GPS数据处理教学课程体系设置探讨

阳凡林,刘智敏

(1.山东科技大学测绘学院,山东青岛266510;2.海岛(礁)测绘技术国家测绘局重点实验室,山东 青岛266510;3.山东省基础地理信息与数字化技术重点实验室,山东青岛266510)

0 引 言

随着空间定位技术和电子信息科学的发展,卫星导航定位系统技术(主要有GPS,GLONASS,COMPASS,Galileo,)已经应用到与导航、定位、授时、气象有关的方方面面,可以说其应用只受想象限制。GPS卫星定位原理与数据处理也作为《普通高等学校本科专业目录》设置的测绘工程本科专业的专业主干课程之一,受到相关院校的重视。目前毕业生工作单位反馈的主要问题是学生的软件操作和编程能力弱,处理实际问题缺乏经验,无法满足独立完成项目的用人需要。通过教学团队的分析和调研,以GPS数据处理课程为例探讨教学内容安排、教学模式改进和考试方式调整等内容进行课程体系的整合设置,以提高学生的专业实践能力和发挥主观能动性。这对于计算机软件操作有关的专业课程教学有一定借鉴作用,理论基础知识掌握后,通过上机实践、生产实习去消化理论知识,积累实战经验,增强自信力,培养实际工作能力,以满足社会需求。

1 教学内容设置

GPS数据处理课时安排为20～32学时之间,前导课程为测量平差基础、高级语言程序设计、GPS卫星定位原理与方法,后续课程安排为GPS卫星定位生产实习。其教学目的是:使学生了解GPS全球定位系统数据处理的一般过程与步骤,掌握在GPS外业基础上的内业数据处理步骤与方法,主要包括预处理、坐标系统的转换、基线解算、网平差等过程[1]。学生毕业后,在实际生产实践过程中,在外业数据采集和外业检核结束的基础上,能独立完成内业数据处理及误差分析与评定。

教学内容设置为两篇:一篇为数据处理过程—GPS坐标系统的转换、基线解算、网平差,以数学模型的建立和公式推导为主,通过数据流程设计为软件的学习做准备;另一篇是数据处理软件使用见表1所示。从教学目的上可以得出:本课程是为了生产实践上进行内业数据处理及误差分析与评定,是一门以软件操作为主的课程。因此在课时安排上侧重于第二篇。考虑到目前GPS应用的不同,数据处理软件也有多种,那么介绍软件分类及其使用特点就成为课程重点内容之一。

GPS数据处理软件可以采用专用软件、商用软件或随机软件,如专用软件有检核数据质量评定的质量评定软件(T ranslation,Editing,and QualityChecking-TEQC),作为UNAVCO研制的一款功能强大的GPS/GLONASS数据预处理软件,是目前国际上公认较为优秀的数据质量检查软件;高精度的GPS网数据处理也可以选用国际著名的GAMIT/GLOBK、BERNESE、GIPSY、EPOS等软件,都是IGS数据分析处理中心所采用的软件,具有数据处理精度高、解算功能强大、模块结构清晰、自动批处理稳健、运算速度快等共同特点;为了满足国内GPS工程测量需要,我国自主研发的GPS控制网平差软件,如PowerADJ软件、科傻系统GPS工程测量网通用平差软件、Caravel Net高精度控制网平差软件等商用软件,适于大规模GPS控制网的快速高精度解算,可以根据GPS工程控制网需要,进行一点一方位平差、高程拟合等功能,并带有常用的工程测量计算工具,可以实现各种坐标转换,及选择多种测量规范对应的控制网等级进行平差,输出成果;随机软件有天宝测量办公软件(T rimble Geomatics Office,TGO),南方测绘的GPS静态数据平差软件(South Survey GPS Data-Processing ADJustment,ADJ),中海达GPS数据处理HDS软件等,适合测绘工程数据处理、科研分析和学生学习使用,广大测绘工作者均可免费使用的软件,操作简单,易学易用[2]。

