《測量學(xué)》實驗教學(xué)仿真軟件設(shè)計與實踐

劉善偉 熊展

摘 要：為了使學(xué)生熟練掌握《測量學(xué)》實驗教學(xué)內(nèi)容，克服目前國內(nèi)大部分測繪高校實驗器材和實驗課時不足等缺陷，文章以四等水準(zhǔn)測量實驗為例，運(yùn)用C# GDI+圖形編程技術(shù)，開發(fā)了水準(zhǔn)測量模擬練習(xí)軟件，實現(xiàn)了四等水準(zhǔn)測量的讀數(shù)練習(xí)和測站水準(zhǔn)測量的模擬操作及其測量數(shù)據(jù)檢核工作。該軟件設(shè)計科學(xué)、使用方便，能夠降低高校開展《測量學(xué)》實驗教學(xué)的成本，加強(qiáng)學(xué)生基本技能的培養(yǎng)，提升實驗教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：實驗教學(xué)；仿真模擬；水準(zhǔn)測量

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-000X（2017）17-0084-03

Abstract： In order to enable students to master the Surveying experimental teaching content， overcome most of the current domestic Surveying experimental equipment of universities and the lack of the experimental class， this paper takes four level leveling experiment as an example and developed a leveling simulation practice software using C# and GDI+ graphics programming techniques. The function of four level measurement readings， station leveling operation simulation exercises and measurement data check were achieved. The software is scientific in design and easy to use. It can reduce the cost of carrying out the experimental teaching of Surveying in Colleges and universities， strengthen the training of students' basic skills and enhance the effect of experimental teaching.

Keywords： experimental teaching； simulation； leveling

引言

國家對測繪人才的需求日益增加，《測量學(xué)》作為測繪專業(yè)的基礎(chǔ)性課程在教學(xué)過程中地位非常重要。《測量學(xué)》教學(xué)包括理論教學(xué)和實驗教學(xué)，實驗教學(xué)配合理論教學(xué)開展，讓學(xué)生學(xué)習(xí)測繪儀器的使用方法，掌握基本測量技能。

傳統(tǒng)的實驗教學(xué)作為學(xué)生將理論知識轉(zhuǎn)化為實踐的主要方法，有著無可替代的優(yōu)勢，但也有自身的缺陷和不足。首先，存在實驗器材不足或老化的問題，實驗教學(xué)過程中，多采取將學(xué)生進(jìn)行分組的措施，一個組使用一套測量儀器來完成測量任務(wù)，平均分配到每個學(xué)生的實驗學(xué)時就很少了；其次，由于實驗課時非常有限，學(xué)生往往難以在有限時間內(nèi)熟練掌握儀器的使用方法及測量流程，而課后又會忽視獨(dú)立借儀器再學(xué)習(xí)的機(jī)會；再者，若學(xué)生進(jìn)行某些專項訓(xùn)練，則需要反復(fù)借還儀器，耗時費(fèi)力，效率低下，還可能造成一些不必要的麻煩。

仿真模擬是利用VR（虛擬現(xiàn)實）技術(shù)，借助實物仿真裝備或虛擬實訓(xùn)軟件，通過實際操作，使參與者有身臨其境的切身體會的一項技術(shù)，主要用于模擬駕駛、訓(xùn)練、演示、教學(xué)、培訓(xùn)、建筑視景與城市規(guī)劃[1]，引起了各行各業(yè)的高度重視。仿真模擬應(yīng)用在測繪領(lǐng)域，主要目的為使測繪儀器模型實現(xiàn)自動化、智能化、可視化[2]，在實驗教學(xué)領(lǐng)域能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)實驗教學(xué)的缺陷，具有低成本高效益、使用方便、應(yīng)用性強(qiáng)等優(yōu)勢。本文以《測量學(xué)》課程中四等水準(zhǔn)測量內(nèi)容的教學(xué)實驗為例，進(jìn)行實驗教學(xué)仿真軟件的開發(fā)與應(yīng)用實踐。

一、水準(zhǔn)測量教學(xué)的內(nèi)容與特點(diǎn)

水準(zhǔn)測量是以獲取地面點(diǎn)高程為目的的測量手段[3]。四等水準(zhǔn)測量通過布設(shè)水準(zhǔn)網(wǎng)，利用水準(zhǔn)儀測得目標(biāo)點(diǎn)的粗略高程，通過網(wǎng)平差獲得目標(biāo)點(diǎn)的精確高程。測量過程的基本原理是用水準(zhǔn)尺量取前后兩點(diǎn)豎直方向的長度，并求得兩點(diǎn)間的高差，根據(jù)已知點(diǎn)高程和所求高差計算未知點(diǎn)高程[4]。圖1為四等水準(zhǔn)測量原理示意圖。

