“誤差理論與測(cè)量平差基礎(chǔ)”教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陶秋香，劉國(guó)林，翟 敏

“誤差理論與測(cè)量平差基礎(chǔ)”教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陶秋香，劉國(guó)林，翟 敏

(山東科技大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島266590)

一、引言

“誤差理論與測(cè)量平差基礎(chǔ)”是測(cè)繪類專業(yè)的基礎(chǔ)核心課程之一，該課程教學(xué)質(zhì)量的高低，教學(xué)效果的好壞，會(huì)影響學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的成績(jī)、后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)質(zhì)量以及學(xué)生畢業(yè)后從事測(cè)繪生產(chǎn)和科研工作的能力［1-2］。由于本課程教學(xué)內(nèi)容涉及高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、數(shù)字測(cè)圖、測(cè)量學(xué)等多個(gè)學(xué)科，教學(xué)中基本概念、數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)多，計(jì)算復(fù)雜，給教學(xué)帶來很大的困難。一直是教師難教、學(xué)生難學(xué)的課程［3-5］。

為了提高“誤差理論與測(cè)量平差基礎(chǔ)”的教學(xué)效果，邱衛(wèi)寧等對(duì)該課程的教與學(xué)進(jìn)行了不斷的探索和創(chuàng)新，取得了不少的研究成果［6-9］。本文結(jié)合目前筆者所在學(xué)校本課程建設(shè)和教學(xué)的實(shí)際情況，提出構(gòu)建“誤差理論與測(cè)量平差基礎(chǔ)”的教學(xué)系統(tǒng)，輔助本課程的本科教學(xué)，形象地將平差理論與測(cè)繪實(shí)踐結(jié)合在一起，從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的積極性和應(yīng)用測(cè)量平差理論解決測(cè)繪實(shí)際問題的能力。

二、“誤差理論與測(cè)量平差基礎(chǔ)”教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)的必要性

隨著GPS、GIS和RS等新技術(shù)的不斷出現(xiàn)及廣泛應(yīng)用，觀測(cè)數(shù)據(jù)和估計(jì)量的類型更加多樣，測(cè)量平差數(shù)據(jù)處理的要求和任務(wù)都在不斷提高，“誤差理論與測(cè)量平差基礎(chǔ)”教學(xué)中例題和習(xí)題的選擇也需要更緊密地與測(cè)繪實(shí)踐結(jié)合［10］。但由于學(xué)時(shí)數(shù)的限制，并且考慮學(xué)生接受的難易程度，教材中所列舉的算例、課外的習(xí)題、作業(yè)，大都是網(wǎng)形簡(jiǎn)單的水準(zhǔn)網(wǎng)和導(dǎo)線網(wǎng)平差。在測(cè)量技術(shù)日益多樣化的今天，這與測(cè)繪生產(chǎn)實(shí)踐是脫節(jié)的;課程本身所涉及的理論比較抽象、枯燥，學(xué)生對(duì)講授的知識(shí)點(diǎn)缺乏感性認(rèn)識(shí)，理解和接受起來比較困難。這些都大大挫傷了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，致使學(xué)生考試成績(jī)分布不合理，與期望值差別較大。

在開設(shè)“誤差理論與測(cè)量平差基礎(chǔ)”之前，學(xué)生已經(jīng)具有一定的計(jì)算機(jī)編程能力，但大多數(shù)學(xué)生仍很難利用所學(xué)編程語言，如C、C++、Matlab等編制測(cè)量平差程序，這主要是因?yàn)樵撜n程的教學(xué)與流行軟件和編程語言相結(jié)合的切入點(diǎn)太少，影響了學(xué)生將所學(xué)各課程相通知識(shí)融會(huì)貫通能力的培養(yǎng)與提高，阻礙了學(xué)生創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)。

“誤差理論與測(cè)量平差基礎(chǔ)”教學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)建就是針對(duì)上述教學(xué)中的不足，理論聯(lián)系實(shí)際，將課堂上無法完成的復(fù)雜但與測(cè)繪前沿及實(shí)踐結(jié)合比較緊密的平差實(shí)例引入系統(tǒng)，拓寬教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生視野;同時(shí)，讓學(xué)生利用所學(xué)的計(jì)算機(jī)理論知識(shí)和編程語言，編制簡(jiǎn)單的測(cè)量平差程序，加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，提高學(xué)生的實(shí)踐能力，最大限度地發(fā)揮主觀能動(dòng)性，改善教學(xué)效果。

