基于DEM 技術(shù)的山區(qū)道路選線教學(xué)研究

王廣政，徐 倩，孫 峰

(陸軍工程大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京210007)

1 道路選線教學(xué)面臨的現(xiàn)實問題

道路修筑最首要的任務(wù)是道路選線，它不僅關(guān)系到道路工程量的大小和施工的難易程度，而且直接關(guān)系到道路的使用質(zhì)量。高校教學(xué)的目標(biāo)就是培養(yǎng)具備這種專業(yè)技術(shù)能力的應(yīng)用型、創(chuàng)造型人才。然而，由于道路選線工作的技術(shù)性、實踐性特征，高校道路工程專業(yè)選線教學(xué)存在諸多問題，主要表現(xiàn)在:

(1) 課堂教學(xué)方法不靈活，道路選線理論教學(xué)與實踐運用不能有機融合。常規(guī)的道路選線課堂教學(xué)，多采用課堂理論教學(xué)與野外實習(xí)實踐相結(jié)合的方式［1］。但由于課堂理論教學(xué)方法單一、野外選線實習(xí)地域受限、教學(xué)時限短等，致使傳統(tǒng)課堂和選線教學(xué)僅限于抽象的理論方法學(xué)習(xí)和與山區(qū)實際地形不太相符的有限區(qū)域的現(xiàn)地踏勘。學(xué)生不能直觀、透徹地理解選線原則的內(nèi)涵和選線方法的實踐運用。

(2) 課堂教學(xué)手段單一，無法讓學(xué)生感受選線與三維道路實體的內(nèi)在聯(lián)系。山區(qū)道路選線技術(shù)難度大，現(xiàn)地踏勘工作量大。選線教學(xué)也僅僅是結(jié)合地形圖進行道路選線理論方法的講解。這種較為單一的教學(xué)手段，無法讓學(xué)生感受選線對道路線形的影響，以及選線對道路的功能特性、行車安全、經(jīng)濟和社會價值等的重要影響。

實際上，在道路工程選線設(shè)計工作中，道路線形作為一個空間三維線性實體，道路的選線設(shè)計已經(jīng)不再僅僅局限于幾何線形設(shè)計，更加強調(diào)道路三維空間的整體設(shè)計，同時也更加注重道路的整體布置以及道路與環(huán)境的協(xié)調(diào)性、美觀性。因此，如何選擇和體現(xiàn)最優(yōu)道路路線，突破道路選線設(shè)計和選線教學(xué)的瓶頸，是山區(qū)道路建設(shè)需要解決的首要難題，也是高校道路課程教學(xué)方法改革、提高道路選線教學(xué)質(zhì)量的重要任務(wù)。這就有必要結(jié)合現(xiàn)代技術(shù)探討新的教學(xué)方式、方法。

隨著地形數(shù)字化技術(shù)和道路自動化設(shè)計的發(fā)展，實現(xiàn)了地形信息的數(shù)字化、三維化、可視化，選線設(shè)計自動化，這為數(shù)字化選線和選線教學(xué)提供了良好的支撐平臺［2］。

2 DEM 技術(shù)及其在道路選線教學(xué)中的優(yōu)勢

2.1 數(shù)字高程模型簡介

數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM) ，也稱數(shù)字地形模型(Digital Terrain Model，DTM) ，是一種對空間起伏變化的連續(xù)表示方法［3］。由于DTM 隱含有地形景觀的意思，所以常用DEM 單純表示高程。利用DEM 技術(shù)可以將不同地形地質(zhì)的地勢變化通常構(gòu)建組網(wǎng)并建立三維模型的方式呈現(xiàn)出來，以便于各種用途的研究工作。數(shù)字攝影測量法是獲取DEM 的主要手段，主要運用計算機立體視覺，構(gòu)建立體像對提取高程信息?；诹Ⅲw像對提取高程信息的精度與立體像對的基高比相關(guān)，近年來發(fā)射的高分辨率遙感衛(wèi)星大都具有側(cè)視成像能力，具備與航空立體像對接近的基高比，使星載遙感立體像對獲取DEM 成為可能。在道路設(shè)計和交通運輸行業(yè)，利用數(shù)字地面模型、道路CAD 等信息化技術(shù)進行工程設(shè)計已成為當(dāng)今工程行業(yè)的主流。