四等水準(zhǔn)測量的觀測程序為：

（1）水準(zhǔn)儀照準(zhǔn)后視尺黑面，讀取下、上、中絲的讀數(shù)（后）；

（2）水準(zhǔn)儀照準(zhǔn)前視尺黑面，讀取中、下、上絲讀數(shù)（前）；

（3）水準(zhǔn)儀照準(zhǔn)前視尺紅面，讀取中絲讀數(shù)（前）；

（4）水準(zhǔn)儀照準(zhǔn)后視尺紅面，讀取中絲讀數(shù)（后）。

整個過程可總結(jié)為“后前前后”，也可以采用“后后前前”的方式。

測量數(shù)據(jù)要進(jìn)行及時檢核，應(yīng)嚴(yán)格控制誤差范圍。四等水準(zhǔn)測量的觀測限差如表1所示。

《測量學(xué)》是一門實踐性很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課，理論必須聯(lián)系實踐，只有通過實踐才能將課堂所學(xué)的基本理論、基本知識和基本技能加以深化和理解。水準(zhǔn)測量教學(xué)要培養(yǎng)學(xué)生的測、算等工程測量技能，要求能夠熟練掌握水準(zhǔn)儀的操作，而這些技能的培養(yǎng)，除課堂教學(xué)外，還必須通過大量的水準(zhǔn)測量實驗才能獲得，實驗教學(xué)在整個測量學(xué)教學(xué)中是一個必不可少的重要環(huán)節(jié)。

二、軟件設(shè)計與實現(xiàn)

（一）設(shè)計目標(biāo)

水準(zhǔn)測量模擬練習(xí)軟件的設(shè)計目標(biāo)是利用軟件實現(xiàn)水準(zhǔn)儀操作的模擬仿真，鍛煉學(xué)生的儀器讀數(shù)能力和計算能力，使其掌握水準(zhǔn)測量的外業(yè)流程，使其成為一個輔助傳統(tǒng)實驗教學(xué)的學(xué)習(xí)平臺，為教師和學(xué)生提供服務(wù)。

（二）功能模塊設(shè)計

在充分開展需求分析的基礎(chǔ)上，將水準(zhǔn)測量模擬練習(xí)軟件劃分成三個功能模塊：水準(zhǔn)儀操作視頻演示模塊、水準(zhǔn)儀讀數(shù)練習(xí)模塊和測站水準(zhǔn)測量練習(xí)模塊，軟件功能模塊的劃分如圖2。

1. 水準(zhǔn)儀操作視頻演示模塊

收集并演示水準(zhǔn)儀儀器操作和測站水準(zhǔn)測量流程的規(guī)范示例，使學(xué)生對測量儀器的使用和水準(zhǔn)測量的流程有直觀性的初步認(rèn)識，為實踐訓(xùn)練做準(zhǔn)備。

2. 水準(zhǔn)儀讀數(shù)練習(xí)模塊

基于設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)3米水準(zhǔn)尺利用軟件模擬水準(zhǔn)儀視野來實現(xiàn)讀數(shù)練習(xí)，使用者根據(jù)窗口中的模擬望遠(yuǎn)鏡中的視野進(jìn)行讀數(shù)，軟件還能夠自動準(zhǔn)確計算視野中的讀數(shù)，供使用者將自己讀取的數(shù)值與軟件得到的準(zhǔn)確數(shù)值作對比檢核，從而達(dá)到水準(zhǔn)儀讀數(shù)練習(xí)的目的。

3. 測站水準(zhǔn)測量練習(xí)模塊

實現(xiàn)對一測站水準(zhǔn)測量過程的模擬，即“后——前——前——后”的讀數(shù)流程，并提供與現(xiàn)場實驗相同的水準(zhǔn)測量電子手簿，對所讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢核。該模塊幫助學(xué)生充分理解并掌握四等水準(zhǔn)測量一測站的流程。

（三）軟件實現(xiàn)

1. 水準(zhǔn)尺的制作及水準(zhǔn)儀望遠(yuǎn)鏡視野的確定

水準(zhǔn)尺尺面嚴(yán)格按照四等水準(zhǔn)測量的3米尺樣式進(jìn)行設(shè)計，通過AutoCAD軟件[2]制作并輸出為BMP格式的圖片，1280×1600像素。根據(jù)實際，水準(zhǔn)尺有黑紅兩面，起始讀數(shù)有很大差異：兩尺的黑面起始讀數(shù)均為0mm；紅面K1尺起始讀數(shù)為4687mm，紅面K2尺起始讀數(shù)為4787mm。軟件中采用GDI+圖像處理[6]中位圖處理的方法，根據(jù)圖片坐標(biāo)和圖片像素大小與現(xiàn)實中水準(zhǔn)尺長度計算所要裁剪的像素坐標(biāo)范圍，從而顯示水準(zhǔn)儀視野。

2. 水準(zhǔn)尺自動讀數(shù)

根據(jù)用戶在長尺上選定的水準(zhǔn)儀視野中心坐標(biāo)以及通過滑條選定視距，計算模擬水準(zhǔn)儀望遠(yuǎn)鏡的視野半徑和放大倍數(shù)，然后根據(jù)起始點(diǎn)像素以及像素與距離之間的關(guān)系計算望遠(yuǎn)鏡中絲讀數(shù)及上下絲讀數(shù)，形成讀數(shù)練習(xí)的標(biāo)準(zhǔn)答案。圖3為水準(zhǔn)尺讀數(shù)顯示界面。

