基于真三維模型的測繪實踐教學平臺構(gòu)建研究

周保興

摘 要：測繪工程是一個以應用為基礎的工程學科，無論是基礎測繪數(shù)據(jù)采集，還是大型工程建設中工程測量，都需要熟練掌握外業(yè)測繪數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的方法。這就需要加強測繪工程專業(yè)學生的實踐操作能力和協(xié)同創(chuàng)新能力。因此，基于三維模型構(gòu)建技術(shù)，結(jié)合測繪專業(yè)的特點，構(gòu)建本專業(yè)的三維實踐教學平臺，培養(yǎng)測繪專業(yè)學生的實踐操作能力，提高其專業(yè)技術(shù)水平，使其能夠更加適應當前經(jīng)濟發(fā)展和社會需求，具有重要的現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：真三維模型；實踐教學平臺；測繪

測繪工程技術(shù)主要研究工程建設在勘察設計、施工建設、運營管理等階段所用到的各種測量技術(shù)和方法，該技術(shù)主要應用于工業(yè)和民用建筑、橋梁、電力、水利工程、道路、隧道等眾多領域，尤其在工程建設中起著極其重要的作用。當前全球定位系統(tǒng)、攝影測量和遙感技術(shù)、三維激光雷達技術(shù)、傾斜攝影測量技術(shù)等現(xiàn)代測繪技術(shù)的應用和發(fā)展，為“數(shù)字城市”“智慧城市”以及“數(shù)字地球”的實現(xiàn)奠定了空間數(shù)據(jù)快速獲取的基礎，因此，測繪工程技術(shù)具有廣闊的應用和發(fā)展前景。

一、“三維實踐教學平臺”構(gòu)建的意義

現(xiàn)代測繪技術(shù)已經(jīng)深入人們的日常生活中，凡是需要空間位置的行業(yè)都需要測繪技術(shù)的支持，比如，汽車導航、智慧交通等。因此，該技術(shù)對其他專業(yè)（土木工程、交通工程、材料工程、港口工程）的學生來說，也是需要掌握的基本知識，因此，測繪實踐教學及實驗室建設存在比較大的壓力，主要體現(xiàn)在如下幾個方面。

1. 實驗儀器的使用達到極限

雖然每年都要購買一定數(shù)量的實驗儀器，但隨著招生規(guī)模的不斷擴大、部分儀器損毀報廢和測量實驗、實習教學工作量的增加，測量實驗儀器設備仍無法滿足學生規(guī)模不斷擴大和不同專業(yè)交叉教學的需求，造成了測量實驗室儀器設備已接近使用極限。

2. 測量課程實驗實習場地不規(guī)范

由于測量實驗學時數(shù)的限制，課程實驗實習大多選擇在校內(nèi)進行，校內(nèi)場地條件不規(guī)范，并且和作業(yè)現(xiàn)場的測量條件存在比較大的差異。

3. 綜合實習效果不佳

課程綜合性實習是在學生掌握了一定的專業(yè)技術(shù)知識之后，為了鍛煉學生利用學習的專業(yè)知識綜合解決實際生產(chǎn)問題所進行的實習，其實習的時間較長，實習的方式也不統(tǒng)一。

一是根據(jù)不同的實習內(nèi)容，選擇場地進行實地實習或者參觀實習，該方式需要學生身臨其境，才能收到較好的實習效果，但由于選擇的實習場地會受到野外地形條件、實習安全等諸多因素的限制，使得實習效果受到很大的影響。

二是到簽約的實習基地去參加生產(chǎn)實習，該方式與生產(chǎn)單位具體工程項目相結(jié)合進行生產(chǎn)實習，真實性比較強，能收到較好的效果，學生能得到真正的鍛煉，同時也能解決生產(chǎn)單位測繪人手不夠的問題。但該方式的缺點是生產(chǎn)實習的內(nèi)容不一定與生產(chǎn)單位工程項目相吻合，并且實習時間也會受到生產(chǎn)單位工期的限制，很難滿足實踐教學的要求。

因此，為了使測繪學生能夠適應測繪行業(yè)的技術(shù)發(fā)展與社會需求，提高該專業(yè)學生的綜合實踐技能、數(shù)據(jù)處理能力和分析、解決問題能力，需要在原有實踐教學的基礎上，對測繪實踐教學方式和手段進行改革，使得測繪實踐教學能夠更加貼近實際的生產(chǎn)環(huán)境，符合測繪新技術(shù)發(fā)展的需要。

二、“三維實踐教學平臺”的組成

根據(jù)測繪工程學習領域和課程體系的要求，該三維實踐教學平臺以加強學生的實際操作能力和生產(chǎn)性實訓為目的，模擬生產(chǎn)項目的實際情況，各實訓項目的內(nèi)容都來源于實際的生產(chǎn)單位。結(jié)合測繪行業(yè)背景和區(qū)域優(yōu)勢，根據(jù)測繪行業(yè)的崗位需求，確定測繪學生應具備的專業(yè)技能和培養(yǎng)目標，并將這些培養(yǎng)目標分解到平時的教學和實踐環(huán)節(jié)中，逐步形成以基礎能力、專項能力為基礎，綜合能力為重點，三個層面有機結(jié)合的實踐教學體系。