2.2 DEM 技術(shù)在道路選線教學(xué)中的優(yōu)勢

傳統(tǒng)道路選線課堂教學(xué)中，由于缺乏地形信息的數(shù)字化、三維化，埡口標(biāo)高、坡度控制、曲線設(shè)計等重難點教學(xué)內(nèi)容很難以直觀形象的表現(xiàn)手段展示給學(xué)生，教學(xué)效果差。而基于數(shù)字化地形模型構(gòu)建的課堂教學(xué)環(huán)境下，這一瓶頸可以得到有效的突破。

針對道路專業(yè)技術(shù)與教學(xué)需求，利用專門開發(fā)設(shè)計的道路CAD 專業(yè)設(shè)計軟件，將各種地形條件的影像或數(shù)字地形信息生成三維可視化的“電子沙盤”——DEM，可構(gòu)建專業(yè)化的信息化課堂教學(xué)環(huán)境。在生成的“電子沙盤”上，可以進行高效率的道路選線和勘測設(shè)計教學(xué)，并提供形象逼真的視覺效果。教師可以在此環(huán)境下進行道路地形認知教學(xué)和選線基本理論教學(xué)。在這種信息化教學(xué)環(huán)境下，也可以結(jié)合工程案例，直觀地講解和展示設(shè)計指標(biāo)與地形、道路線形等因素之間的關(guān)系、道路方案的設(shè)計理論與方法等教學(xué)的重難點內(nèi)容。教師可在三維可視化的教學(xué)環(huán)境中邊操作邊講解，引導(dǎo)學(xué)生分析指出各路線方案的優(yōu)劣，也可給學(xué)生做教學(xué)示范，并讓學(xué)生適時動手、動態(tài)地體驗整個過程［4］。

這種直觀、可視化的教學(xué)環(huán)境，既可克服傳統(tǒng)道路選線和勘測設(shè)計教學(xué)中地圖信息不直觀、方案比選困難、教學(xué)效果差的缺點，又可解決高原山區(qū)特別是復(fù)雜多變的無人地區(qū)野外道路勘測選線工作難以實現(xiàn)的難題。

3 基于DEM 技術(shù)的道路選線教學(xué)實踐

3.1 教學(xué)設(shè)計

基于DEM 技術(shù)的道路選線教學(xué)設(shè)計的基本思路是: 以實際道路選線任務(wù)為驅(qū)動，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容預(yù)設(shè)針對性的問題，依托構(gòu)建的課程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，引導(dǎo)學(xué)生利用平臺上的視頻、動畫等教學(xué)資源，對道路選線的理論知識進行課前自學(xué)，自主構(gòu)建道路選線基本知識體系; 以DEM 技術(shù)為支撐的道路CAD 設(shè)計系統(tǒng)為教學(xué)平臺，引導(dǎo)學(xué)生對山區(qū)道路三維地形的認知、選線原則與方法的內(nèi)化吸收、重難點問題的討論探究、道路選線效果的展示等，實現(xiàn)基于DEM 技術(shù)的信息化課堂教學(xué)。通過這種基于三維可視化技術(shù)的教學(xué)，真正實現(xiàn)學(xué)為主體、能力為本的教學(xué)思路，提高學(xué)生理論知識內(nèi)化吸收能力、工程應(yīng)用與創(chuàng)新實踐的能力。

3.2 教學(xué)實施

3.2.1 基于在線平臺的課堂教學(xué)準(zhǔn)備

教師在學(xué)情和課程分析的基礎(chǔ)上，發(fā)布典型道路的選線問題與選線任務(wù)等教學(xué)公告，并推送與任務(wù)需求進行在線教學(xué)資源，供學(xué)習(xí)使用。學(xué)生針對任務(wù)情況，對道路選線基本知識進行課前學(xué)習(xí)，了解基本概念，形成初步的知識體系。組織學(xué)生通過網(wǎng)上交流的形式，圍繞導(dǎo)學(xué)問題進行討論，并分組協(xié)作提出道路選線的初步方案。

