數字測圖全領域體系的構建及應用探索

王宇會

（廣東工業大學，廣東 廣州 510006）

地形圖測繪是指利用測繪儀器和設備對地球表面局部區域內的各種地物、地貌特征點的空間位置進行測定，以一定的比例尺并按圖示符號繪制成地形圖。傳統的地形圖以圖紙為承載媒介，測繪技術采用傳統的圖解法，此方法存在精度低、工序多、勞動強度大、質量管理難等缺點。隨著科學技術的進步、測繪儀器設備的更新、計算機技術的發展，地形圖測繪逐漸向數字化、自動化方向發展，數字化測圖技術應運而生。

1 目前教學中存在的不足

1.1 課程設置的限制

專業教學計劃的制定應根據專業知識的深入逐漸開展相關的課程。以筆者所在學校為例，目前正在執行的教學計劃中相關專業課程開設的學期如表1所示。

表1 測繪工程專業部分課程開課學期

這些測繪技術相關的課程中，數字地形測量學主要講授大比例尺地形測繪的相關內容，使用的儀器以常規地面測繪儀器為主，主要包括全站儀和水準儀。大地測量學基礎是原來的控制測量學，主要講授精確確定地面點位置的方法。攝影測量學、GNSS定位原理與應用和遙感原理與應用分別講授利用攝影測量、GNSS測量和遙感技術進行點位測定的方法。所以，在進行數字地形測量實習時，學生使用的測量方法只能是全站儀測繪法，此方法作業強度大、需要人工多，雖然實習后學生能夠對全站儀數字測圖的全過程有一個完整的認識，但是實習體驗較差，不能將現在先進的測量技術應用到實習中，也不能與現在工程單位的測量技術相匹配。通過實習，學生往往對測繪專業有一定的負面看法：認為自己專業從事的工作外業工作量大、科技含量不高，由此產生的抵觸情緒比較嚴重。相對應地，在其他相關的實習中，往往注重相關測量技術的應用，忽略其在地形圖測繪中的應用。例如，GNSS定位原理與應用實習的主要內容是GNSS控制網的設計、靜態測量及數據處理。攝影測量實習的主要內容是像控點測量、航飛方案確定、后期成果制作。

1.2 不能滿足學科競賽的要求

全國大學生測繪實驗技能競賽由教育部高等學校測繪學科教學指導委員會、國家測繪地理信息局職業鑒定指導中心、中國測繪學會測繪教育委員會主辦，至今已舉辦了六屆，是測繪本科院校最大的實踐技能競賽平臺，每屆的競賽內容稍有差別，但數字測圖一直是其中的賽項之一，其測量方法也由全站儀測圖向全站儀和GPS-RTK聯合測圖逐步改進。

另外，由全國測繪地理信息職業教育委員會自2017年起已經連續三年舉辦了全國大學生無人機測繪技能大賽。

所以，僅僅全站儀測圖已經不能夠滿足學生參加學科競賽的要求。

1.3 不能將新技術、新方法應用到學生在校所學中

國務院頒布的《中國制造2025規劃綱要》明確要求，推進無人機產業化快速發展。在人工智能等全新技術革命為主的第四次工業革命浪潮中，無人駕駛航空應運而生并蓬勃發展，已成為先進生產力的重要載體。民用無人機作為“中國制造”代表性產業，隨著行業應用的加速推廣、消費領域的需求爆發以及新應用領域的拓展，發展勢頭迅猛。2015年頒布的《國家職業分類大典》中增設“無人機測繪操控員”新職業，標志著無人機職業首次進入國家權威職業資格體系。近年來，許多院校開設無人機測繪專業或在已有專業中增設無人機測繪方向。學校的教學也應該緊跟國家發展的要求、行業的要求以及社會的要求，使新技術、新理論、新方法進入課堂中，不斷提升學生的競爭力，全面提升人才培養質量，為社會輸出更多更好的優秀人才。

由以上分析可以看出，測繪工程本科專業的學生在校期間只進行全站儀測圖實習已經不能滿足相關的要求，有必要進行數字測圖全領域體系的構建。

2 數字測圖全領域體系的構建與探索

2.1 數字地形測量學授課內容的改革

數字地形測量學是測繪工程專業的專業基礎核心課程，是學生接觸到的第一門系統的測繪知識理論，其課堂與實驗教學內容設計主要圍繞測量基礎知識、小地區控制測量、野外數據采集、數據處理與內業繪圖和地形圖應用等專題展開[1]。在野外數據采集中，衛星定位的相關內容是和后續的 GNSS定位原理與應用課程內容相重疊的地方，為避免重復授課，以往該內容是不在數字地形測量學課程中講授的。

為配合后續實習的需要，并不和后面GNSS定位原理與應用的內容相沖突，在數字地形測量學課程中僅在測量基礎知識的測量坐標系中介紹WGS-84坐標系；在測量方法中，介紹衛星定位測量的原理（即空間測距后方交會）。

目前，大比例尺數字測圖的技術主要有：全站儀測繪、GPS-RTK測繪、攝影測量、遙感[2]、三維激光掃描[3]、InSAR[4]等方法。由于數字地形測量學課程內容繁多，并且避免和后續其他課程內容相重復，攝影測量、三維激光掃描等方法可以略去不講，但是為讓學生清楚課程之間的銜接關系，在課上應介紹課程體系的構成及相關課程的大致內容。