三、教學(xué)系統(tǒng)功能模塊與界面設(shè)計(jì)

“誤差理論與測(cè)量平差基礎(chǔ)”的本科教學(xué)緊緊圍繞4種基本平差方法，即條件平差、附有參數(shù)的條件平差、間接平差和附有限制條件的間接平差進(jìn)行的。以中國(guó)礦業(yè)大學(xué)張書畢主編的《測(cè)量平差》［11］為例，第一章主要講授用于4種基本平差方法精度評(píng)定的協(xié)方差和協(xié)因數(shù)兩大誤差傳播定律;第二章主要講授4種基本平差方法的數(shù)學(xué)模型列立及其線性化方法、用于模型解算的最小二乘原理;第三章和第四章主要講授4種平差方法原理式的推導(dǎo)、應(yīng)用及其精度評(píng)定;第五章主要講授4種平差方法在測(cè)繪工程中的應(yīng)用實(shí)例;第六章主要講授用于平面控制網(wǎng)精度評(píng)定的誤差橢圓相關(guān)知識(shí)。教學(xué)中的難點(diǎn)內(nèi)容較多，如平面控制網(wǎng)條件方程、誤差方程的列立、誤差橢圓三要素的求解及其繪制等。考慮教學(xué)的主要內(nèi)容、重點(diǎn)、難點(diǎn)和學(xué)生學(xué)習(xí)的薄弱環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)了如圖1、圖2所示的“誤差理論與測(cè)量平差基礎(chǔ)”教學(xué)系統(tǒng)的功能模塊和界面。

圖1 “誤差理論與測(cè)量平差基礎(chǔ)”教學(xué)系統(tǒng)功能模塊

從圖1可以看出，①該系統(tǒng)將測(cè)繪工作中常見的水準(zhǔn)網(wǎng)、導(dǎo)線網(wǎng)和GPS網(wǎng)的平差問題同時(shí)采用4種基本平差方法進(jìn)行處理，不僅有利于學(xué)生更好地掌握各種平差方法的原理、數(shù)據(jù)處理的流程，還能夠使他們充分認(rèn)識(shí)“同一平差問題，在同一最小二乘準(zhǔn)則下，無論選擇什么平差方法，平差結(jié)果所得到的估計(jì)量平差值及其方差陣都是相同的”的平差本質(zhì)，是嚴(yán)密的數(shù)據(jù)處理方法;②該系統(tǒng)包含了高斯坐標(biāo)正反算、大地坐標(biāo)與三維直角坐標(biāo)互換等坐標(biāo)轉(zhuǎn)換功能模塊。學(xué)生在測(cè)繪工作中經(jīng)常會(huì)碰到不同坐標(biāo)系統(tǒng)相互轉(zhuǎn)換的問題，通過該模塊的使用和程序編制，學(xué)生基本能掌握常用的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型和間接平差法在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用，提高他們分析問題、解決實(shí)際問題的實(shí)踐能力。

圖2是在Matlab環(huán)境下開發(fā)的教學(xué)系統(tǒng)界面。該界面采用菜單操作模式，簡(jiǎn)明扼要，便于學(xué)生理解和使用。

圖2 “誤差理論與測(cè)量平差基礎(chǔ)”教學(xué)系統(tǒng)界面

四、教學(xué)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

利用C++、VB、Matlab等編程語言均可實(shí)現(xiàn)該教學(xué)系統(tǒng)。本文結(jié)合GPS網(wǎng)間接平差實(shí)例，闡述在Matlab環(huán)境下該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法和流程。

1．界面設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

利用Matlab軟件自帶的圖形用戶界面GUI，設(shè)計(jì)如圖2所示的教學(xué)系統(tǒng)界面，添加水準(zhǔn)網(wǎng)、導(dǎo)線網(wǎng)、GPS網(wǎng)等菜單項(xiàng)及其下拉菜單，即可實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)界面。

2．程序?qū)崿F(xiàn)

