一種多要素地物地貌模型的設計與制作

張 兵，崔希民，宋保平，韋 銳，宋昆侖

一種多要素地物地貌模型的設計與制作

張 兵1，2，崔希民1，宋保平2，韋 銳2，宋昆侖2

( 1．中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院，北京100083; 2．石家莊學院資源與環境系，河北石家莊050035)

一、引言

由于教育教學模式的改革及不同學科之間本身的特點，現在的課堂教學除了采用傳統的講授法給學生傳授知識外，某些工程類課程還需要特別注重對學生實踐技能和創新性思維的培養。然而，實踐技能和創新性思維的培養不能僅依靠“講—聽”模式，還需要有針對性的實驗設備和教學工具作為支撐，以加強學生對相關技術的深入理解和牢固掌握。但目前高校在測繪科學、地理科學等專業的工程測量學、地圖學、數字化測圖、地籍測量等課程的教學中，相應的實習實踐方式還比較傳統落后。如在已有的地物地貌教學模型中，多數只是涉及地物地貌要素的部分內容，或突出地物，或突出地貌，或兩者都包含，但設計又不甚合理，有的模型地物地貌要素不夠豐富，色彩搭配不夠科學。這些模型雖然在一定程度上滿足了相關課程實踐教學的需要，但從課程實踐整體上來說還缺乏完整性［1］。因此，在總結各個已有模型優缺點的基礎上，本文介紹了設計和制作一個多要素地物地貌特征模型的過程和方法，為了與實驗室已安裝的模擬航空攝影測量系統［2］配合使用，模型的設計還考慮了航空攝影測量對地物地形模型的特殊要求。最終制作的模型既滿足了地圖學、數字測圖、地籍測量等課程理論教學、實踐教學、科學探索的需要，還為普及地形地貌相關知識提供了理想的科普教育場所。

二、總體設計

多要素地形模型的設計首先要根據模型的功能需要，以及與之配套的模擬航空攝影測量系統的需要來設計模型的各組成部分，設計時要以客觀自然界為基礎，考慮各個地形要素自然分布規律和形成機理，以及模型的結構、比例、材質、與周圍環境協調等多種因素，最后還要根據實驗室空間來確定模型的尺寸。最終制作的模型要具有以下特點:要素豐富，符合自然規律，整體美觀協調，色彩搭配合理，形象生動逼真，使用方便。

1．設計思路

在參觀多個院校地形教學模型并對其優缺點進行分析的基礎上，本設計小組通過多次討論，形成了全要素地形地物特征模型的設計思路［1］——既能包含地貌特征要素，又要包含地物特征要素，且二者之間的比例協調，符合地貌地物要素自然界的分布規律，同時盡量按照自然地理形成規律展示各地物地貌特征的地物地貌模型。

模型主要包括模型底板、設置于模型底板上的地物要素模塊、地貌要素模塊，以及用于模型測量的控制點模塊，其中，地物要素模塊與地貌要素模塊所占模型面積比約為3∶2。如圖1所示，1為模型地板，2為地貌要素模塊，3、4為地物要素模塊。

圖1 地物地貌模型系統各部分組成比例略圖

2．模型結構

地形模型系統結構主要包括3部分:地物模型、地貌模型、測量控制點。模型系統組成如圖2所示。

圖2 全要素地物地貌模型系統組成

模型的整體結構確定好后，設計人員可以對模型的內容及后續的制作形成整體的概念，有助于確定模型的制作程序和步驟，避免因為程序混亂而導致的返工。

3．模型尺寸、比例和相對高度設計

由于模型的整體結構還不充分，還必須要考慮模型的比例、尺寸及模型的相對最大高差等。結合裝載模型的實驗室的尺寸( 8 m×12 m)、測量控制點觀測墩的安裝及方便使用的要求，最終設計模型的尺寸為( 4 m×8 m)。

需要說明的是，此次模型的設計只是為了滿足教學實踐、科學研究及地物地貌知識普及的需要，因此設計的地貌地物要素要盡可能多。模型不是對某個自然區域的客觀再現，而是根據需要進行設計，并在制作時反復實驗后實現的。根據模型的尺寸，經過反復測算，最終模型的設計比例尺為1∶100。

