基于真三維模型的測(cè)繪實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)構(gòu)建研究

周保興

摘 要：測(cè)繪工程是一個(gè)以應(yīng)用為基礎(chǔ)的工程學(xué)科，無(wú)論是基礎(chǔ)測(cè)繪數(shù)據(jù)采集，還是大型工程建設(shè)中工程測(cè)量，都需要熟練掌握外業(yè)測(cè)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(qiáng)測(cè)繪工程專業(yè)學(xué)生的實(shí)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(cè)繪專業(yè)的特點(diǎn)，構(gòu)建本專業(yè)的三維實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，培養(yǎng)測(cè)繪專業(yè)學(xué)生的實(shí)踐操作能力，提高其專業(yè)技術(shù)水平，使其能夠更加適應(yīng)當(dāng)前經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)需求，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：真三維模型；實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)；測(cè)繪

測(cè)繪工程技術(shù)主要研究工程建設(shè)在勘察設(shè)計(jì)、施工建設(shè)、運(yùn)營(yíng)管理等階段所用到的各種測(cè)量技術(shù)和方法，該技術(shù)主要應(yīng)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(lǐng)域，尤其在工程建設(shè)中起著極其重要的作用。當(dāng)前全球定位系統(tǒng)、攝影測(cè)量和遙感技術(shù)、三維激光雷達(dá)技術(shù)、傾斜攝影測(cè)量技術(shù)等現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，為“數(shù)字城市”“智慧城市”以及“數(shù)字地球”的實(shí)現(xiàn)奠定了空間數(shù)據(jù)快速獲取的基礎(chǔ)，因此，測(cè)繪工程技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。

一、“三維實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)”構(gòu)建的意義

現(xiàn)代測(cè)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(cè)繪技術(shù)的支持，比如，汽車導(dǎo)航、智慧交通等。因此，該技術(shù)對(duì)其他專業(yè)（土木工程、交通工程、材料工程、港口工程）的學(xué)生來(lái)說(shuō)，也是需要掌握的基本知識(shí)，因此，測(cè)繪實(shí)踐教學(xué)及實(shí)驗(yàn)室建設(shè)存在比較大的壓力，主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面。

1. 實(shí)驗(yàn)儀器的使用達(dá)到極限

雖然每年都要購(gòu)買一定數(shù)量的實(shí)驗(yàn)儀器，但隨著招生規(guī)模的不斷擴(kuò)大、部分儀器損毀報(bào)廢和測(cè)量實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)教學(xué)工作量的增加，測(cè)量實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備仍無(wú)法滿足學(xué)生規(guī)模不斷擴(kuò)大和不同專業(yè)交叉教學(xué)的需求，造成了測(cè)量實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備已接近使用極限。

2. 測(cè)量課程實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)場(chǎng)地不規(guī)范

由于測(cè)量實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)數(shù)的限制，課程實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)大多選擇在校內(nèi)進(jìn)行，校內(nèi)場(chǎng)地條件不規(guī)范，并且和作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量條件存在比較大的差異。

3. 綜合實(shí)習(xí)效果不佳

課程綜合性實(shí)習(xí)是在學(xué)生掌握了一定的專業(yè)技術(shù)知識(shí)之后，為了鍛煉學(xué)生利用學(xué)習(xí)的專業(yè)知識(shí)綜合解決實(shí)際生產(chǎn)問(wèn)題所進(jìn)行的實(shí)習(xí)，其實(shí)習(xí)的時(shí)間較長(zhǎng)，實(shí)習(xí)的方式也不統(tǒng)一。

一是根據(jù)不同的實(shí)習(xí)內(nèi)容，選擇場(chǎng)地進(jìn)行實(shí)地實(shí)習(xí)或者參觀實(shí)習(xí)，該方式需要學(xué)生身臨其境，才能收到較好的實(shí)習(xí)效果，但由于選擇的實(shí)習(xí)場(chǎng)地會(huì)受到野外地形條件、實(shí)習(xí)安全等諸多因素的限制，使得實(shí)習(xí)效果受到很大的影響。

