張 兵，崔希民，宋保平，韋 銳，宋昆侖

一種多要素地物地貌模型的設(shè)計(jì)與制作

張 兵1，2，崔希民1，宋保平2，韋 銳2，宋昆侖2

( 1．中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京100083; 2．石家莊學(xué)院資源與環(huán)境系，河北石家莊050035)

一、引言

由于教育教學(xué)模式的改革及不同學(xué)科之間本身的特點(diǎn)，現(xiàn)在的課堂教學(xué)除了采用傳統(tǒng)的講授法給學(xué)生傳授知識(shí)外，某些工程類課程還需要特別注重對學(xué)生實(shí)踐技能和創(chuàng)新性思維的培養(yǎng)。然而，實(shí)踐技能和創(chuàng)新性思維的培養(yǎng)不能僅依靠“講—聽”模式，還需要有針對性的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和教學(xué)工具作為支撐，以加強(qiáng)學(xué)生對相關(guān)技術(shù)的深入理解和牢固掌握。但目前高校在測繪科學(xué)、地理科學(xué)等專業(yè)的工程測量學(xué)、地圖學(xué)、數(shù)字化測圖、地籍測量等課程的教學(xué)中，相應(yīng)的實(shí)習(xí)實(shí)踐方式還比較傳統(tǒng)落后。如在已有的地物地貌教學(xué)模型中，多數(shù)只是涉及地物地貌要素的部分內(nèi)容，或突出地物，或突出地貌，或兩者都包含，但設(shè)計(jì)又不甚合理，有的模型地物地貌要素不夠豐富，色彩搭配不夠科學(xué)。這些模型雖然在一定程度上滿足了相關(guān)課程實(shí)踐教學(xué)的需要，但從課程實(shí)踐整體上來說還缺乏完整性［1］。因此，在總結(jié)各個(gè)已有模型優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，本文介紹了設(shè)計(jì)和制作一個(gè)多要素地物地貌特征模型的過程和方法，為了與實(shí)驗(yàn)室已安裝的模擬航空攝影測量系統(tǒng)［2］配合使用，模型的設(shè)計(jì)還考慮了航空攝影測量對地物地形模型的特殊要求。最終制作的模型既滿足了地圖學(xué)、數(shù)字測圖、地籍測量等課程理論教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)、科學(xué)探索的需要，還為普及地形地貌相關(guān)知識(shí)提供了理想的科普教育場所。

二、總體設(shè)計(jì)

多要素地形模型的設(shè)計(jì)首先要根據(jù)模型的功能需要，以及與之配套的模擬航空攝影測量系統(tǒng)的需要來設(shè)計(jì)模型的各組成部分，設(shè)計(jì)時(shí)要以客觀自然界為基礎(chǔ)，考慮各個(gè)地形要素自然分布規(guī)律和形成機(jī)理，以及模型的結(jié)構(gòu)、比例、材質(zhì)、與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)等多種因素，最后還要根據(jù)實(shí)驗(yàn)室空間來確定模型的尺寸。最終制作的模型要具有以下特點(diǎn):要素豐富，符合自然規(guī)律，整體美觀協(xié)調(diào)，色彩搭配合理，形象生動(dòng)逼真，使用方便。

1．設(shè)計(jì)思路

在參觀多個(gè)院校地形教學(xué)模型并對其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，本設(shè)計(jì)小組通過多次討論，形成了全要素地形地物特征模型的設(shè)計(jì)思路［1］——既能包含地貌特征要素，又要包含地物特征要素，且二者之間的比例協(xié)調(diào)，符合地貌地物要素自然界的分布規(guī)律，同時(shí)盡量按照自然地理形成規(guī)律展示各地物地貌特征的地物地貌模型。

模型主要包括模型底板、設(shè)置于模型底板上的地物要素模塊、地貌要素模塊，以及用于模型測量的控制點(diǎn)模塊，其中，地物要素模塊與地貌要素模塊所占模型面積比約為3∶2。如圖1所示，1為模型地板，2為地貌要素模塊，3、4為地物要素模塊。

圖1 地物地貌模型系統(tǒng)各部分組成比例略圖

2．模型結(jié)構(gòu)