模型的相對高差不是任意確定的，需要考慮兩個方面的因素:一是模型整體尺寸的大小，主要是保證模型與周圍要素的協調關系;二是模型的相對高差要滿足與之配套使用的模擬航空攝影測量的攝影要求(前面已提及此模型還要配合模擬攝影系統使用)，具體的設計如下:

《航空攝影測量規范》［3］規定:當航攝比例尺大于1∶8000時攝影區相對航高不能大于1/6，當航攝比例尺小于1∶8000時攝影區相對航高不能大于1/4。由于攝影比例尺設計為1∶50，則攝影相對航高的計算如下

式中，H攝為攝影航高; f為攝影相機的焦距; m為攝影比例尺的分母。

為了滿足規范要求而又不對攝影區域進行分區，最終設計模型區的最高點相對高程設計值( H設計)計算如下

即若模型底部平面的高程設為0，則模型區的相對高程設計為0．4 m。

三、詳細設計

地物地貌模型的詳細設計包括很多要素，即各個模塊的具體內容、設計模塊的布置方式設計、模塊之間的連接方式設計等。考慮這些的目的是使模塊間布置合理、連接自然，且內容要素豐富、形象逼真。各個模塊的布置方式和連接方式如圖1所示，地貌要素模塊2固定于模型底板中西部，山谷處設置有河流、大壩等;地物要素模塊包括第一地物要素模塊3和第二地物要素模塊4，模塊3固定設置于地貌要素模塊的東南部，模塊4固定設置于地貌要素模塊的東北部;模塊3通過河流與所述地貌要素模塊相連，第二地物要素模塊4通過梯田與所述地貌要素模塊相連。

下面主要從地物要素設計、地貌要素設計、測量控制點設計、特征點LED顯示燈設計、色彩設計5個方面介紹模塊內容的設計過程。

1．地物要素設計

地物要素主要是指地面上各種有形物(交通線、河流水系、森林、建筑物等)和無形物(境界線)的總稱是，普通地圖上應重點表示的要素之一。本模型地物要素部分主要包括居民地、工廠、學校、公園、水庫、大壩、河流、水塔、鐵路、公路、橋梁、農田等，此地物要素模型部分的主要功能就是真實客觀地模擬自然界各常見地物要素，如圖3、圖4所示。

圖3 地物要素局部模型1

圖4 地物要素局部模型2

模型上的地物用相似的模型表示，公路等級不同則寬窄不等，用顏色不同的雪弗板彎制而成;江河用藍色硬紙條表示;樹林用小樹枝加綠色鋸末表示。地物要素模塊和地貌要素模塊部均設置有卡突，模型底板上設置有與卡突相對應的插孔。卡突的具體樣式如圖5標號5所示。

圖5 模型卡突示意圖

地物要素的大小應與水平比例尺相適應，關系位置要求正確。地物應按水系、居民地、道路、樹林和獨立地物的順序進行設置。

2．地貌要素設計

地貌即地球表面各種形態的總稱，有時也稱為地形。地表形態是多種多樣的，成因也各不相同，是內、外力地質作用對地殼綜合作用的結果。地貌類型根據地表形態劃分主要有平原、丘陵、山地、高原和盆地5大形態類型。該模型地貌部分的設計主要包括平原、山地、丘陵等，在設計時主要考慮的因素還包括對對地形相關知識的普及，使各要素盡可能全面。如在設計山地地貌時，包括常見一些山地地形特征，具體有山頂、凹地、山脊、山谷、鞍部、懸崖、陡坡和緩坡等。

具體的實現方法為:

1)在底板上繪制方格，并將設計的最低等高線、控制地貌基本形狀的等高線，以及山頂、鞍部、山腳、傾斜變換點的位置標定到模型底面上。

2)將計算好的山頂、鞍部、山腳、傾斜等地形特征變換點分別插上木條，木條的高度為該點在沙盤上的高度加上底層沙土的厚度。

3)在最低等高線范圍內，以木條和等高線為依據，先堆出山頂、鞍部、山脊等的概略形狀作為骨干;再修整其他部分，主要是分片堆積，先堆積復雜處，后堆積簡單處，并應隨時根據設計思路調整地貌堆積形態，隨時將沙土壓緊，以免崩塌變形;堆積完畢，應作全面檢查和修整，并由高到低逐層噴上設計的顏色。

