陳允芳，成 樞，柳 林，郭海花

（1.山東科技大學(xué)測繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島 266590；2.山東科技大學(xué)地質(zhì)科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島 266590）

一、引 言

隨著全站儀和GPS RTK等現(xiàn)代測量儀器的出現(xiàn)、數(shù)字?jǐn)z影測量和遙感技術(shù)的不斷進步，以及數(shù)字成圖軟件設(shè)計開發(fā)的日益完善，地形圖測繪由傳統(tǒng)模擬測圖進入全數(shù)字化測圖時代，數(shù)字測圖技術(shù)作為數(shù)字地圖的基本生產(chǎn)方法已得到廣泛應(yīng)用。各大專院校測繪、遙感、地信、土木、資源、環(huán)境、地質(zhì)、采礦等相關(guān)專業(yè)都相繼開設(shè)了數(shù)字測圖的相關(guān)課程。隨著該學(xué)科的進步和發(fā)展，關(guān)于該課程教學(xué)方法的研究和探討會不斷增多。

二、數(shù)字測圖及數(shù)字測圖系統(tǒng)配置

數(shù)字測圖是利用全站儀及3S技術(shù)以數(shù)字方式獲取、處理、分析和應(yīng)用關(guān)于地球的自然要素和人文要素的空間信息獲取技術(shù)。廣義的數(shù)字測圖包括3部分內(nèi)容:利用全站儀或GPS等大地測量儀器進行的野外地面數(shù)字測圖、利用手扶數(shù)字化儀或掃描數(shù)字化儀對紙質(zhì)地形圖的數(shù)字化、對航攝像片和遙感影像進行處理的攝影測量與遙感技術(shù)。

數(shù)字測圖系統(tǒng)是以計算機為核心，以全站儀、GPS、數(shù)字化儀、數(shù)字儀、數(shù)碼相機、航攝儀、坐標(biāo)測量儀、解析測圖儀、光譜儀、輻射儀，甚至衛(wèi)星等為數(shù)據(jù)采集工具，在外接輸入、輸出設(shè)備軟硬件的支持下，對地形的數(shù)字空間數(shù)據(jù)進行采集、輸入、編輯、繪圖、輸出、管理的測繪系統(tǒng)。具體硬軟件配置及工作模式如圖1所示。

地面數(shù)字測圖是指利用電子全站儀、GPS等大地測量儀器在野外進行數(shù)字化地形數(shù)據(jù)采集，在成圖軟件支持下，通過計算機加工處理獲得數(shù)字地形圖的方法。因方法或設(shè)備的不同，其有草圖法、編碼法、電子平板法等。外業(yè)測量時，如采用草圖法則利用測區(qū)已有地籍圖作為底圖人工繪制草圖；數(shù)字采集完畢后，用數(shù)據(jù)傳輸線將儀器和計算機連接，利用數(shù)據(jù)傳輸軟件或Windows下的超級終端完成數(shù)據(jù)傳輸。同時，利用已有或用編程語言自行編制的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序處理數(shù)據(jù)。地形圖繪制可采用RDBMS、EPSW、CASS等一些數(shù)字成圖軟件，依照草圖人機交互方式繪制，或利用編碼半自動編輯繪制圖形，再轉(zhuǎn)換至AutoCAD軟件環(huán)境下進行細(xì)部編輯和處理，也可直接使用MAPSUV、WalkField等軟件編輯和處理。

地形圖數(shù)字化是指利用手扶跟蹤或掃描數(shù)字化儀對已有紙質(zhì)地形圖進行數(shù)字化，并轉(zhuǎn)換成計算機能存儲、處理的數(shù)字地形圖。其多采用MapInfo、WalkField等GIS軟件或AutoCAD等圖形處理軟件進行信息提取和圖形編輯繪制。

數(shù)字?jǐn)z影測量和遙感方法是將攝影所獲得的航攝、遙感像片等影像進行數(shù)字化得到數(shù)字化影像，由計算機進行數(shù)字處理，從而提供數(shù)字地形圖或?qū)ｎ}圖、數(shù)字地面模型等各種數(shù)字化產(chǎn)品。多采用VirtuoZo、JX4等數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)，以及ENVI、ERDAS等遙感圖像處理軟件來完成攝影像片或遙感影像的數(shù)據(jù)處理。