1. 工程數(shù)字化測圖平臺建設

（1）工程數(shù)字化測圖平臺建設

① 測圖控制網(wǎng)建設

根據(jù)校區(qū)地形地物的分布特點，在校區(qū)三維模型中布設3個一級導線控制網(wǎng)，控制網(wǎng)點數(shù)30個左右，并設置標準的導線控制點標石。

② 控制網(wǎng)模擬觀測

根據(jù)一級導線網(wǎng)的要求，對布設的導線網(wǎng)進行模擬觀測，并對觀測值進行平差，計算得出控制點的坐標數(shù)據(jù)，并對模擬控制網(wǎng)進行精度評定。

（2）工程數(shù)字化測圖數(shù)據(jù)處理平臺建設

① 數(shù)據(jù)處理軟件

利用計算機實驗室，確定以南方CASS數(shù)字成圖軟件為主，以清華山維數(shù)字成圖和入庫軟件為輔的測圖數(shù)據(jù)處理平臺。

② 圖形輸出設備

以大型寬幅繪圖儀設備，對完整的數(shù)字圖形數(shù)據(jù)進行繪圖輸出，提供完整的數(shù)字地形圖。

該工程數(shù)字化測圖平臺建成后，可以滿足多個班級同時進行校園數(shù)字化測圖實習，學生可以在此數(shù)字化平臺進行1∶500、1∶1000、1∶2000等不同比例尺的地形圖、房地產(chǎn)圖的數(shù)據(jù)采集，并能夠利用數(shù)字化測圖數(shù)據(jù)處理平臺進行內(nèi)業(yè)成圖和編輯實習。

2. 工程施工放樣平臺建設

（1）施工放樣平臺建設

根據(jù)校區(qū)三維模型，為建筑物點位放樣、高程放樣、場地平整、主軸線放樣、建筑方格網(wǎng)放樣、房屋放樣等提供模擬實習場地，在場地內(nèi)設計可供放樣的數(shù)據(jù)，利用該場地內(nèi)的已知控制點和放樣數(shù)據(jù)進行實地放樣。

（2）線路放樣場地建設

場地設在校區(qū)三維模型主路上，設置一系列的中樁，該線路放樣的場地長度自校區(qū)東門至南門，每隔20 m釘一中樁，總長度為1.5 km左右，主要為學生進行線路測量的中平測量、曲線測量、縱橫剖面測量實驗提供條件。

（3）施工測量數(shù)據(jù)處理平臺建設

利用交通土建工程學院的計算機實驗室，結(jié)合工程測量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)構(gòu)建線路輔助設計、建筑物工程施工放樣數(shù)據(jù)計算、公路工程設計及數(shù)據(jù)計算的平臺。

3. 工程變形監(jiān)測實驗平臺建設

（1）工程變形監(jiān)測平臺建設

① 變形監(jiān)測控制網(wǎng)布設

在校區(qū)三維模型中布設應用于建筑物變形監(jiān)測的測量基準點和應用于變形監(jiān)測的控制點，組成變形監(jiān)測測量控制網(wǎng)，并對測量基準點和控制網(wǎng)進行高精度的聯(lián)測，獲取高精度變形監(jiān)測的基準。

② 變形監(jiān)測點布設

根據(jù)變形監(jiān)測區(qū)域的情況，選擇建筑物的變形監(jiān)測工作基點和建筑物的變形監(jiān)測點，并且設置相應的測量標石和標志。

（2）變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理平臺建設

利用計算機系統(tǒng)構(gòu)建變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理平臺，實現(xiàn)建筑物沉降變形量、不均勻沉降及沉降速率的計算，計算周期沉降量、周期沉降速率、地基傾斜、局部傾斜、相對彎曲和構(gòu)件傾斜等。

① 計算地基基坑周邊建（構(gòu)）筑物的位移量、不同方向的變形差

② 計算基坑深度與位移的關(guān)系值、位移的周期變化值、位移速率等

在建（構(gòu)）筑沉降觀測中，本實踐教學平臺可以將測量儀器的觀測數(shù)據(jù)，通過電子傳輸或者鍵盤手工鍵入的方式，輸入到本系統(tǒng)的電子表格中；按照相關(guān)規(guī)范和要求，自動計算各種沉降和位移值；同時生成多種變形觀測成果表；繪制復雜的曲線圖；是本系統(tǒng)提供的變形過程回歸分析及預測功能，為變形過程的穩(wěn)定性分析提供了科學依據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)嚴重建筑物（構(gòu)筑物）變形的原因，改正導致變形的不良因素。