地形模型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括3部分:地物模型、地貌模型、測量控制點(diǎn)。模型系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 全要素地物地貌模型系統(tǒng)組成

模型的整體結(jié)構(gòu)確定好后，設(shè)計(jì)人員可以對模型的內(nèi)容及后續(xù)的制作形成整體的概念，有助于確定模型的制作程序和步驟，避免因?yàn)槌绦蚧靵y而導(dǎo)致的返工。

3．模型尺寸、比例和相對高度設(shè)計(jì)

由于模型的整體結(jié)構(gòu)還不充分，還必須要考慮模型的比例、尺寸及模型的相對最大高差等。結(jié)合裝載模型的實(shí)驗(yàn)室的尺寸( 8 m×12 m)、測量控制點(diǎn)觀測墩的安裝及方便使用的要求，最終設(shè)計(jì)模型的尺寸為( 4 m×8 m)。

需要說明的是，此次模型的設(shè)計(jì)只是為了滿足教學(xué)實(shí)踐、科學(xué)研究及地物地貌知識(shí)普及的需要，因此設(shè)計(jì)的地貌地物要素要盡可能多。模型不是對某個(gè)自然區(qū)域的客觀再現(xiàn)，而是根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，并在制作時(shí)反復(fù)實(shí)驗(yàn)后實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)模型的尺寸，經(jīng)過反復(fù)測算，最終模型的設(shè)計(jì)比例尺為1∶100。

模型的相對高差不是任意確定的，需要考慮兩個(gè)方面的因素:一是模型整體尺寸的大小，主要是保證模型與周圍要素的協(xié)調(diào)關(guān)系;二是模型的相對高差要滿足與之配套使用的模擬航空攝影測量的攝影要求(前面已提及此模型還要配合模擬攝影系統(tǒng)使用)，具體的設(shè)計(jì)如下:

《航空攝影測量規(guī)范》［3］規(guī)定:當(dāng)航攝比例尺大于1∶8000時(shí)攝影區(qū)相對航高不能大于1/6，當(dāng)航攝比例尺小于1∶8000時(shí)攝影區(qū)相對航高不能大于1/4。由于攝影比例尺設(shè)計(jì)為1∶50，則攝影相對航高的計(jì)算如下

式中，H攝為攝影航高; f為攝影相機(jī)的焦距; m為攝影比例尺的分母。

為了滿足規(guī)范要求而又不對攝影區(qū)域進(jìn)行分區(qū)，最終設(shè)計(jì)模型區(qū)的最高點(diǎn)相對高程設(shè)計(jì)值( H設(shè)計(jì))計(jì)算如下

即若模型底部平面的高程設(shè)為0，則模型區(qū)的相對高程設(shè)計(jì)為0．4 m。

三、詳細(xì)設(shè)計(jì)

地物地貌模型的詳細(xì)設(shè)計(jì)包括很多要素，即各個(gè)模塊的具體內(nèi)容、設(shè)計(jì)模塊的布置方式設(shè)計(jì)、模塊之間的連接方式設(shè)計(jì)等?？紤]這些的目的是使模塊間布置合理、連接自然，且內(nèi)容要素豐富、形象逼真。各個(gè)模塊的布置方式和連接方式如圖1所示，地貌要素模塊2固定于模型底板中西部，山谷處設(shè)置有河流、大壩等;地物要素模塊包括第一地物要素模塊3和第二地物要素模塊4，模塊3固定設(shè)置于地貌要素模塊的東南部，模塊4固定設(shè)置于地貌要素模塊的東北部;模塊3通過河流與所述地貌要素模塊相連，第二地物要素模塊4通過梯田與所述地貌要素模塊相連。

下面主要從地物要素設(shè)計(jì)、地貌要素設(shè)計(jì)、測量控制點(diǎn)設(shè)計(jì)、特征點(diǎn)LED顯示燈設(shè)計(jì)、色彩設(shè)計(jì)5個(gè)方面介紹模塊內(nèi)容的設(shè)計(jì)過程。

1．地物要素設(shè)計(jì)

