數(shù)字測圖全領(lǐng)域體系的構(gòu)建及應(yīng)用探索

王宇會

（廣東工業(yè)大學(xué)，廣東 廣州 510006）

地形圖測繪是指利用測繪儀器和設(shè)備對地球表面局部區(qū)域內(nèi)的各種地物、地貌特征點(diǎn)的空間位置進(jìn)行測定，以一定的比例尺并按圖示符號繪制成地形圖。傳統(tǒng)的地形圖以圖紙為承載媒介，測繪技術(shù)采用傳統(tǒng)的圖解法，此方法存在精度低、工序多、勞動強(qiáng)度大、質(zhì)量管理難等缺點(diǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步、測繪儀器設(shè)備的更新、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，地形圖測繪逐漸向數(shù)字化、自動化方向發(fā)展，數(shù)字化測圖技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

1 目前教學(xué)中存在的不足

1.1 課程設(shè)置的限制

專業(yè)教學(xué)計(jì)劃的制定應(yīng)根據(jù)專業(yè)知識的深入逐漸開展相關(guān)的課程。以筆者所在學(xué)校為例，目前正在執(zhí)行的教學(xué)計(jì)劃中相關(guān)專業(yè)課程開設(shè)的學(xué)期如表1所示。

表1 測繪工程專業(yè)部分課程開課學(xué)期

這些測繪技術(shù)相關(guān)的課程中，數(shù)字地形測量學(xué)主要講授大比例尺地形測繪的相關(guān)內(nèi)容，使用的儀器以常規(guī)地面測繪儀器為主，主要包括全站儀和水準(zhǔn)儀。大地測量學(xué)基礎(chǔ)是原來的控制測量學(xué)，主要講授精確確定地面點(diǎn)位置的方法。攝影測量學(xué)、GNSS定位原理與應(yīng)用和遙感原理與應(yīng)用分別講授利用攝影測量、GNSS測量和遙感技術(shù)進(jìn)行點(diǎn)位測定的方法。所以，在進(jìn)行數(shù)字地形測量實(shí)習(xí)時(shí)，學(xué)生使用的測量方法只能是全站儀測繪法，此方法作業(yè)強(qiáng)度大、需要人工多，雖然實(shí)習(xí)后學(xué)生能夠?qū)θ緝x數(shù)字測圖的全過程有一個(gè)完整的認(rèn)識，但是實(shí)習(xí)體驗(yàn)較差，不能將現(xiàn)在先進(jìn)的測量技術(shù)應(yīng)用到實(shí)習(xí)中，也不能與現(xiàn)在工程單位的測量技術(shù)相匹配。通過實(shí)習(xí)，學(xué)生往往對測繪專業(yè)有一定的負(fù)面看法：認(rèn)為自己專業(yè)從事的工作外業(yè)工作量大、科技含量不高，由此產(chǎn)生的抵觸情緒比較嚴(yán)重。相對應(yīng)地，在其他相關(guān)的實(shí)習(xí)中，往往注重相關(guān)測量技術(shù)的應(yīng)用，忽略其在地形圖測繪中的應(yīng)用。例如，GNSS定位原理與應(yīng)用實(shí)習(xí)的主要內(nèi)容是GNSS控制網(wǎng)的設(shè)計(jì)、靜態(tài)測量及數(shù)據(jù)處理。攝影測量實(shí)習(xí)的主要內(nèi)容是像控點(diǎn)測量、航飛方案確定、后期成果制作。

1.2 不能滿足學(xué)科競賽的要求

全國大學(xué)生測繪實(shí)驗(yàn)技能競賽由教育部高等學(xué)校測繪學(xué)科教學(xué)指導(dǎo)委員會、國家測繪地理信息局職業(yè)鑒定指導(dǎo)中心、中國測繪學(xué)會測繪教育委員會主辦，至今已舉辦了六屆，是測繪本科院校最大的實(shí)踐技能競賽平臺，每屆的競賽內(nèi)容稍有差別，但數(shù)字測圖一直是其中的賽項(xiàng)之一，其測量方法也由全站儀測圖向全站儀和GPS-RTK聯(lián)合測圖逐步改進(jìn)。