二是到簽約的實(shí)習(xí)基地去參加生產(chǎn)實(shí)習(xí)，該方式與生產(chǎn)單位具體工程項(xiàng)目相結(jié)合進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)習(xí)，真實(shí)性比較強(qiáng)，能收到較好的效果，學(xué)生能得到真正的鍛煉，同時(shí)也能解決生產(chǎn)單位測(cè)繪人手不夠的問(wèn)題。但該方式的缺點(diǎn)是生產(chǎn)實(shí)習(xí)的內(nèi)容不一定與生產(chǎn)單位工程項(xiàng)目相吻合，并且實(shí)習(xí)時(shí)間也會(huì)受到生產(chǎn)單位工期的限制，很難滿足實(shí)踐教學(xué)的要求。

因此，為了使測(cè)繪學(xué)生能夠適應(yīng)測(cè)繪行業(yè)的技術(shù)發(fā)展與社會(huì)需求，提高該專業(yè)學(xué)生的綜合實(shí)踐技能、數(shù)據(jù)處理能力和分析、解決問(wèn)題能力，需要在原有實(shí)踐教學(xué)的基礎(chǔ)上，對(duì)測(cè)繪實(shí)踐教學(xué)方式和手段進(jìn)行改革，使得測(cè)繪實(shí)踐教學(xué)能夠更加貼近實(shí)際的生產(chǎn)環(huán)境，符合測(cè)繪新技術(shù)發(fā)展的需要。

二、“三維實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)”的組成

根據(jù)測(cè)繪工程學(xué)習(xí)領(lǐng)域和課程體系的要求，該三維實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)以加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)際操作能力和生產(chǎn)性實(shí)訓(xùn)為目的，模擬生產(chǎn)項(xiàng)目的實(shí)際情況，各實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的內(nèi)容都來(lái)源于實(shí)際的生產(chǎn)單位。結(jié)合測(cè)繪行業(yè)背景和區(qū)域優(yōu)勢(shì)，根據(jù)測(cè)繪行業(yè)的崗位需求，確定測(cè)繪學(xué)生應(yīng)具備的專業(yè)技能和培養(yǎng)目標(biāo)，并將這些培養(yǎng)目標(biāo)分解到平時(shí)的教學(xué)和實(shí)踐環(huán)節(jié)中，逐步形成以基礎(chǔ)能力、專項(xiàng)能力為基礎(chǔ)，綜合能力為重點(diǎn)，三個(gè)層面有機(jī)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)體系。

1. 工程數(shù)字化測(cè)圖平臺(tái)建設(shè)

（1）工程數(shù)字化測(cè)圖平臺(tái)建設(shè)

① 測(cè)圖控制網(wǎng)建設(shè)

根據(jù)校區(qū)地形地物的分布特點(diǎn)，在校區(qū)三維模型中布設(shè)3個(gè)一級(jí)導(dǎo)線控制網(wǎng)，控制網(wǎng)點(diǎn)數(shù)30個(gè)左右，并設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)的導(dǎo)線控制點(diǎn)標(biāo)石。

② 控制網(wǎng)模擬觀測(cè)

根據(jù)一級(jí)導(dǎo)線網(wǎng)的要求，對(duì)布設(shè)的導(dǎo)線網(wǎng)進(jìn)行模擬觀測(cè)，并對(duì)觀測(cè)值進(jìn)行平差，計(jì)算得出控制點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并對(duì)模擬控制網(wǎng)進(jìn)行精度評(píng)定。

（2）工程數(shù)字化測(cè)圖數(shù)據(jù)處理平臺(tái)建設(shè)

① 數(shù)據(jù)處理軟件

利用計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)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(kù)軟件為輔的測(cè)圖數(shù)據(jù)處理平臺(tái)。

② 圖形輸出設(shè)備

以大型寬幅繪圖儀設(shè)備，對(duì)完整的數(shù)字圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖輸出，提供完整的數(shù)字地形圖。

該工程數(shù)字化測(cè)圖平臺(tái)建成后，可以滿足多個(gè)班級(jí)同時(shí)進(jìn)行校園數(shù)字化測(cè)圖實(shí)習(xí)，學(xué)生可以在此數(shù)字化平臺(tái)進(jìn)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(cè)圖數(shù)據(jù)處理平臺(tái)進(jìn)行內(nèi)業(yè)成圖和編輯實(shí)習(xí)。