地物要素主要是指地面上各種有形物(交通線、河流水系、森林、建筑物等)和無形物(境界線)的總稱是，普通地圖上應(yīng)重點(diǎn)表示的要素之一。本模型地物要素部分主要包括居民地、工廠、學(xué)校、公園、水庫、大壩、河流、水塔、鐵路、公路、橋梁、農(nóng)田等，此地物要素模型部分的主要功能就是真實(shí)客觀地模擬自然界各常見地物要素，如圖3、圖4所示。

圖3 地物要素局部模型1

圖4 地物要素局部模型2

模型上的地物用相似的模型表示，公路等級不同則寬窄不等，用顏色不同的雪弗板彎制而成;江河用藍(lán)色硬紙條表示;樹林用小樹枝加綠色鋸末表示。地物要素模塊和地貌要素模塊部均設(shè)置有卡突，模型底板上設(shè)置有與卡突相對應(yīng)的插孔。卡突的具體樣式如圖5標(biāo)號(hào)5所示。

圖5 模型卡突示意圖

地物要素的大小應(yīng)與水平比例尺相適應(yīng)，關(guān)系位置要求正確。地物應(yīng)按水系、居民地、道路、樹林和獨(dú)立地物的順序進(jìn)行設(shè)置。

2．地貌要素設(shè)計(jì)

地貌即地球表面各種形態(tài)的總稱，有時(shí)也稱為地形。地表形態(tài)是多種多樣的，成因也各不相同，是內(nèi)、外力地質(zhì)作用對地殼綜合作用的結(jié)果。地貌類型根據(jù)地表形態(tài)劃分主要有平原、丘陵、山地、高原和盆地5大形態(tài)類型。該模型地貌部分的設(shè)計(jì)主要包括平原、山地、丘陵等，在設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮的因素還包括對對地形相關(guān)知識(shí)的普及，使各要素盡可能全面。如在設(shè)計(jì)山地地貌時(shí)，包括常見一些山地地形特征，具體有山頂、凹地、山脊、山谷、鞍部、懸崖、陡坡和緩坡等。

具體的實(shí)現(xiàn)方法為:

1)在底板上繪制方格，并將設(shè)計(jì)的最低等高線、控制地貌基本形狀的等高線，以及山頂、鞍部、山腳、傾斜變換點(diǎn)的位置標(biāo)定到模型底面上。

2)將計(jì)算好的山頂、鞍部、山腳、傾斜等地形特征變換點(diǎn)分別插上木條，木條的高度為該點(diǎn)在沙盤上的高度加上底層沙土的厚度。

3)在最低等高線范圍內(nèi)，以木條和等高線為依據(jù)，先堆出山頂、鞍部、山脊等的概略形狀作為骨干;再修整其他部分，主要是分片堆積，先堆積復(fù)雜處，后堆積簡單處，并應(yīng)隨時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)思路調(diào)整地貌堆積形態(tài)，隨時(shí)將沙土壓緊，以免崩塌變形;堆積完畢，應(yīng)作全面檢查和修整，并由高到低逐層噴上設(shè)計(jì)的顏色。

地貌模型如圖6所示。

圖6 地貌要素模型

3．測量控制點(diǎn)設(shè)計(jì)

在地物地貌模型系統(tǒng)中設(shè)計(jì)測量控制點(diǎn)的主要目的是為了擴(kuò)展模型的應(yīng)用范圍，使其滿足更多課程的教學(xué)實(shí)踐需要，如數(shù)字化測圖實(shí)習(xí)、地籍測量實(shí)習(xí)等。這大大提高了模型的使用效率，并且使這些實(shí)習(xí)減少了對外界天氣條件的依賴，增加了實(shí)習(xí)的靈活度。本次設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)際情況和控制點(diǎn)的布設(shè)要求總共布設(shè)4個(gè)測量控制點(diǎn)( A、B、C、D)，測量控制點(diǎn)以觀測墩的形式固定在地面上。控制點(diǎn)的布設(shè)要求為:能夠?qū)Φ匚锬Ｐ瓦M(jìn)行全方位觀測，不留死角。控制點(diǎn)采用獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)，以磁北作為標(biāo)準(zhǔn)北方向。圖7是控制點(diǎn)B和控制點(diǎn)C的分布位置，與之對應(yīng)的模型的另一邊布設(shè)有控制點(diǎn)A和控制點(diǎn)D。