圖1 數(shù)字測圖系統(tǒng)配置及工作模式

三、理論教學(xué)重點設(shè)計與規(guī)劃

1.重點教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

1）平面直角坐標(biāo)系的概念及測量坐標(biāo)系的特點。從球面到平面的高斯投影是本課程中較為抽象的概念，可采用制作多媒體動畫的形式，展示從某一條帶在橫圓柱上投影、剝離并經(jīng)過延展擠壓成平面葉片的整個過程，形象直觀地加深學(xué)生對這一投影過程的理解。采用與數(shù)學(xué)中坐標(biāo)系對照的形式，強調(diào)測量坐標(biāo)系與之異同，并從方位角的概念及三角函數(shù)解算的角度解釋其原因。

2）測量誤差傳播定律及其應(yīng)用。該部分計算是本課程兩大重要計算內(nèi)容之一，也是本課程的重點和難點，可采用多種教學(xué)手段相結(jié)合的形式。PPT中要一步步展示并突出強調(diào)公式的演變過程，并配合板書邊推導(dǎo)邊講解，設(shè)計相應(yīng)例題如三角高程測量應(yīng)用進行講解。還可布置相應(yīng)課后作業(yè)進行鞏固，就作業(yè)情況進行答疑解決疑問。

3）控制測量及其內(nèi)業(yè)平差計算。無論采用傳統(tǒng)水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀還是全站儀，其測量方法都要嚴(yán)格遵循控制測量的基本過程、“先控制后碎部”來進行，即先進行控制點間角度、距離和高差的測量，然后是導(dǎo)線內(nèi)業(yè)平差計算和水準(zhǔn)路線平差計算。不同的是普通測圖是用經(jīng)緯儀在解算的控制點上進行碎部測量配合測圖平板進行紙質(zhì)地形圖測繪；而數(shù)字測圖是將解算的控制點坐標(biāo)輸入全站儀，進行草圖法或編碼法野外數(shù)據(jù)采集，最后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)字成圖軟件進行數(shù)字地形圖的繪制。因此，控制測量相關(guān)內(nèi)容是普通測圖和數(shù)字測圖都要涉及的重點銜接部分，可作為內(nèi)容回顧重點突出強調(diào)，考試時內(nèi)容上宜有所重疊，尤其導(dǎo)線平差和水準(zhǔn)路線平差計算部分，是除測量誤差基本理論外，本課程涉及的兩大主要計算內(nèi)容之一?？删C合運用PPT展示、板書推導(dǎo)、講解例題、課后作業(yè)及作業(yè)答疑相結(jié)合方式進行教學(xué)?？蓢L試將計算器編程和電子計算表Excel應(yīng)用于導(dǎo)線平差計算，即利用編程式計算器或Excel等電子表格來輔助完成計算，并以課堂作業(yè)的形式，引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)語言，編制導(dǎo)線平差相關(guān)軟件。

4）全站儀使用及數(shù)字地形圖測繪。有針對性地選擇較有代表性的經(jīng)典款全站儀講解。主要是采用課堂多媒體教學(xué)配合全站儀現(xiàn)場演示操作讓學(xué)生領(lǐng)會操作要領(lǐng)，接著觀看教材配套的全站儀操作與使用教學(xué)錄像，隨后安排實驗課的任務(wù)，并讓學(xué)生課余利用全站儀模擬器來熟悉操作使用，實驗課上認(rèn)識、使用并操作與練習(xí)，教師巡視指導(dǎo)。另外，可結(jié)合學(xué)生的編程語言學(xué)習(xí)情況，指導(dǎo)學(xué)生開發(fā)電子全站儀模擬器，借此理解全站儀操作使用的原理。通過最終幾周教學(xué)實習(xí)的控制測量和野外測圖，能熟練操作技能和應(yīng)用水平。數(shù)字地形圖測繪是本課程的研究主線，數(shù)字成圖軟件種類繁多，可就較普及常用款如CASS軟件的功能和使用進行詳細(xì)講解，配合教學(xué)錄像，并打開軟件界面，就主要使用流程進行介紹。另外，可適當(dāng)講解一些測圖國家標(biāo)準(zhǔn)、常用測圖軟件、測圖軟件開發(fā)相關(guān)知識，并以課程設(shè)計或科研課題形式，鼓勵和提倡測繪專業(yè)學(xué)生自行開發(fā)數(shù)字成圖軟件。

5）數(shù)字地形圖的應(yīng)用與城市三維建模。在常規(guī)坐標(biāo)、距離、角度、面積、體積及土石方量測算基礎(chǔ)上，重點突出強調(diào)數(shù)字高程模型（DEM）的概念、生成方法、可視化技術(shù)、應(yīng)用情況，以及DEM與等高線的相互轉(zhuǎn)化、城市三維建模及數(shù)字城市的概念、三維激光掃描儀使用的研究現(xiàn)狀。主要通過工程實例圖片形式，為學(xué)生后續(xù)課程做好知識儲備和理論引導(dǎo)。

