、實驗成績20%和期末考試70%評定該門課程的最終成績。

從最終學期未教學實習來看，上述舉措收效甚佳，學生們對整個實習進程及各環節安排都會有一個總體的把握和理解，并表現出較高的熟練操作程度，真正從理論到實踐驗證了對測繪基本理論和技能的學習和掌握。

2.教學實習

對于不同專業停課進行的為期2～4周的教學實習，一般是在學期末或學期初，在課程學習結束后緊跟著進行的。實習前要先召開實習動員大會，布置實習時間、目的、任務、測區范圍、所用儀器、觀測方法、各項限差及精度、成圖方法及手段等，進行實習前的各項準備工作，所用儀器、工具、資料、紙筆，或借或買或自行準備或上網下載等。各項準備完備后，即按照相應流程進行測圖的技術設計，重點是技術方案設計，在已有圖紙上初步選定控制點，然后即踏勘選點對所選點位結合實際環境進行考查，在地面上用油漆和毛筆選定控制點。因為已有了課堂實驗選點的經驗和教訓，這次的大范圍測區選點，學生普遍較謹慎，按照相應選點原則，最終在反復比較、綜合取舍后選出相對較合理的控制點位。

確保儀器檢查無誤后，即可開始各項測量工作。首先是控制測量，普通測圖中可先進行水準儀測高差，完畢后即還掉儀器；經緯儀測角的同時還要進行測圖，因此可以一直保留至測圖完畢再上交。

對測繪工程專業，一般有4周實習，采用2周測量學實習+2周數字測圖實習的形式，選用不同測區。測量學實習測區采用水準儀測高差、鋼尺量距、經緯儀測角進行控制測量，采用經緯儀測繪法配合測圖平板手繪紙質地形圖；數字測圖測區采用全站儀測水平角、平距和豎直角，利用平距和豎直角計算高差來完成控制測量，采用草圖法或編碼法進行全站儀野外數據采集，將數據導入自行開發或購置的數字成圖軟件，采用人機交互的半自動、自動方式繪圖。

地理信息系統和遙感專業若有3周實習時間，可采用2周測量學實習+1周數字測圖的形式，可采用同一測區，先按傳統方式完成控制測量，然后以此為基礎，分別按經緯儀測繪法配合平板手繪、全站儀數字測圖對同一測區進行紙質測圖、數字地形圖測繪；若僅2周實習時間，可采用水準儀測量高差、全站儀測角和量邊來完成控制測量，然后利用全站儀進行數字地形圖的測繪。總之，針對不同專業2～4周不等的實習時間，可采用類似自由組合的方式來靈活組織，選擇合適、合理的測區、儀器、觀測方法和繪圖手段。

學生實習過程中，老師要擇時進行巡回指導，以便發現問題及時糾正，并抽查人員到位情況進行考勤。另外，還可通過電話、網聊、短信、郵件等形式進行互動和交流，并在控制測量結束、碎部測圖開始前集中起學生來進行一個座談，總結交流實習經驗，并對后續測圖進行必要的指導和建議。

成果驗收和成績評定結合四方面進行:一是抽簽測試，設置好相應的測量項目，讓學生抽簽選擇在指定場地進行測量，從觀測時間和測量精度兩方面評定學生成績；二是各組上交的圖紙、數據手簿及實習報告這些成果資料，按照相應規定進行檢查驗收；三是根據平時巡回時掌握的出勤情況；四是組織各組長座談，討論組員表現及貢獻大小。最終以優、良、中、及格、不及格5個等級考查和評定學生實習成績。

五、結束語

本文討論了數字測圖的概念和數字測圖系統的軟硬件配置情況，對該課程的教學內容及課時安排進行了規劃，并對重點教學內容進行了設計；接著介紹了眾多教學手段在本課程教學中的綜合運用情況，最后對課堂實驗和實習的實踐教學情況進行了探討。

在教學過程中筆者注重對內容和要點的把握，靈活應用多種教學手段，多途徑培養學生的知識、能力和技能，從授課班級課堂出勤率、課堂問答及課后作業、課堂實驗外業及實驗報告、考試成績、教學實習外業及實習成果資料、科技論文大賽、測量技能大賽、科技創新等第一課堂、第二課堂多方面成果來看，都取得了較好的教學效果，課堂教學質量測評分數較高。這種新的教學方法的實施，不僅可以讓學生快速掌握課程知識、了解業界最新動態，而且能讓學生更貼近實際生產，對學生以后工作有著重要的意義。

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