基于真三維模型的測繪實踐教學平臺構建研究

周保興

摘 要：測繪工程是一個以應用為基礎的工程學科，無論是基礎測繪數據采集，還是大型工程建設中工程測量，都需要熟練掌握外業測繪數據采集和內業數據處理的方法。這就需要加強測繪工程專業學生的實踐操作能力和協同創新能力。因此，基于三維模型構建技術，結合測繪專業的特點，構建本專業的三維實踐教學平臺，培養測繪專業學生的實踐操作能力，提高其專業技術水平，使其能夠更加適應當前經濟發展和社會需求，具有重要的現實意義。

關鍵詞：真三維模型；實踐教學平臺；測繪

測繪工程技術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和方法，該技術主要應用于工業和民用建筑、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、攝影測量和遙感技術、三維激光雷達技術、傾斜攝影測量技術等現代測繪技術的應用和發展，為“數字城市”“智慧城市”以及“數字地球”的實現奠定了空間數據快速獲取的基礎，因此，測繪工程技術具有廣闊的應用和發展前景。

一、“三維實踐教學平臺”構建的意義

現代測繪技術已經深入人們的日常生活中，凡是需要空間位置的行業都需要測繪技術的支持，比如，汽車導航、智慧交通等。因此，該技術對其他專業（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量的實驗儀器，但隨著招生規模的不斷擴大、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模不斷擴大和不同專業交叉教學的需求，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范

由于測量實驗學時數的限制，課程實驗實習大多選擇在校內進行，校內場地條件不規范，并且和作業現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技術知識之后，為了鍛煉學生利用學習的專業知識綜合解決實際生產問題所進行的實習，其實習的時間較長，實習的方式也不統一。

一是根據不同的實習內容，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實習，該方式與生產單位具體工程項目相結合進行生產實習，真實性比較強，能收到較好的效果，學生能得到真正的鍛煉，同時也能解決生產單位測繪人手不夠的問題。但該方式的缺點是生產實習的內容不一定與生產單位工程項目相吻合，并且實習時間也會受到生產單位工期的限制，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的技術發展與社會需求，提高該專業學生的綜合實踐技能、數據處理能力和分析、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環境，符合測繪新技術發展的需要。

二、“三維實踐教學平臺”的組成

根據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性實訓為目的，模擬生產項目的實際情況，各實訓項目的內容都來源于實際的生產單位。結合測繪行業背景和區域優勢，根據測繪行業的崗位需求，確定測繪學生應具備的專業技能和培養目標，并將這些培養目標分解到平時的教學和實踐環節中，逐步形成以基礎能力、專項能力為基礎，綜合能力為重點，三個層面有機結合的實踐教學體系。

1. 工程數字化測圖平臺建設

（1）工程數字化測圖平臺建設

① 測圖控制網建設

根據校區地形地物的分布特點，在校區三維模型中布設3個一級導線控制網，控制網點數30個左右，并設置標準的導線控制點標石。

② 控制網模擬觀測

根據一級導線網的要求，對布設的導線網進行模擬觀測，并對觀測值進行平差，計算得出控制點的坐標數據，并對模擬控制網進行精度評定。

（2）工程數字化測圖數據處理平臺建設

① 數據處理軟件

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

② 圖形輸出設備

以大型寬幅繪圖儀設備，對完整的數字圖形數據進行繪圖輸出，提供完整的數字地形圖。

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

2. 工程施工放樣平臺建設

（1）施工放樣平臺建設

根據校區三維模型，為建筑物點位放樣、高程放樣、場地平整、主軸線放樣、建筑方格網放樣、房屋放樣等提供模擬實習場地，在場地內設計可供放樣的數據，利用該場地內的已知控制點和放樣數據進行實地放樣。

（2）線路放樣場地建設

場地設在校區三維模型主路上，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）施工測量數據處理平臺建設

利用交通土建工程學院的計算機實驗室，結合工程測量數據處理系統構建線路輔助設計、建筑物工程施工放樣數據計算、公路工程設計及數據計算的平臺。

3. 工程變形監測實驗平臺建設

（1）工程變形監測平臺建設

① 變形監測控制網布設

在校區三維模型中布設應用于建筑物變形監測的測量基準點和應用于變形監測的控制點，組成變形監測測量控制網，并對測量基準點和控制網進行高精度的聯測，獲取高精度變形監測的基準。