大比例尺地形圖的繪圖軟件可以選擇廣州南方測繪CASS、北京威遠圖SV300及圖形處理軟件CITOMAP、北京清華山維EPSW、武漢瑞德RDMS等。不管哪款繪圖軟件，其功能都是在計算機上經過人機交互編輯，生成數字地形圖。這個內容是和其他任何課程都不沖突的地方，所以在數字地形測量學課程中，應詳細向學生介紹軟件的功能、使用要求、大比例尺地形圖的相關規范等，有此做基礎，后面學生不管學習了什么數據采集的方法，其制作的地形圖都會滿足相關規范的要求。

2.2 數字地形測量實習內容的改革

數字地形測量實習也稱為數字測圖實習，是測繪工程專業基礎課程實習的實踐環節，無論對學生理解測繪基本理論知識、掌握基本測量方法與測繪儀器操作，還是專業素養的培養，都起著關鍵性的作用[5]。在實際教學中，實習內容應緊跟設備的更換、技術的更新。

2.2.1 摒棄陳舊的實習內容

數字地形測量實習的主要內容包括：圖根控制方案的確定、測量相關儀器設備的檢校、圖根控制測量外業數據獲取、圖根控制測量內業數據處理、大比例尺地形圖測繪。以前，大比例尺地形圖測繪的方法選擇兩種測量模式：全站儀圖解法和全站儀數字測圖法。全站儀圖解法的優點是可以讓學生清晰、直觀地認識到全站儀極坐標法測量的基本原理，缺點是學生需要手工繪制地形圖，測圖精度低、成圖周期長、勞動強度大，最主要的，此測量方法在工程單位早已被淘汰。

為給新技術、新方法的應用提供時間，實習中取消了全站儀圖解法測繪的相關內容。

2.2.2 增加GPS-RTK測繪方法

數字地形測量實習是數字地形測量學的實踐課程，理論課的主要內容是介紹地面常規測量的技術與方法，以全站儀、水準儀測量為主。實習仍然以全站儀數字測圖為主，輔以其他測繪技術（如GPS-RTK）。GPS-RTK測量與全站儀測量區別僅在于外業獲取數據的過程不一樣。因理論課上沒有講授空間定位的全部知識，實習時以應用為主。因在相關理論的講授中，已經介紹了不同的坐標系，所以學生利用 GPS-RTK進行地形圖測繪時就不難理解進行點校正的必要性，然后按照相關設備的具體操作進行碎部點坐標采集，就可以和全站儀采集的數據一起進行地形圖繪制。

GPS-RTK測繪技術在數字地形測量實習中的應用，可以讓學生看到不同的測繪技術的特點和應用范圍，讓學生針對不同的情況選擇不一樣的觀測方法。

2.3 數字測圖全領域體系的構建與探索

僅僅進行數字地形測量實習的改革，還不能將其他先進的測量技術和測量方法應用到數字測圖中來，所以就要構建數字測圖全領域體系。在構建數字測圖全領域體系時，應注意各門課程的銜接，學校設備的支撐情況，并充分利用校外資源。

在實際探索過程中，數字地形測量實習主要采用全站儀、GPS-RTK采集模式。在大三完成攝影測量學之后，在攝影測量實習中加入無人機測繪的相關內容；在大四第一學期遙感測量原理與應用的課程中，在課程上機內容中加入遙感測繪的相關內容；并且在工程測量學實習、畢業實習等教學環節中，要求學生綜合利用之前所學的獲取數據的方法進行大比例尺地形圖測繪。

以上測圖方式都是基于課程完成的，但是在專業的課程體系設置中，由于學校設備購置和學時等問題，不一定能夠保證將所有的測繪手段都作為課程納入教學計劃中（以筆者所在的學校為例，目前正在執行的培養方案中，沒有三維激光掃描、InSAR等相關課程）。而在生產單位，這些技術已廣泛應用在各項測繪任務中。這就要依靠學生的課外活動來對課程體系進行一定的補充。比如，在測繪論壇的講座中請相關領域的專家向學生介紹相關技術的測量原理以及他們所從事的項目內容，并將相關的資料發給學生，作為學生了解新技術、新方法的知識來源。另外，在校外實習基地，也可以增加相關新技術、新方法的學習與應用。

經過上述改革之后，數字測圖全領域體系的各項測繪技術依托的理論課程、實踐環節，如圖1所示。

圖1 數字測圖全領域體系

3 結語

數字測圖全領域體系的構建，有以下幾個優點：（1）可以將新技術、新方法引入到教學中，使校內所學適應校外所用；（2）讓學生明確課程之間的銜接關系，體驗不同的技術手段的特點及適用范圍；（3）將課外教學活動作為教學計劃的補充，為學生的學習提供更多的平臺；（4）學生由淺入深地學習將不同的技術，會對整個知識體系有一個完整的認識，也會認識到科技進步帶來的技術進步對專業的影響，從而能夠較好地接受自己的專業，并激發他們不斷學習的動力。（5）充分利用各項社會資源，縮小學校和企業之間的差距。

經過數字測圖全領域體系的構建及在實際教學中的探索，學生對自己的專業認可度得到了提升。在和學生的交流中，想轉專業、對自己專業有抵觸情緒的學生數量明顯下降；在相關的實習報告中，敘述專業缺點的學生數量有明顯的下降；在學校教務處評教系統中，對相關實習的評價分數有所提高。

當然，不同的測繪技術還會細分出不同的方法，如攝影測量可以有垂直攝影、傾斜攝影，三維激光掃描也有不同的搭載平臺等。但是，無論何種數據采集方式，最終都會落實到數據的計算和處理，數理基礎和專業知識點基礎務必夯實[6]。打牢基礎，才能夠滿足時代迅速發展的需要，適應新時代背景下數字化測繪向信息化測繪、智能化測繪發展的需要。