另外，由全國測繪地理信息職業(yè)教育委員會自2017年起已經(jīng)連續(xù)三年舉辦了全國大學(xué)生無人機(jī)測繪技能大賽。

所以，僅僅全站儀測圖已經(jīng)不能夠滿足學(xué)生參加學(xué)科競賽的要求。

1.3 不能將新技術(shù)、新方法應(yīng)用到學(xué)生在校所學(xué)中

國務(wù)院頒布的《中國制造2025規(guī)劃綱要》明確要求，推進(jìn)無人機(jī)產(chǎn)業(yè)化快速發(fā)展。在人工智能等全新技術(shù)革命為主的第四次工業(yè)革命浪潮中，無人駕駛航空應(yīng)運(yùn)而生并蓬勃發(fā)展，已成為先進(jìn)生產(chǎn)力的重要載體。民用無人機(jī)作為“中國制造”代表性產(chǎn)業(yè)，隨著行業(yè)應(yīng)用的加速推廣、消費(fèi)領(lǐng)域的需求爆發(fā)以及新應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，發(fā)展勢頭迅猛。2015年頒布的《國家職業(yè)分類大典》中增設(shè)“無人機(jī)測繪操控員”新職業(yè)，標(biāo)志著無人機(jī)職業(yè)首次進(jìn)入國家權(quán)威職業(yè)資格體系。近年來，許多院校開設(shè)無人機(jī)測繪專業(yè)或在已有專業(yè)中增設(shè)無人機(jī)測繪方向。學(xué)校的教學(xué)也應(yīng)該緊跟國家發(fā)展的要求、行業(yè)的要求以及社會的要求，使新技術(shù)、新理論、新方法進(jìn)入課堂中，不斷提升學(xué)生的競爭力，全面提升人才培養(yǎng)質(zhì)量，為社會輸出更多更好的優(yōu)秀人才。

由以上分析可以看出，測繪工程本科專業(yè)的學(xué)生在校期間只進(jìn)行全站儀測圖實(shí)習(xí)已經(jīng)不能滿足相關(guān)的要求，有必要進(jìn)行數(shù)字測圖全領(lǐng)域體系的構(gòu)建。

2 數(shù)字測圖全領(lǐng)域體系的構(gòu)建與探索

2.1 數(shù)字地形測量學(xué)授課內(nèi)容的改革

數(shù)字地形測量學(xué)是測繪工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)核心課程，是學(xué)生接觸到的第一門系統(tǒng)的測繪知識理論，其課堂與實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)主要圍繞測量基礎(chǔ)知識、小地區(qū)控制測量、野外數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與內(nèi)業(yè)繪圖和地形圖應(yīng)用等專題展開[1]。在野外數(shù)據(jù)采集中，衛(wèi)星定位的相關(guān)內(nèi)容是和后續(xù)的 GNSS定位原理與應(yīng)用課程內(nèi)容相重疊的地方，為避免重復(fù)授課，以往該內(nèi)容是不在數(shù)字地形測量學(xué)課程中講授的。

為配合后續(xù)實(shí)習(xí)的需要，并不和后面GNSS定位原理與應(yīng)用的內(nèi)容相沖突，在數(shù)字地形測量學(xué)課程中僅在測量基礎(chǔ)知識的測量坐標(biāo)系中介紹WGS-84坐標(biāo)系；在測量方法中，介紹衛(wèi)星定位測量的原理（即空間測距后方交會）。

目前，大比例尺數(shù)字測圖的技術(shù)主要有：全站儀測繪、GPS-RTK測繪、攝影測量、遙感[2]、三維激光掃描[3]、InSAR[4]等方法。由于數(shù)字地形測量學(xué)課程內(nèi)容繁多，并且避免和后續(xù)其他課程內(nèi)容相重復(fù)，攝影測量、三維激光掃描等方法可以略去不講，但是為讓學(xué)生清楚課程之間的銜接關(guān)系，在課上應(yīng)介紹課程體系的構(gòu)成及相關(guān)課程的大致內(nèi)容。

大比例尺地形圖的繪圖軟件可以選擇廣州南方測繪CASS、北京威遠(yuǎn)圖SV300及圖形處理軟件CITOMAP、北京清華山維EPSW、武漢瑞德RDMS等。不管哪款繪圖軟件，其功能都是在計(jì)算機(jī)上經(jīng)過人機(jī)交互編輯，生成數(shù)字地形圖。這個(gè)內(nèi)容是和其他任何課程都不沖突的地方，所以在數(shù)字地形測量學(xué)課程中，應(yīng)詳細(xì)向?qū)W生介紹軟件的功能、使用要求、大比例尺地形圖的相關(guān)規(guī)范等，有此做基礎(chǔ)，后面學(xué)生不管學(xué)習(xí)了什么數(shù)據(jù)采集的方法，其制作的地形圖都會滿足相關(guān)規(guī)范的要求。