② 變形監測點布設

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

（2）變形監測數據處理平臺建設

利用計算機系統構建變形監測數據處理平臺，實現建筑物沉降變形量、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、相對彎曲和構件傾斜等。

① 計算地基基坑周邊建（構）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系值、位移的周期變化值、位移速率等

在建（構）筑沉降觀測中，本實踐教學平臺可以將測量儀器的觀測數據，通過電子傳輸或者鍵盤手工鍵入的方式，輸入到本系統的電子表格中；按照相關規范和要求，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；是本系統提供的變形過程回歸分析及預測功能，為變形過程的穩定性分析提供了科學依據，及時發現嚴重建筑物（構筑物）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”的構建

1. 校園真三維模型構建

（1）基礎地形模型建模

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

（2）地物精細建模

對于校園建筑物、構筑物等地物進行精細建模，需要根據現場實測建筑物尺寸數據繪制精確的CAD圖形，并結合衛星影像的模型底圖，提取校園內重點地物的矢量邊界數據，將這些數據導入MAYA、3DMAX、SKETCHUP等建模軟件，通過圖形設計、模型構建、紋理貼圖、光照渲染等步驟建立精細模型，最后將構建好的精細模型導入ArcGIS、Skyline等三維平臺軟件環境中，實現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

根據校園真三維模型，可以在校區場地選取工程數字化測圖、施工放樣和變形監測控制點，設置控制測量標石和標志，布設工程數字化控制網，模擬完成控制網的布設和測算，并可以進行控制網的優化設計。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域，布設施工放樣三維控制點，根據施工放樣的工作內容，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測

根據校區三維平臺，選擇距離變形區域比較遠并且穩定的山上，布置工程建筑物變形監測基準點，在變形體附近布置工作基點，在變形體上面布置變形監測點，并進行高精度的控制網模擬計算和優化設計。對變形監測數據處理系統軟件，進行計算機實驗安裝調試，測試各計算模塊的功能，并對實測的工程變形監測案例進行計算分析，完成工程施工放樣平臺建設。

四、結束語

測繪工程專業是一個應用性專業，非常重視實踐操作和新技術的運用。實踐教學是測繪專業人才培養中非常重要的環節，也是確保畢業生就業質量、提高就業能力的保障。三維實踐教學平臺的建立，使測繪專業的實踐教學取得了較好的效果。

1. 可以增強對專業知識的學習效果

利用精確的三維模型平臺，結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，培養綜合運用經緯儀、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容融入三維虛擬現實環境中，可以激發學生進行實踐操作學習的興趣、主動性和創新能力，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據處理能力

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數據處理軟件、地理信息系統軟件、攝影測量與遙感軟件進行相應數據處理和開發，為將來的就業做好準備。

3. 可以培養創新意識和創新能力

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境，進一步提高學生的創新意識和創新能力。目前，山東省教育廳每年舉行山東省大學生實踐創新訓練計劃項目，本校測繪專業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異的成績；此外，學校還每年設立本科生科研立項，測繪專業學生參與申請數連年增加。

參考文獻：

[1]湯俊，李長春.卓越計劃背景下“測量程序設計”課程教學改革研究[J].測繪工程，2017（1）：77-80.

[2]黃張裕，徐佳，劉志強.面向信息化測繪的實踐教學體系構建[J].測繪工程，2014，23（4）：76-80.

[3]王永弟，孫景領.Web 2.0環境下測繪實踐個性化平臺的構建[J].測繪與空間地理信息，2014，37（10）：95-96.

[4]楊曉云，梁鑫，吳輝琴，等.非測繪專業數字化測圖實踐教學平臺建設研究[J].教育教學論壇，2017（19）：111-112.

[5]陸靜.大學生能力目標實現的“三維實踐平臺”研究——以文化產業管理專業為例[J].石家莊學院學報，2016（2）：137-141.

[6]李英平，張代治，于相慧，等.三維設計方法在實踐教學中的應用與實踐[J].長春大學學報，2003，13（5）：88-90.

[7]李宏才，閆清東，王濤.三維視景仿真技術在實踐教學中的應用研究[J].實驗技術與管理，2010，27（10）：94-97.

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