2.多種教學(xué)手段綜合運用

課堂講授要整體貫穿始終，從測繪基礎(chǔ)知識理論入手，到各種測量儀器的操作使用，再至野外選點及觀測的方法和技巧，采用理論介紹、公式推導(dǎo)及圖表說明等形式，讓學(xué)生整體把握地形圖測繪的基本知識；又從細(xì)節(jié)上把握具體的知識點，中間穿插總結(jié)歷屆學(xué)生常出現(xiàn)的知識誤區(qū)和常犯操作錯誤，為實習(xí)做好充分準(zhǔn)備，激發(fā)學(xué)生對該課程的興趣。

教學(xué)手段靈活多樣，有多媒體授課、板書推導(dǎo)、教學(xué)錄像播放、示范儀器操作與使用、課后作業(yè)及講解、課堂實驗及指導(dǎo)、隨機測試及教學(xué)實習(xí)、課程網(wǎng)站輔助學(xué)習(xí)等多種方式，根據(jù)授課內(nèi)容和特點可多種方法有機結(jié)合。

多媒體講授主要針對高斯投影、測量坐標(biāo)系、坐標(biāo)方位角和高程的概念，儀器構(gòu)造和操作使用，水準(zhǔn)測量和角度、距離外業(yè)測量方法，數(shù)字地形圖的測繪及應(yīng)用等信息量大的內(nèi)容來進行?？刹捎肞PT課件為主、其他方法輔助相結(jié)合的方式，形式靈活，使用方便，多種方法優(yōu)勢互補，能使學(xué)生能在短時間內(nèi)接觸更多信息量，實現(xiàn)有關(guān)知識的融合與最佳傳授。多媒體教學(xué)時要注意調(diào)動課堂氣氛和互動效果，重點內(nèi)容要結(jié)合實例講解并通過課堂例題，以加深理解并能調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。如講解坐標(biāo)方位角的概念后，可接著列一些復(fù)雜的幾何圖形，來練習(xí)求算每一條邊的坐標(biāo)方位角；誤差傳播理論講解完畢，可給出三角高程測量的綜合實例，根據(jù)邊、角和高差之間的函數(shù)關(guān)系，分別求算觀測值函數(shù)的中誤差。授課語言要通俗易懂，在枯燥理論知識學(xué)習(xí)的同時要緊密結(jié)合實踐，以引發(fā)學(xué)生的好奇心。如講解實習(xí)注意事項時，可選取一些歷年學(xué)生易犯的錯誤，如嚴(yán)禁坐儀器箱、水準(zhǔn)尺不能立墻或樹上而要平放地上、人離開儀器不能超過1 m開外、地面點的十字中心描畫要細(xì)、選點在下水道井蓋或大理石地磚上其松動后精度會如何、相鄰點間沒樹葉時通視良好枝葉茂密后爬上樹撥著樹枝觀測等。通常能使學(xué)生輕松理解并牢牢記住。

板書推導(dǎo)主要是針對課程中的重點和難點進行的，如涉及較多計算和理論推導(dǎo)的誤差基本理論和誤差傳播定律應(yīng)用、坐標(biāo)正反算、導(dǎo)線及水準(zhǔn)測量內(nèi)業(yè)計算等。公式推導(dǎo)和計算實例相結(jié)合的形式能循序漸進，在講解中與學(xué)生互動，利于學(xué)生接受與消化。對于這些理論計算，可讓學(xué)生用自己熟悉的語言去嘗試編程實現(xiàn)，并要考慮多種情況，設(shè)置多種初始條件、轉(zhuǎn)向流程、循環(huán)步驟和中斷判定。

教學(xué)錄像是將測量學(xué)中的儀器操作和使用過程、成圖軟件使用過程等制作成錄像，可插入課件中輔助教師講解，也可上傳至課程網(wǎng)站，供學(xué)生自行學(xué)習(xí)。

示范教學(xué)是在儀器介紹和操作使用時，通過課堂實物介紹、實習(xí)前的操作示范等方式，將儀器搬至教室或在實驗、實習(xí)場地現(xiàn)場演示教學(xué)，使學(xué)生能夠較快了解使用方法和操作步驟。

網(wǎng)絡(luò)教學(xué)主要是結(jié)合精品課程建設(shè)情況，建立課程網(wǎng)站，發(fā)布相應(yīng)的授課大綱、實習(xí)大綱、網(wǎng)絡(luò)課件、儀器操作和軟件使用的教學(xué)視頻、章節(jié)習(xí)題及試題庫等，為學(xué)生提供一個學(xué)習(xí)和交流的交互式平臺，作為課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)的一項重要內(nèi)容，可充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高其學(xué)習(xí)效率。