2. 工程施工放樣平臺(tái)建設(shè)

（1）施工放樣平臺(tái)建設(shè)

根據(jù)校區(qū)三維模型，為建筑物點(diǎn)位放樣、高程放樣、場(chǎng)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(shí)習(xí)場(chǎng)地，在場(chǎng)地內(nèi)設(shè)計(jì)可供放樣的數(shù)據(jù)，利用該場(chǎng)地內(nèi)的已知控制點(diǎn)和放樣數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)地放樣。

（2）線路放樣場(chǎng)地建設(shè)

場(chǎng)地設(shè)在校區(qū)三維模型主路上，設(shè)置一系列的中樁，該線路放樣的場(chǎng)地長(zhǎng)度自校區(qū)東門至南門，每隔20 m釘一中樁，總長(zhǎng)度為1.5 km左右，主要為學(xué)生進(jìn)行線路測(cè)量的中平測(cè)量、曲線測(cè)量、縱橫剖面測(cè)量實(shí)驗(yàn)提供條件。

（3）施工測(cè)量數(shù)據(jù)處理平臺(tái)建設(shè)

利用交通土建工程學(xué)院的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室，結(jié)合工程測(cè)量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)構(gòu)建線路輔助設(shè)計(jì)、建筑物工程施工放樣數(shù)據(jù)計(jì)算、公路工程設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)計(jì)算的平臺(tái)。

3. 工程變形監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

（1）工程變形監(jiān)測(cè)平臺(tái)建設(shè)

① 變形監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)布設(shè)

在校區(qū)三維模型中布設(shè)應(yīng)用于建筑物變形監(jiān)測(cè)的測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)和應(yīng)用于變形監(jiān)測(cè)的控制點(diǎn)，組成變形監(jiān)測(cè)測(cè)量控制網(wǎng)，并對(duì)測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)和控制網(wǎng)進(jìn)行高精度的聯(lián)測(cè)，獲取高精度變形監(jiān)測(cè)的基準(zhǔn)。

② 變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)變形監(jiān)測(cè)區(qū)域的情況，選擇建筑物的變形監(jiān)測(cè)工作基點(diǎn)和建筑物的變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并且設(shè)置相應(yīng)的測(cè)量標(biāo)石和標(biāo)志。

（2）變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)建設(shè)

利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)建變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)建筑物沉降變形量、不均勻沉降及沉降速率的計(jì)算，計(jì)算周期沉降量、周期沉降速率、地基傾斜、局部?jī)A斜、相對(duì)彎曲和構(gòu)件傾斜等。

① 計(jì)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(jì)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(cè)中，本實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)可以將測(cè)量?jī)x器的觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)電子傳輸或者鍵盤(pán)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(dòng)計(jì)算各種沉降和位移值；同時(shí)生成多種變形觀測(cè)成果表；繪制復(fù)雜的曲線圖；是本系統(tǒng)提供的變形過(guò)程回歸分析及預(yù)測(cè)功能，為變形過(guò)程的穩(wěn)定性分析提供了科學(xué)依據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重建筑物（構(gòu)筑物）變形的原因，改正導(dǎo)致變形的不良因素。

三、“三維實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)”的構(gòu)建

1. 校園真三維模型構(gòu)建

（1）基礎(chǔ)地形模型建模

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

（2）地物精細(xì)建模

對(duì)于校園建筑物、構(gòu)筑物等地物進(jìn)行精細(xì)建模，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)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(diǎn)地物的矢量邊界數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)導(dǎo)入MAYA、3DMAX、SKETCHUP等建模軟件，通過(guò)圖形設(shè)計(jì)、模型構(gòu)建、紋理貼圖、光照渲染等步驟建立精細(xì)模型，最后將構(gòu)建好的精細(xì)模型導(dǎo)入ArcGIS、Skyline等三維平臺(tái)軟件環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)精細(xì)模型與三維地形的無(wú)縫融合。