圖7 測量控制點(diǎn)分布

4．特征點(diǎn)LED燈設(shè)計(jì)

為了教學(xué)和講解的方便，在地物和地貌特征點(diǎn)上設(shè)計(jì)了LED顯示照明燈。為了區(qū)別不同類別的地物、地貌特征，將整個(gè)模型分成20個(gè)不同的單元，如山脊線、山谷線、河流、建筑物、大壩及水系、鐵路點(diǎn)、水塔、梯田等。每個(gè)單元的不同特征點(diǎn)上都設(shè)有LED顯示燈，各個(gè)單元的LED顯示燈是相互獨(dú)立的，可以根據(jù)需要用演示控制系統(tǒng)(地形測量實(shí)訓(xùn)系統(tǒng))對其進(jìn)行打開和關(guān)閉操作，如圖8、圖9所示。這種設(shè)計(jì)提高了模型的使用效果，使學(xué)習(xí)者對各個(gè)要素的相關(guān)知識(shí)有了清晰、深入的認(rèn)知。

圖8 地形測量實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)界面

圖9 公路單元LED顯示燈

四、結(jié)束語

地物地貌模型的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的工程，由于自然界的自然地理要素和社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素紛繁復(fù)雜，想通過一個(gè)模型的設(shè)計(jì)來包羅萬象是不太可能的。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮模型的實(shí)用功能，盡量包括常見的地物和地貌類型。該模型最終的制作成果滿足了設(shè)計(jì)要求:要素豐富，符合自然規(guī)律，整體美觀協(xié)調(diào)，色彩搭配合理，形象生動(dòng)逼真，使用方便。

該模型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)滿足了地圖學(xué)、數(shù)字化測圖、地籍測量等課程的室內(nèi)實(shí)踐教學(xué)需要，使測量學(xué)實(shí)習(xí)和地圖學(xué)實(shí)習(xí)等在一定程度上擺脫了外界天氣條件的限制，提高了實(shí)習(xí)的靈活程度，降低了實(shí)習(xí)成本;另外，此系統(tǒng)建成后為普及地物、地貌相關(guān)知識(shí)提供了理想的科普教育場所，多次接待中小學(xué)生參觀學(xué)習(xí)，取得了一定的社會(huì)效益。

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Design and Implement of a Terrain and Surface Features’Model with Many Elements

ZHANG Bing，CUI Ximin，SONG Baoping，WEI Rui，SONG Kunlun

介紹了設(shè)計(jì)和制作一種多要素地物地貌模型的過程和方法，該模型涵蓋了各種常見的地物、地貌要素，并且各要素具體分布位置設(shè)計(jì)合理、形象逼真，符合自然形成規(guī)律。該模型在主要的地物和地貌特征點(diǎn)上都設(shè)計(jì)安裝了LED燈，可以在演示系統(tǒng)的控制下根據(jù)需要打開和關(guān)閉LED燈，以顯示不同的地形、地物特征;同時(shí)，該模型還能夠很好地滿足模擬攝影測量系統(tǒng)對于地面高差的控制要求;另外，在該模型的兩邊設(shè)計(jì)制作了4個(gè)測量控制點(diǎn)觀測墩，以便利用控制點(diǎn)對模型進(jìn)行數(shù)字地形測繪。

地形模型;地物地貌;教學(xué)模型;模擬系統(tǒng)

張 兵( 1979—)，男，博士生，講師，主要從事3S集成與應(yīng)用、土地資源開發(fā)利用、礦山開采沉陷工程與變形監(jiān)測的研究工作。E-mail: zhbing1020@ 126．com

P287

B

0494-0911( 2015) 11-0080-04

張兵，崔希民，宋保平，等．一種多要素地物地貌模型的設(shè)計(jì)與制作［J］．測繪通報(bào)，2015( 11) : 80-83．

10．13474/j．cnki．11-2246．2015．0352

2015-08-20

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目( 51474217) ;河北省高等學(xué)?？茖W(xué)研究計(jì)劃( Z2015160) ;河北省人力資源和社會(huì)保障研究項(xiàng)目( JRS-2015-3034)