2.2 數(shù)字地形測量實(shí)習(xí)內(nèi)容的改革

數(shù)字地形測量實(shí)習(xí)也稱為數(shù)字測圖實(shí)習(xí)，是測繪工程專業(yè)基礎(chǔ)課程實(shí)習(xí)的實(shí)踐環(huán)節(jié)，無論對學(xué)生理解測繪基本理論知識、掌握基本測量方法與測繪儀器操作，還是專業(yè)素養(yǎng)的培養(yǎng)，都起著關(guān)鍵性的作用[5]。在實(shí)際教學(xué)中，實(shí)習(xí)內(nèi)容應(yīng)緊跟設(shè)備的更換、技術(shù)的更新。

2.2.1 摒棄陳舊的實(shí)習(xí)內(nèi)容

數(shù)字地形測量實(shí)習(xí)的主要內(nèi)容包括：圖根控制方案的確定、測量相關(guān)儀器設(shè)備的檢校、圖根控制測量外業(yè)數(shù)據(jù)獲取、圖根控制測量內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理、大比例尺地形圖測繪。以前，大比例尺地形圖測繪的方法選擇兩種測量模式：全站儀圖解法和全站儀數(shù)字測圖法。全站儀圖解法的優(yōu)點(diǎn)是可以讓學(xué)生清晰、直觀地認(rèn)識到全站儀極坐標(biāo)法測量的基本原理，缺點(diǎn)是學(xué)生需要手工繪制地形圖，測圖精度低、成圖周期長、勞動強(qiáng)度大，最主要的，此測量方法在工程單位早已被淘汰。

為給新技術(shù)、新方法的應(yīng)用提供時(shí)間，實(shí)習(xí)中取消了全站儀圖解法測繪的相關(guān)內(nèi)容。

2.2.2 增加GPS-RTK測繪方法

數(shù)字地形測量實(shí)習(xí)是數(shù)字地形測量學(xué)的實(shí)踐課程，理論課的主要內(nèi)容是介紹地面常規(guī)測量的技術(shù)與方法，以全站儀、水準(zhǔn)儀測量為主。實(shí)習(xí)仍然以全站儀數(shù)字測圖為主，輔以其他測繪技術(shù)（如GPS-RTK）。GPS-RTK測量與全站儀測量區(qū)別僅在于外業(yè)獲取數(shù)據(jù)的過程不一樣。因理論課上沒有講授空間定位的全部知識，實(shí)習(xí)時(shí)以應(yīng)用為主。因在相關(guān)理論的講授中，已經(jīng)介紹了不同的坐標(biāo)系，所以學(xué)生利用 GPS-RTK進(jìn)行地形圖測繪時(shí)就不難理解進(jìn)行點(diǎn)校正的必要性，然后按照相關(guān)設(shè)備的具體操作進(jìn)行碎部點(diǎn)坐標(biāo)采集，就可以和全站儀采集的數(shù)據(jù)一起進(jìn)行地形圖繪制。

GPS-RTK測繪技術(shù)在數(shù)字地形測量實(shí)習(xí)中的應(yīng)用，可以讓學(xué)生看到不同的測繪技術(shù)的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍，讓學(xué)生針對不同的情況選擇不一樣的觀測方法。

2.3 數(shù)字測圖全領(lǐng)域體系的構(gòu)建與探索

僅僅進(jìn)行數(shù)字地形測量實(shí)習(xí)的改革，還不能將其他先進(jìn)的測量技術(shù)和測量方法應(yīng)用到數(shù)字測圖中來，所以就要構(gòu)建數(shù)字測圖全領(lǐng)域體系。在構(gòu)建數(shù)字測圖全領(lǐng)域體系時(shí)，應(yīng)注意各門課程的銜接，學(xué)校設(shè)備的支撐情況，并充分利用校外資源。