界面布局設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)后，即可在界面框架下實(shí)現(xiàn)菜單選項(xiàng)的回調(diào)，即當(dāng)點(diǎn)擊菜單的某個(gè)選項(xiàng)后有相應(yīng)的平差程序運(yùn)行。平差程序的實(shí)現(xiàn)主要包括觀測(cè)數(shù)據(jù)的組織與讀入、觀測(cè)量與待求量近似值的選取與計(jì)算、權(quán)陣、函數(shù)模型系數(shù)陣和常數(shù)項(xiàng)的計(jì)算、觀測(cè)量與待求量平差值的求解及其精度評(píng)定［12-14］。圖3為基于Matlab的GPS網(wǎng)間接平差程序設(shè)計(jì)流程。

圖3 基于Matlab的GPS網(wǎng)間接平差程序設(shè)計(jì)流程

3．應(yīng)用實(shí)例

GPS網(wǎng)平差是以構(gòu)成GPS向量的三維坐標(biāo)差作為觀測(cè)值進(jìn)行平差，數(shù)據(jù)處理量大，很難將其作為例題或習(xí)題引入課堂教學(xué)中。例如，如圖4所示是一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的GPS控制網(wǎng)，其中只有一個(gè)已知點(diǎn)和7待定點(diǎn)，測(cè)得基線向量16條，各基線向量相互獨(dú)立(已知點(diǎn)信息、16條基線向量觀測(cè)值及其對(duì)應(yīng)的方差陣略)。若用間接平差對(duì)該網(wǎng)進(jìn)行平差，需要列出48個(gè)誤差方程，組成21個(gè)法方程解算觀測(cè)量和待求量的平差值并進(jìn)行相應(yīng)的精度評(píng)定，手工計(jì)算量太大，難以實(shí)現(xiàn)。對(duì)于這樣的習(xí)題，學(xué)生就可以借助“誤差理論與測(cè)量平差基礎(chǔ)”教學(xué)系統(tǒng)，編程實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)的組織與輸入、誤差方程系數(shù)陣、觀測(cè)值權(quán)陣的確定直到誤差橢圓的繪制的完整平差過程，得出平差結(jié)果。圖5和圖6分別是利用該系統(tǒng)得出的平差結(jié)果及其誤差橢圓圖。

圖4 GPS網(wǎng)平差示例

圖5 GPS平差結(jié)果

圖6 GPS控制網(wǎng)圖及其誤差橢圓

五、結(jié)束語

本文從拓寬教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生視野、加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)、提高學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的感性認(rèn)識(shí)等方面，闡述了“誤差理論與測(cè)量平差基礎(chǔ)”教學(xué)系統(tǒng)構(gòu)建的必要性;考慮本課程本科教學(xué)的主要內(nèi)容、重點(diǎn)、難點(diǎn)和學(xué)生學(xué)習(xí)的薄弱環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)了“誤差理論與測(cè)量平差基礎(chǔ)”教學(xué)系統(tǒng)的功能模塊和界面;結(jié)合GPS網(wǎng)間接平差實(shí)例，給出在Matlab環(huán)境下該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法、流程及其應(yīng)用情況。

本文研究結(jié)果表明:①“誤差理論與測(cè)量平差基礎(chǔ)”教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)和使用，能直觀地將測(cè)繪實(shí)踐與測(cè)量平差數(shù)據(jù)處理理論相結(jié)合，使抽象的理論知識(shí)具體化，便于學(xué)生理解和接受，提高學(xué)習(xí)的積極性，進(jìn)而提高學(xué)習(xí)成績(jī);②該系統(tǒng)可讓學(xué)生利用自己所學(xué)的計(jì)算機(jī)編程語言，結(jié)合測(cè)繪工作中常用控制網(wǎng)形或其他與測(cè)繪前沿及實(shí)踐結(jié)合比較緊密的平差實(shí)例，編制簡(jiǎn)單的平差程序，充分發(fā)揮學(xué)生自主學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，提高實(shí)踐能力，更好地為今后的工作或科研打下基礎(chǔ)。

［1］ 武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院測(cè)量平差學(xué)科組．誤差理論與測(cè)量平差基礎(chǔ)［M］．武漢:武漢大學(xué)出版社，2003．