3.2.2 基于DEM 技術(shù)的道路選線課堂導(dǎo)學(xué)

(1) 針對選線基本知識的內(nèi)化吸收。組織學(xué)生討論提交的初步選線方案，一般常見的問題有:埡口選擇和過嶺標(biāo)高不合理;山坡展線縱坡過大; 回頭曲線位置不當(dāng)。由問題引出課堂研討主題:如何選擇和確定埡口標(biāo)高，如何設(shè)計回頭曲線、控制縱坡，如何進行方案優(yōu)化等。

(2) 針對重點問題的課堂探究。克服高差是山區(qū)道路選線的關(guān)鍵問題。在基于DEM 的信息化課堂教學(xué)中，可針對某一典型地形案例，將該地形預(yù)先生成三維化、數(shù)據(jù)化、可視化的數(shù)字化地面模型。在三維數(shù)字化地形模型上，以直觀、形象和交互式的表現(xiàn)手段，展現(xiàn)出山嶺、山脊、山坳、山坡和埡口等地形特征; 探究埡口、側(cè)坡選擇的原則和方法，引導(dǎo)學(xué)生得出埡口標(biāo)高與工程量之間的規(guī)律。以山區(qū)道路越嶺選線任務(wù)為背景，利用數(shù)模的三維仿真技術(shù)，通過介紹利用山包、山脊、緩坡、山溝和山坳進行回頭展線的幾種典型案例，引導(dǎo)學(xué)生探究埡口、標(biāo)高選定、自然展線、回頭展線等越嶺展線的原則和方法，進而在電子沙盤上探究路線選擇、回頭曲線設(shè)計，確定路線基本走向。并引導(dǎo)分析路線位置與經(jīng)濟指標(biāo)、技術(shù)指標(biāo)等要素之間的關(guān)系，讓學(xué)生親身感受埡口標(biāo)高確定、回頭曲線設(shè)計的內(nèi)涵和機理。

(3) 針對難點問題的課堂解惑。選線方案優(yōu)化作為山區(qū)道路選線及其教學(xué)難點，包括技術(shù)、戰(zhàn)術(shù)和經(jīng)濟指標(biāo)的比選?；贒EM 技術(shù)的道路CAD 數(shù)字化選線中，路線位置可視、形象，參數(shù)直觀、具體，因此在教學(xué)中可實現(xiàn)以下功能:①利用道路三維模型生成系統(tǒng)，將道路模型與電子沙盤融為一體，模擬駕駛員視角體驗道路行駛的感受，以檢驗方案是否滿足技術(shù)指標(biāo)要求;②在電子沙盤上設(shè)置觀察點，利用通視檢查、坡度分析等功能，檢驗路線是否滿足偽裝和疏散等戰(zhàn)術(shù)要求;③利用工程量自動統(tǒng)計功能，分析得出各方案的經(jīng)濟指標(biāo)。該系統(tǒng)可有效幫助學(xué)生掌握技術(shù)、戰(zhàn)術(shù)、經(jīng)濟等方面的方案比選方法，提高教學(xué)效果。

4 結(jié)語

教學(xué)實踐證明，在山區(qū)道路選線課程教學(xué)中引入DEM等現(xiàn)代信息技術(shù)，與教學(xué)實踐有機結(jié)合，能夠發(fā)揮其形象可視化的強大優(yōu)勢，解決教學(xué)重難點問題。實際上，隨著院校教學(xué)改革的不斷推進，將教學(xué)內(nèi)容與現(xiàn)代信息化技術(shù)結(jié)合已經(jīng)成為增強教學(xué)效果的常規(guī)手段。開展基于DEM 技術(shù)的山區(qū)道路選線教學(xué)實踐，不僅可以實現(xiàn)地形信息的三維化、教學(xué)場景可視化，突出重點難點問題，解決常規(guī)道路選線教學(xué)中存在的教學(xué)手段單調(diào)、教學(xué)效果不明顯等問題，也可借助DEM 反映出的數(shù)字化地形信息，解決高原地區(qū)特別是無人地區(qū)道路選線和工程保障的現(xiàn)實需求。這為未來的道路工程人才培養(yǎng)和解決高原山區(qū)道路建設(shè)難題都提供了便利。