在實(shí)際探索過程中，數(shù)字地形測量實(shí)習(xí)主要采用全站儀、GPS-RTK采集模式。在大三完成攝影測量學(xué)之后，在攝影測量實(shí)習(xí)中加入無人機(jī)測繪的相關(guān)內(nèi)容；在大四第一學(xué)期遙感測量原理與應(yīng)用的課程中，在課程上機(jī)內(nèi)容中加入遙感測繪的相關(guān)內(nèi)容；并且在工程測量學(xué)實(shí)習(xí)、畢業(yè)實(shí)習(xí)等教學(xué)環(huán)節(jié)中，要求學(xué)生綜合利用之前所學(xué)的獲取數(shù)據(jù)的方法進(jìn)行大比例尺地形圖測繪。

以上測圖方式都是基于課程完成的，但是在專業(yè)的課程體系設(shè)置中，由于學(xué)校設(shè)備購置和學(xué)時(shí)等問題，不一定能夠保證將所有的測繪手段都作為課程納入教學(xué)計(jì)劃中（以筆者所在的學(xué)校為例，目前正在執(zhí)行的培養(yǎng)方案中，沒有三維激光掃描、InSAR等相關(guān)課程）。而在生產(chǎn)單位，這些技術(shù)已廣泛應(yīng)用在各項(xiàng)測繪任務(wù)中。這就要依靠學(xué)生的課外活動來對課程體系進(jìn)行一定的補(bǔ)充。比如，在測繪論壇的講座中請相關(guān)領(lǐng)域的專家向?qū)W生介紹相關(guān)技術(shù)的測量原理以及他們所從事的項(xiàng)目內(nèi)容，并將相關(guān)的資料發(fā)給學(xué)生，作為學(xué)生了解新技術(shù)、新方法的知識來源。另外，在校外實(shí)習(xí)基地，也可以增加相關(guān)新技術(shù)、新方法的學(xué)習(xí)與應(yīng)用。

經(jīng)過上述改革之后，數(shù)字測圖全領(lǐng)域體系的各項(xiàng)測繪技術(shù)依托的理論課程、實(shí)踐環(huán)節(jié)，如圖1所示。

圖1 數(shù)字測圖全領(lǐng)域體系

3 結(jié)語

數(shù)字測圖全領(lǐng)域體系的構(gòu)建，有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）可以將新技術(shù)、新方法引入到教學(xué)中，使校內(nèi)所學(xué)適應(yīng)校外所用；（2）讓學(xué)生明確課程之間的銜接關(guān)系，體驗(yàn)不同的技術(shù)手段的特點(diǎn)及適用范圍；（3）將課外教學(xué)活動作為教學(xué)計(jì)劃的補(bǔ)充，為學(xué)生的學(xué)習(xí)提供更多的平臺；（4）學(xué)生由淺入深地學(xué)習(xí)將不同的技術(shù)，會對整個(gè)知識體系有一個(gè)完整的認(rèn)識，也會認(rèn)識到科技進(jìn)步帶來的技術(shù)進(jìn)步對專業(yè)的影響，從而能夠較好地接受自己的專業(yè)，并激發(fā)他們不斷學(xué)習(xí)的動力。（5）充分利用各項(xiàng)社會資源，縮小學(xué)校和企業(yè)之間的差距。

經(jīng)過數(shù)字測圖全領(lǐng)域體系的構(gòu)建及在實(shí)際教學(xué)中的探索，學(xué)生對自己的專業(yè)認(rèn)可度得到了提升。在和學(xué)生的交流中，想轉(zhuǎn)專業(yè)、對自己專業(yè)有抵觸情緒的學(xué)生數(shù)量明顯下降；在相關(guān)的實(shí)習(xí)報(bào)告中，敘述專業(yè)缺點(diǎn)的學(xué)生數(shù)量有明顯的下降；在學(xué)校教務(wù)處評教系統(tǒng)中，對相關(guān)實(shí)習(xí)的評價(jià)分?jǐn)?shù)有所提高。

當(dāng)然，不同的測繪技術(shù)還會細(xì)分出不同的方法，如攝影測量可以有垂直攝影、傾斜攝影，三維激光掃描也有不同的搭載平臺等。但是，無論何種數(shù)據(jù)采集方式，最終都會落實(shí)到數(shù)據(jù)的計(jì)算和處理，數(shù)理基礎(chǔ)和專業(yè)知識點(diǎn)基礎(chǔ)務(wù)必夯實(shí)[6]。打牢基礎(chǔ)，才能夠滿足時(shí)代迅速發(fā)展的需要，適應(yīng)新時(shí)代背景下數(shù)字化測繪向信息化測繪、智能化測繪發(fā)展的需要。