GPS数据处理软件操作(一般教学用天宝TGO软件)在多媒体教学+机房进行,教师一边讲解软件的结构一边利用软件平台操作数据处理步骤,通过投影屏幕展示,使学生在机位上边听讲边上机实践,可以快速入门,领会软件功能和初步使用过程。再通过测量数据进行软件操作,对于多时段、多历元、不同卫星数据的选用对解算结果的影响,精度评定后对比分析。条件(课时、软件和机房等试验环境)允许的情况下,可以继续对同类专业软件(南方的GPS平差ADJ软件,武测的Power-Net平差软件,中海达GPS数据处理 HDS软件等)的学习和操作,以同一组数据处理得出不同的结果和精度对比,了解在不同情况下适合选用的处理软件。

2 教学模式优化

GPS数据处理的讲授主要结合卫星定位原理与测量平差知识,进行数据处理模型推导;高级语言程序设计与卫星定位理论的交叉运用到程序设计流程中。作为第8/9学期开设的专业课程,不仅讲授新理论新知识,还需要对前导课程内容温故知新,融会贯通,学知识是为了用知识去解决问题,这里得小试牛刀。为了方便公式书写和流程图绘制,采用CAI多媒体教学方式节省上课时间[3];在公式推导过程中,辅以“板书+粉笔”教学有助于学生的理解和思考[4]。并留出时间给同学们分组讨论对于数据处理过程中子模块的设计流程,如时间系统或坐标系统的转换、RINEX文件信息的读取、观测数据粗差剔除等。布置课后练习进行小模块编程实现,通过程序设计和调试培养学生的编程能力和对数学模型、数据流程的掌握程度,缩短与专业软件的距离,子模块和软件就是小房子和楼群的关系,软件就是足够的人力、时间和技术指导的成果。为学生以后的软件平台二次开发打下良好的基础。

表1 GPS数据处理教学方法设置

数据处理软件的掌握是通过上机演示和操作,让学生自己去熟悉软件功能和处理实测数据,在软件操作学习中遇到的问题,通过独立思考、同学相互讨论协作、去尝试多种解决方案,再和教师交流选择最优方案。以此调动学生的学习兴趣,培养分析问题、解决问题的能力。

课后提交读书报告的教学要求,是应对GPS数据处理算法发展、软件更新、应用领域拓展的特点,令学生去图书馆或是电子网络查询文献资料[5-6],收集整理后做出读书报告,以获得相关领域的前沿发展最新信息,培养学习自主性和专业文献检索能力。

3 考核方式改革

进行考试形式改革,以开卷考试和平时作业成绩综合考核:

1)开卷考试,改进考试题型,要求同学定时在考场独立完成。以数学模型、算法流程和程序设计为知识考点,可以翻阅参考资料。主要考察学生的理解、分析和解决问题的综合能力。占总成绩的60%。

2)读书报告占10～20%。

3)上机操作,在有限时间内,对所给数据文件进行数据处理,按照要求展示处理结果报告,作为实践技能操作的考核占20～30%。

应对课程特点,采用开卷考试、上机考试等不同于传统的闭卷考试形式,为了培养学生利用所学知识解决实际问题的能力,提高了课程知识的掌握度,也在一定程度有效克服了考试作弊问题,起到了检核学生成绩的目的。

4 结 论

GPS数据处理作为专业理论与数学、计算机技术结合的课程,其理论性和实践性都要求较高,在教学内容设置上紧跟空间定位技术发展和社会技术需求的变化,同时在教学环节上利用多媒体、电子网络等现代教学环境,通过分组讨论、读书报告、上机实践和开卷考试等多种教学模式结合,提高学生的自主学习、创新思维和独立工作能力,满足社会用人需求。

[1] 李征航,黄劲松.GPS测量与数据处理[M].武汉:武汉大学出版社,2005.

[2] 独知行,刘智敏.GPS测量实施与数据处理[M].北京:测绘出版社,2010.

[3] 蒋廷臣,顾 磊.多媒体技术辅助测绘专业教学研究[J].测绘科学,2008,33(16):226-228.

[4] 刘智敏,阳凡林,独知行.卫星定位原理及应用的教学改革与实践[J].测绘工程,2010,19(3):77-80.

[5] 常玉奎.“工程测量”课程多媒体课件开发与应用[J].测绘通报,2007(3):76-77.

[6] 孙贤斌,尹 杰,熊才权,等.“测量学”多媒体教学网站建设[J].测绘通报,2008(12):70-72.