地貌模型如圖6所示。

圖6 地貌要素模型

3．測量控制點設計

在地物地貌模型系統中設計測量控制點的主要目的是為了擴展模型的應用范圍，使其滿足更多課程的教學實踐需要，如數字化測圖實習、地籍測量實習等。這大大提高了模型的使用效率，并且使這些實習減少了對外界天氣條件的依賴，增加了實習的靈活度。本次設計根據實際情況和控制點的布設要求總共布設4個測量控制點( A、B、C、D)，測量控制點以觀測墩的形式固定在地面上。控制點的布設要求為:能夠對地物模型進行全方位觀測，不留死角。控制點采用獨立坐標系統，以磁北作為標準北方向。圖7是控制點B和控制點C的分布位置，與之對應的模型的另一邊布設有控制點A和控制點D。

圖7 測量控制點分布

4．特征點LED燈設計

為了教學和講解的方便，在地物和地貌特征點上設計了LED顯示照明燈。為了區別不同類別的地物、地貌特征，將整個模型分成20個不同的單元，如山脊線、山谷線、河流、建筑物、大壩及水系、鐵路點、水塔、梯田等。每個單元的不同特征點上都設有LED顯示燈，各個單元的LED顯示燈是相互獨立的，可以根據需要用演示控制系統(地形測量實訓系統)對其進行打開和關閉操作，如圖8、圖9所示。這種設計提高了模型的使用效果，使學習者對各個要素的相關知識有了清晰、深入的認知。

圖8 地形測量實訓系統界面

圖9 公路單元LED顯示燈

四、結束語

地物地貌模型的設計是一個復雜的工程，由于自然界的自然地理要素和社會經濟要素紛繁復雜，想通過一個模型的設計來包羅萬象是不太可能的。因此，在設計時主要考慮模型的實用功能，盡量包括常見的地物和地貌類型。該模型最終的制作成果滿足了設計要求:要素豐富，符合自然規律，整體美觀協調，色彩搭配合理，形象生動逼真，使用方便。

該模型系統的設計和實現滿足了地圖學、數字化測圖、地籍測量等課程的室內實踐教學需要，使測量學實習和地圖學實習等在一定程度上擺脫了外界天氣條件的限制，提高了實習的靈活程度，降低了實習成本;另外，此系統建成后為普及地物、地貌相關知識提供了理想的科普教育場所，多次接待中小學生參觀學習，取得了一定的社會效益。

［1］ 張兵，趙旭陽，宋保平，等．一種教學用全要素地物地貌特征模型:中國，CN 201320625806．0［P］．2014-06-04．

［2］ 趙旭陽，張兵，宋保平，等．一種航空攝影測量模擬系統:中國，CN 201320423376．4［P］．2014-06-04．

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Design and Implement of a Terrain and Surface Features’Model with Many Elements

ZHANG Bing，CUI Ximin，SONG Baoping，WEI Rui，SONG Kunlun

介紹了設計和制作一種多要素地物地貌模型的過程和方法，該模型涵蓋了各種常見的地物、地貌要素，并且各要素具體分布位置設計合理、形象逼真，符合自然形成規律。該模型在主要的地物和地貌特征點上都設計安裝了LED燈，可以在演示系統的控制下根據需要打開和關閉LED燈，以顯示不同的地形、地物特征;同時，該模型還能夠很好地滿足模擬攝影測量系統對于地面高差的控制要求;另外，在該模型的兩邊設計制作了4個測量控制點觀測墩，以便利用控制點對模型進行數字地形測繪。

地形模型;地物地貌;教學模型;模擬系統

張 兵( 1979—)，男，博士生，講師，主要從事3S集成與應用、土地資源開發利用、礦山開采沉陷工程與變形監測的研究工作。E-mail: zhbing1020@ 126．com

P287

B

0494-0911( 2015) 11-0080-04

張兵，崔希民，宋保平，等．一種多要素地物地貌模型的設計與制作［J］．測繪通報，2015( 11) : 80-83．

10．13474/j．cnki．11-2246．2015．0352

2015-08-20

國家自然科學基金面上項目( 51474217) ;河北省高等學校科學研究計劃( Z2015160) ;河北省人力資源和社會保障研究項目( JRS-2015-3034)