四、實踐教學(xué)安排與實現(xiàn)

1.課堂實驗

為高度實現(xiàn)理論與實踐相結(jié)合原則，課堂實驗需要緊跟相應(yīng)章節(jié)展開。對課堂實驗，采取定任務(wù)、限指標(biāo)的方法，具體分以下幾個步驟:

1）實驗準(zhǔn)備及踏勘選點。課堂講解了儀器的操作、使用步驟及相關(guān)觀測方法后，課程結(jié)束時安排下一次課的實驗任務(wù)，明確實習(xí)時間、地點、所用儀器、任務(wù)及紙筆準(zhǔn)備等。讓每組學(xué)生自學(xué)踏勘選點相關(guān)章節(jié)內(nèi)容，利用課余時間，在實驗前自行在指定實習(xí)場地事先選好一個閉合環(huán)（考慮到課堂實驗時間有限，只選取4個點），后續(xù)的測角、量邊、測高差、導(dǎo)線測量、地形圖測繪等各項實習(xí)任務(wù)都在這些點位上進行。這就避免了臨時選點時學(xué)生四處分散不便管理，且測量數(shù)據(jù)具有盲目性、前后不一致、不系統(tǒng)等弊端。

2）明確各項任務(wù)及限差指標(biāo)。無論是黑紅雙面尺測高差、測回法測水平角，還是全站儀測角量邊測量高差的控制測量，都是觀測方法的問題，要結(jié)合測量誤差理論嚴(yán)格進行測站檢核，控制各項限差和最后的閉（附）合差。儀器認(rèn)識與使用實驗中，可進行一些驗證性實驗。如黑紅雙面水準(zhǔn)尺保持不動，讀其黑、紅兩面讀數(shù)，驗證尺常數(shù)，為后續(xù)講解數(shù)據(jù)處理做好準(zhǔn)備；或用經(jīng)緯儀盤左、盤右先后瞄準(zhǔn)同一目標(biāo)，讀取度盤讀數(shù)，驗證盤左盤右相差180°的原理，為后續(xù)講解2C值互差做好準(zhǔn)備。其次，明確觀測方法、讀數(shù)順序、記錄方法及限差要求。雙面尺法水準(zhǔn)測量中除觀測方法本身外，要明確規(guī)定黑紅面讀數(shù)差、黑紅面所測高差之差、前后視距差、前后視距累積差及高差閉合差的具體數(shù)據(jù)。同樣，測回法水平角觀測中，要明確度盤起始讀數(shù)設(shè)置與變換方法，規(guī)定半測回較差、測回間較差及角度閉合差等的具體數(shù)值，以便學(xué)生對所測數(shù)據(jù)進行檢核和評定。

3）考核辦法及成績評定。采用實驗課上點名考勤加實驗報告相結(jié)合的形式，最終在學(xué)生上交的實驗報告上以優(yōu)、良、中、及格、不及格5個等級來考查實驗課成績，并以平時考勤10%、實驗成績20%和期末考試70%評定該門課程的最終成績。

從最終學(xué)期未教學(xué)實習(xí)來看，上述舉措收效甚佳，學(xué)生們對整個實習(xí)進程及各環(huán)節(jié)安排都會有一個總體的把握和理解，并表現(xiàn)出較高的熟練操作程度，真正從理論到實踐驗證了對測繪基本理論和技能的學(xué)習(xí)和掌握。

2.教學(xué)實習(xí)

對于不同專業(yè)停課進行的為期2～4周的教學(xué)實習(xí)，一般是在學(xué)期末或?qū)W期初，在課程學(xué)習(xí)結(jié)束后緊跟著進行的。實習(xí)前要先召開實習(xí)動員大會，布置實習(xí)時間、目的、任務(wù)、測區(qū)范圍、所用儀器、觀測方法、各項限差及精度、成圖方法及手段等，進行實習(xí)前的各項準(zhǔn)備工作，所用儀器、工具、資料、紙筆，或借或買或自行準(zhǔn)備或上網(wǎng)下載等。各項準(zhǔn)備完備后，即按照相應(yīng)流程進行測圖的技術(shù)設(shè)計，重點是技術(shù)方案設(shè)計，在已有圖紙上初步選定控制點，然后即踏勘選點對所選點位結(jié)合實際環(huán)境進行考查，在地面上用油漆和毛筆選定控制點。因為已有了課堂實驗選點的經(jīng)驗和教訓(xùn)，這次的大范圍測區(qū)選點，學(xué)生普遍較謹(jǐn)慎，按照相應(yīng)選點原則，最終在反復(fù)比較、綜合取舍后選出相對較合理的控制點位。