三、“三維實踐教學平臺”的構(gòu)建

1. 校園真三維模型構(gòu)建

（1）基礎地形模型建模

即大場景地形模型構(gòu)建，主要以數(shù)字高程模型為基礎，以矢量地形圖數(shù)據(jù)、大范圍遙感影像和空間點云數(shù)據(jù)為補充，通過DEM、遙感影像和點云數(shù)據(jù)的疊加融合，構(gòu)建基礎地形模型，作為校園三維建模的基礎數(shù)據(jù)平臺。

（2）地物精細建模

對于校園建筑物、構(gòu)筑物等地物進行精細建模，需要根據(jù)現(xiàn)場實測建筑物尺寸數(shù)據(jù)繪制精確的CAD圖形，并結(jié)合衛(wèi)星影像的模型底圖，提取校園內(nèi)重點地物的矢量邊界數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)導入MAYA、3DMAX、SKETCHUP等建模軟件，通過圖形設計、模型構(gòu)建、紋理貼圖、光照渲染等步驟建立精細模型，最后將構(gòu)建好的精細模型導入ArcGIS、Skyline等三維平臺軟件環(huán)境中，實現(xiàn)精細模型與三維地形的無縫融合。

2. 基于校園真三維模型的模擬控制測量

根據(jù)校園真三維模型，可以在校區(qū)場地選取工程數(shù)字化測圖、施工放樣和變形監(jiān)測控制點，設置控制測量標石和標志，布設工程數(shù)字化控制網(wǎng)，模擬完成控制網(wǎng)的布設和測算，并可以進行控制網(wǎng)的優(yōu)化設計。在此基礎之上，進行計算機軟件的安裝和測試工作，并對軟件各模塊的功能進行檢查檢驗，完成模擬控制測量平臺建設。

3. 基于校園真三維模型的放樣測量

在三維模型平臺，設計出要放樣的建筑物三維模型，確定工程施工放樣區(qū)域，布設施工放樣三維控制點，根據(jù)施工放樣的工作內(nèi)容，分別確定點位放樣、高程放樣、主軸線方向、建筑物放樣等操作方案，并進行高精度施工放樣模擬實驗。對施工放樣平臺進行安裝調(diào)試，測試各計算模塊的功能，并對實測的施工放樣案例進行計算分析，完成工程施工放樣平臺建設。

4. 基于校園真三維模型的變形監(jiān)測

根據(jù)校區(qū)三維平臺，選擇距離變形區(qū)域比較遠并且穩(wěn)定的山上，布置工程建筑物變形監(jiān)測基準點，在變形體附近布置工作基點，在變形體上面布置變形監(jiān)測點，并進行高精度的控制網(wǎng)模擬計算和優(yōu)化設計。對變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件，進行計算機實驗安裝調(diào)試，測試各計算模塊的功能，并對實測的工程變形監(jiān)測案例進行計算分析，完成工程施工放樣平臺建設。

四、結(jié)束語

測繪工程專業(yè)是一個應用性專業(yè)，非常重視實踐操作和新技術(shù)的運用。實踐教學是測繪專業(yè)人才培養(yǎng)中非常重要的環(huán)節(jié)，也是確保畢業(yè)生就業(yè)質(zhì)量、提高就業(yè)能力的保障。三維實踐教學平臺的建立，使測繪專業(yè)的實踐教學取得了較好的效果。

1. 可以增強對專業(yè)知識的學習效果

利用精確的三維模型平臺，結(jié)合先進的實驗設備和精心設計的實踐課程，可以使學生掌握測角、測距等基本實踐技能，培養(yǎng)綜合運用經(jīng)緯儀、全站儀、水準儀等測繪儀器的能力；三維實踐教學平臺將實驗內(nèi)容融入三維虛擬現(xiàn)實環(huán)境中，可以激發(fā)學生進行實踐操作學習的興趣、主動性和創(chuàng)新能力，使其能夠掌握堅實的基礎理論和基本技能。

2. 可以提高儀器操作水平和數(shù)據(jù)處理能力

該三維實踐教學平臺，實行開放式教學，學生可以根據(jù)需要申請上機模擬操作，從而保證學生能夠熟練掌握GPS、全站儀等各種測繪儀器的操作，并能夠應用GPS數(shù)據(jù)處理軟件、地理信息系統(tǒng)軟件、攝影測量與遙感軟件進行相應數(shù)據(jù)處理和開發(fā)，為將來的就業(yè)做好準備。

3. 可以培養(yǎng)創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力

三維實踐教學平臺的建立和開放，將給學生提供更加真實的實習環(huán)境，進一步提高學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。目前，山東省教育廳每年舉行山東省大學生實踐創(chuàng)新訓練計劃項目，本校測繪專業(yè)的學生一直積極參加；山東省測繪學會和南方測繪儀器公司每年都舉行大學生測繪技能大賽，本校學生多次取得優(yōu)異的成績；此外，學校還每年設立本科生科研立項，測繪專業(yè)學生參與申請數(shù)連年增加。

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基金項目：本論文受到了山東交通學院教學改革項目“基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的三維實踐教學平臺構(gòu)建研究”（JG201616）的資助。