［2］ 張書畢．加強(qiáng)“誤差理論與測(cè)量平差基礎(chǔ)”課程教學(xué)的探討［J］．測(cè)繪通報(bào)，2004( 5) : 56-57．

［3］ 龔濤．測(cè)量平差課程教學(xué)探討［J］．測(cè)繪通報(bào)，2003 ( 4) : 66-68．

［4］ 黑志堅(jiān)，周秋生．測(cè)量平差教學(xué)改革與實(shí)踐［J］．測(cè)繪工程，2001，10( 2) : 59-62．

［5］ 趙寶峰．《誤差理論與測(cè)量平差基礎(chǔ)》課程教學(xué)研究與實(shí)踐［J］．礦山測(cè)量，2006( 4) : 73-75．

［6］ 邱衛(wèi)寧，王新洲，陶本藻．測(cè)量平差教學(xué)體系的設(shè)計(jì)與研究［J］．測(cè)繪通報(bào)，2006( 2) : 67-69．

［7］ 邱衛(wèi)寧，陶本藻，姚宜斌．誤差理論與測(cè)量平差基礎(chǔ)精品課程的建設(shè)與實(shí)踐［J］．測(cè)繪工程，2011，20 ( 1) : 77-80．

［8］ 潘雄．“測(cè)量平差基礎(chǔ)”課教學(xué)探討［J］．中國(guó)地質(zhì)教育，2006( 4) : 121-123．

［9］ 蔡群，趙寶峰，崔旭升．《測(cè)量平差基礎(chǔ)》教學(xué)改革探索［J］．中國(guó)成人教育，2005( 1) : 79-80．

［10］姚吉利，孔維華．測(cè)量平差基礎(chǔ)例題和習(xí)題選擇方案［J］．測(cè)繪通報(bào)，2004( 7) : 57-59．

［11］張書畢．測(cè)量平差［M］．徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2008．

［12］董春來．MATLAB語言及測(cè)繪數(shù)據(jù)處理應(yīng)用［M］．成都:西南交通大學(xué)出版社，2012．

［13］李建章，陳海鷹，紀(jì)鳳仙，等．測(cè)量數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì)［M］．北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2012．

［14］張紅華．Matlab軟件對(duì)測(cè)量平差教學(xué)的啟示［J］．礦山測(cè)量，2013( 2) : 96-99．

Design and Implementation of Error Theory and Surveying Adjustment Basis Teaching System

TAO Qiuxiang，LIU Guolin，ZHAI Min

為擴(kuò)充教學(xué)內(nèi)容、改善教學(xué)效果、輔助本課程的本科教學(xué)，提出了構(gòu)建“誤差理論與測(cè)量平差基礎(chǔ)”的教學(xué)系統(tǒng)。結(jié)合目前筆者所在學(xué)校本課程本科教學(xué)的實(shí)際情況，論述了構(gòu)建“誤差理論與測(cè)量平差基礎(chǔ)”教學(xué)系統(tǒng)的必要性;基于教學(xué)的主要內(nèi)容、重點(diǎn)和難點(diǎn)，設(shè)計(jì)了教學(xué)系統(tǒng)的功能模塊和系統(tǒng)界面;以Matlab環(huán)境下GPS網(wǎng)間接平差為例，闡述了該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法、流程和應(yīng)用。研究結(jié)果表明，該系統(tǒng)可加深學(xué)生對(duì)課堂理論知識(shí)的感性認(rèn)識(shí)，充分發(fā)揮學(xué)生自主學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，提高實(shí)踐能力。

誤差理論與測(cè)量平差基礎(chǔ);教學(xué)系統(tǒng); Matlab; GPS網(wǎng)間接平差

陶秋香( 1977—)，女，博士，副教授，主要研究方向?yàn)镮nSAR監(jiān)測(cè)地表形變的原理與應(yīng)用等。E-mail: qiuxiangtao@ 163．com

book=128,ebook=131

G64

B

0494-0911( 2015) 11-0125-04

陶秋香，劉國(guó)林，翟敏．“誤差理論與測(cè)量平差基礎(chǔ)”教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．測(cè)繪通報(bào)，2015( 11) : 125-128．

10．13474/j．cnki．11-2246．2015．0363

2014-07-10

山東科技大學(xué)教學(xué)研究項(xiàng)目( qx2013210)