確保儀器檢查無誤后，即可開始各項測量工作。首先是控制測量，普通測圖中可先進行水準(zhǔn)儀測高差，完畢后即還掉儀器；經(jīng)緯儀測角的同時還要進行測圖，因此可以一直保留至測圖完畢再上交。

對測繪工程專業(yè)，一般有4周實習(xí)，采用2周測量學(xué)實習(xí)+2周數(shù)字測圖實習(xí)的形式，選用不同測區(qū)。測量學(xué)實習(xí)測區(qū)采用水準(zhǔn)儀測高差、鋼尺量距、經(jīng)緯儀測角進行控制測量，采用經(jīng)緯儀測繪法配合測圖平板手繪紙質(zhì)地形圖；數(shù)字測圖測區(qū)采用全站儀測水平角、平距和豎直角，利用平距和豎直角計算高差來完成控制測量，采用草圖法或編碼法進行全站儀野外數(shù)據(jù)采集，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入自行開發(fā)或購置的數(shù)字成圖軟件，采用人機交互的半自動、自動方式繪圖。

地理信息系統(tǒng)和遙感專業(yè)若有3周實習(xí)時間，可采用2周測量學(xué)實習(xí)+1周數(shù)字測圖的形式，可采用同一測區(qū)，先按傳統(tǒng)方式完成控制測量，然后以此為基礎(chǔ)，分別按經(jīng)緯儀測繪法配合平板手繪、全站儀數(shù)字測圖對同一測區(qū)進行紙質(zhì)測圖、數(shù)字地形圖測繪；若僅2周實習(xí)時間，可采用水準(zhǔn)儀測量高差、全站儀測角和量邊來完成控制測量，然后利用全站儀進行數(shù)字地形圖的測繪?？傊槍Σ煌瑢I(yè)2～4周不等的實習(xí)時間，可采用類似自由組合的方式來靈活組織，選擇合適、合理的測區(qū)、儀器、觀測方法和繪圖手段。

學(xué)生實習(xí)過程中，老師要擇時進行巡回指導(dǎo)，以便發(fā)現(xiàn)問題及時糾正，并抽查人員到位情況進行考勤。另外，還可通過電話、網(wǎng)聊、短信、郵件等形式進行互動和交流，并在控制測量結(jié)束、碎部測圖開始前集中起學(xué)生來進行一個座談，總結(jié)交流實習(xí)經(jīng)驗，并對后續(xù)測圖進行必要的指導(dǎo)和建議。

成果驗收和成績評定結(jié)合四方面進行:一是抽簽測試，設(shè)置好相應(yīng)的測量項目，讓學(xué)生抽簽選擇在指定場地進行測量，從觀測時間和測量精度兩方面評定學(xué)生成績；二是各組上交的圖紙、數(shù)據(jù)手簿及實習(xí)報告這些成果資料，按照相應(yīng)規(guī)定進行檢查驗收；三是根據(jù)平時巡回時掌握的出勤情況；四是組織各組長座談，討論組員表現(xiàn)及貢獻大小。最終以優(yōu)、良、中、及格、不及格5個等級考查和評定學(xué)生實習(xí)成績。

五、結(jié)束語

本文討論了數(shù)字測圖的概念和數(shù)字測圖系統(tǒng)的軟硬件配置情況，對該課程的教學(xué)內(nèi)容及課時安排進行了規(guī)劃，并對重點教學(xué)內(nèi)容進行了設(shè)計；接著介紹了眾多教學(xué)手段在本課程教學(xué)中的綜合運用情況，最后對課堂實驗和實習(xí)的實踐教學(xué)情況進行了探討。

在教學(xué)過程中筆者注重對內(nèi)容和要點的把握，靈活應(yīng)用多種教學(xué)手段，多途徑培養(yǎng)學(xué)生的知識、能力和技能，從授課班級課堂出勤率、課堂問答及課后作業(yè)、課堂實驗外業(yè)及實驗報告、考試成績、教學(xué)實習(xí)外業(yè)及實習(xí)成果資料、科技論文大賽、測量技能大賽、科技創(chuàng)新等第一課堂、第二課堂多方面成果來看，都取得了較好的教學(xué)效果，課堂教學(xué)質(zhì)量測評分?jǐn)?shù)較高。這種新的教學(xué)方法的實施，不僅可以讓學(xué)生快速掌握課程知識、了解業(yè)界最新動態(tài)，而且能讓學(xué)生更貼近實際生產(chǎn)，對學(xué)生以后工作有著重要的意義。

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