2. 基于校園真三維模型的模擬控制測(cè)量

根據(jù)校園真三維模型，可以在校區(qū)場(chǎng)地選取工程數(shù)字化測(cè)圖、施工放樣和變形監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)，設(shè)置控制測(cè)量標(biāo)石和標(biāo)志，布設(shè)工程數(shù)字化控制網(wǎng)，模擬完成控制網(wǎng)的布設(shè)和測(cè)算，并可以進(jìn)行控制網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)之上，進(jìn)行計(jì)算機(jī)軟件的安裝和測(cè)試工作，并對(duì)軟件各模塊的功能進(jìn)行檢查檢驗(yàn)，完成模擬控制測(cè)量平臺(tái)建設(shè)。

3. 基于校園真三維模型的放樣測(cè)量

在三維模型平臺(tái)，設(shè)計(jì)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(shè)施工放樣三維控制點(diǎn)，根據(jù)施工放樣的工作內(nèi)容，分別確定點(diǎn)位放樣、高程放樣、主軸線方向、建筑物放樣等操作方案，并進(jìn)行高精度施工放樣模擬實(shí)驗(yàn)。對(duì)施工放樣平臺(tái)進(jìn)行安裝調(diào)試，測(cè)試各計(jì)算模塊的功能，并對(duì)實(shí)測(cè)的施工放樣案例進(jìn)行計(jì)算分析，完成工程施工放樣平臺(tái)建設(shè)。

4. 基于校園真三維模型的變形監(jiān)測(cè)

根據(jù)校區(qū)三維平臺(tái)，選擇距離變形區(qū)域比較遠(yuǎn)并且穩(wěn)定的山上，布置工程建筑物變形監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)，在變形體附近布置工作基點(diǎn)，在變形體上面布置變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并進(jìn)行高精度的控制網(wǎng)模擬計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件，進(jìn)行計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)安裝調(diào)試，測(cè)試各計(jì)算模塊的功能，并對(duì)實(shí)測(cè)的工程變形監(jiān)測(cè)案例進(jìn)行計(jì)算分析，完成工程施工放樣平臺(tái)建設(shè)。

四、結(jié)束語(yǔ)

測(cè)繪工程專業(yè)是一個(gè)應(yīng)用性專業(yè)，非常重視實(shí)踐操作和新技術(shù)的運(yùn)用。實(shí)踐教學(xué)是測(cè)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(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的建立，使測(cè)繪專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)取得了較好的效果。

1. 可以增強(qiáng)對(duì)專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)效果

利用精確的三維模型平臺(tái)，結(jié)合先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和精心設(shè)計(jì)的實(shí)踐課程，可以使學(xué)生掌握測(cè)角、測(cè)距等基本實(shí)踐技能，培養(yǎng)綜合運(yùn)用經(jīng)緯儀、全站儀、水準(zhǔn)儀等測(cè)繪儀器的能力；三維實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容融入三維虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，可以激發(fā)學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐操作學(xué)習(xí)的興趣、主動(dòng)性和創(chuàng)新能力，使其能夠掌握?qǐng)?jiān)實(shí)的基礎(chǔ)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(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，實(shí)行開(kāi)放式教學(xué)，學(xué)生可以根據(jù)需要申請(qǐng)上機(jī)模擬操作，從而保證學(xué)生能夠熟練掌握GPS、全站儀等各種測(cè)繪儀器的操作，并能夠應(yīng)用GPS數(shù)據(jù)處理軟件、地理信息系統(tǒng)軟件、攝影測(cè)量與遙感軟件進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)處理和開(kāi)發(fā)，為將來(lái)的就業(yè)做好準(zhǔn)備。

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

三維實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的建立和開(kāi)放，將給學(xué)生提供更加真實(shí)的實(shí)習(xí)環(huán)境，進(jìn)一步提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。目前，山東省教育廳每年舉行山東省大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，本校測(cè)繪專業(yè)的學(xué)生一直積極參加；山東省測(cè)繪學(xué)會(huì)和南方測(cè)繪儀器公司每年都舉行大學(xué)生測(cè)繪技能大賽，本校學(xué)生多次取得優(yōu)異的成績(jī)；此外，學(xué)校還每年設(shè)立本科生科研立項(xiàng)，測(cè)繪專業(yè)學(xué)生參與申請(qǐng)數(shù)連年增加。

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基金項(xiàng)目：本論文受到了山東交通學(xué)院教學(xué)改革項(xiàng)目“基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三維實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)構(gòu)建研究”（JG201616）的資助。