3. 測站水準(zhǔn)測量練習(xí)及數(shù)據(jù)檢核

一測站水準(zhǔn)測量中水準(zhǔn)儀讀數(shù)與讀數(shù)練習(xí)類似，不同的是，測站練習(xí)中需要讀取四次水準(zhǔn)尺面，因此，必須掌握一個完整測站的讀數(shù)流程。程序在確定水準(zhǔn)儀的視野范圍時，用戶在后尺上選定的刻度是水準(zhǔn)儀視野中絲坐標(biāo)即水準(zhǔn)儀視野高，通過用戶輸入的視距可確定上下絲讀數(shù)差，將其近似為水準(zhǔn)儀視野半徑，便可以確定后尺的水準(zhǔn)視野范圍。用戶輸入前后尺大致高差后，前尺的水準(zhǔn)儀視野中絲坐標(biāo)就可以確定，進(jìn)而確定前尺的水準(zhǔn)視野范圍，軟件具體使用流程如圖4所示。軟件提供了標(biāo)準(zhǔn)的水準(zhǔn)測量記錄手簿，使用人將讀數(shù)填入手簿，并在相應(yīng)位置填寫計算結(jié)果；軟件能夠自動計算記錄手簿中所需的練習(xí)結(jié)果和計算結(jié)果，形成標(biāo)準(zhǔn)答案，供使用人進(jìn)行對比檢核。圖5和圖6分別為測站水準(zhǔn)測量練習(xí)界面及記錄手簿檢核表。

三、應(yīng)用實例

水準(zhǔn)測量模擬練習(xí)軟件設(shè)計實現(xiàn)后，分別投入課堂應(yīng)用、課后練習(xí)和測量大賽選手訓(xùn)練中試用，總體上取得了較好的效果，《測量學(xué)》理論教學(xué)的成績和實驗教學(xué)的效果都有了不同程度的提高。

（一）應(yīng)用效果評價

1. 課堂應(yīng)用

該軟件作為老師授課的輔助工具，明顯提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和興趣性，增強(qiáng)了學(xué)生對知識的理解，提高了課堂教學(xué)的流暢性，減輕了老師的負(fù)擔(dān)。

2. 課后練習(xí)

將該軟件分發(fā)給學(xué)生用于課后練習(xí)和復(fù)習(xí)，學(xué)生對于水準(zhǔn)測量儀器的使用及測量流程的掌握整體上有了明顯的提高，為課堂教學(xué)效果不理想的學(xué)生提供了彌補(bǔ)途徑。

3. 大賽訓(xùn)練

測繪技能比賽要求選手不但能夠快速讀數(shù)、快速記錄和快速計算，還要保證準(zhǔn)確無誤。由于天氣、時間等原因，該軟件作為測量大賽選手訓(xùn)練方案的補(bǔ)充，學(xué)生自己訓(xùn)練快速讀數(shù)能力和快速計算能力，效果非常明顯，教使用儀器設(shè)備效率更高，學(xué)生能力提高更快。

（二）軟件特點(diǎn)

1. 內(nèi)容豐富：軟件實現(xiàn)了四等水準(zhǔn)測量水準(zhǔn)尺精準(zhǔn)讀數(shù)和測站水準(zhǔn)測量流程的仿真模擬，并包含有關(guān)水準(zhǔn)測量內(nèi)容的多個視頻范例。

2. 操作簡單：軟件界面是聯(lián)系使用者和軟件之間的紐帶[5]。軟件界面設(shè)計友好，直觀方便，易學(xué)易用，用戶可以通過簡單的按鈕便捷的實現(xiàn)程序功能操作。

3. 交互性強(qiáng)：軟件需要學(xué)生在使用過程中手動瞄準(zhǔn)水準(zhǔn)尺刻度，讀取數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)輸入到表格，具有較強(qiáng)的互動性，且與現(xiàn)場操作過程非常接近。

4. 應(yīng)用性強(qiáng)：學(xué)生應(yīng)用該軟件能達(dá)到高效練習(xí)的目的，大大節(jié)約了時間和成本，將軟件輔助《測量學(xué)》理論教學(xué)，使課程內(nèi)容更為直觀易懂，方便學(xué)生的理解與學(xué)習(xí)。

四、結(jié)束語

水準(zhǔn)測量模擬練習(xí)軟件以加強(qiáng)學(xué)生基本技能培養(yǎng)和提升實驗教學(xué)效果為目的，成功實現(xiàn)了水準(zhǔn)尺精確讀數(shù)練習(xí)、測站水準(zhǔn)測量練習(xí)等功能，實用性強(qiáng)，可以成為傳統(tǒng)實驗教學(xué)的有效補(bǔ)充，對于《測量學(xué)》其他實驗課程的教學(xué)具有借鑒和推廣意義。

參考文獻(xiàn)：

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