Matlab在测量数据处理教学中的应用

王永弟

（1.南京信息工程大学 遥感学院，江苏 南京210044）

Matlab是由美国MathWorks公司开发的科学与工程计算软件，具有功能强、效率高、简单易学等特点，尤其是矩阵计算，省时直观，适用于理论教学过程中展示计算实例，用以讲解理论公式的计算过程，可以改善大学中课程的教学效果，使学生更容易掌握抽象概念和复杂运算。本文探索了Matlab软件在测量数据处理教学中的应用，使学生从枯燥无味的公式推导和繁琐的复杂计算中解放出来，积极主动地参与到课程实践中去，从而激发他们的学习兴趣，使他们更直观地理解测绘学科的基本概念，更好地培养他们的动手能力。

1 测量数据处理教学特点和存在的问题

1.1 测量数据处理教学的特点

1）基础测量数据处理[1,2]。其特点是内容多、难点多（导线测量、水准测量、前后方交会、坐标转换、极坐标计算、曲线要素计算、施工放样等）。几乎涵盖了所有测量学及数字化数据采集的内容，是测量工作中最重要、最耗时耗力、应用最广泛的内容，多数学生不容易掌握。

2）测量平差数据处理[3-5]。其特点是理论性强、计算量大、数学知识运用相对集中（如误差的基本性质与处理、误差合成与分配、测量不确定度、线性参数的最小二乘法处理、回归分析等）,对学生《高等数学》、《线性代数》、《概率论与数理统计》、《数值计算》等数学基础有较高的要求，学生在学习过程中普遍反映难度较大。

3）大地测量数据处理[6,7]。其特点是概念多、公式多且长、计算精度要求高、计算工作量大，大多是以Taylor级数表达的开放公式，手工计算费时费力，容易出错（如坐标系统、地球重力场及地球形状的基本理论、地球椭球及其数学投影变换的基本理论、大地测量基本技术与方法等）。

4）数字图像处理[8]。其特点是内容多、跨度大、覆盖面广、起点高、难度大，具有很强的理论性和实践性（如图像中值滤波、图像几何处理、图像的二值化、图像频域处理等）。

1.2 测量数据处理教学存在的问题

1）教学内容多，学时安排紧，但课堂效率不高。一般测量平差基础和大地测量学等课程都是4个学分，课堂教学都是64学时，然后期末安排有2周的集中实习。课堂教学主要完成理论知识的教学工作，集中实习则完成内外业所有实践教学工作。学生很难在短时间内对所学知识有全面深入的理解和掌握。

2）教学方法单一枯燥，较难理解的抽象问题未能直观化，使学生难以接受，课堂效果不佳。枯燥的定理证明、繁琐的计算过程打击了学生学习的积极性，使他们失去了学习的兴趣[9]。

3）计算工作量大、精度要求高、公式多且较复杂、计算过程易出错，学生有畏难情绪。

2 测量数据处理教学运用Matlab的优势

Matlab将矩阵运算、数值分析、图形处理、编程技术结合在一起，为用户提供了一个强有力的分析、计算和程序设计的工具，使用户可以从繁琐的程序编写与调试中解脱出来。Matlab具有强大的数值计算、符号计算、数据分析和可视化、文字图像处理、动态仿真等功能，灵活运用各种功能可以激发学生的学习兴趣、提高学生的学习效率、培养学生应用专业知识解决实际问题的能力，从而起到良好的辅助教学的作用。

将Matlab应用到测量数据处理的教学环节, 具有以下几个方面的优势[10]：

1）能够有效提高专业课程课堂教学的效率。Matlab可以运用强大的计算分析功能简化公式的推导和概念的叙述，使教师可以把重点放在思维过程、解决思路和经验技巧等的讲述和传授上, 从而使课堂的教学效率得以提高；同时能把学生从复杂的编程中解放出来,使他们有更多的精力分析和比较各种处理方法,在有限的学时中掌握更多知识,提高学习效率。

2）有助于激发学生的学习兴趣, 改善课堂教学效果。Matlab可以方便迅速地用图形、图像、声音、动画等表达计算结果,辅助逻辑思维。通过计算机辅助教学,特别是设计简单方便的界面演示，方便快捷、图文并茂的处理方法,有助于学生直观地观察实验结果,可以激发学生学习和应用的兴趣,促使学生加强对专业知识的学习、理解、掌握和应用,从而大大改善课堂教学的效果。

3）可以加深学生对知识点的理解和认识。使用丰富的Matlab工具箱,可以自己设计教学软件或教学多媒体课件的用户界面，制作灵活多样的教学实例，以培养学生的学习兴趣,使学生对测量数据处理的认识从原来的畏难状态变得比较自觉主动。

4）有助于丰富专业课程的教学资源，改善专业课程的教学质量。总结Matlab在专业课程上的应用实例,可以积累大量的教学实例资料,丰富专业课的教学资源；及时发现教学上的不足和了解学生的掌握程度,为教师改进教学工作提供依据,有助于改善教学质量。

3 测量数据处理教学改革的具体措施

3.1 抽象内容直观化

Matlab强大的可视化功能可以将测量数据处理教学中抽象的内容直观地呈现在学生面前,极大地激发了学生的学习兴趣。

3.2 复杂计算简单化

在测量数据处理的教学中,可以借助于Matlab强大的数值计算功能,设计出恰当的实例，进行计算和分析，培养学生对学习内容和学习过程的兴趣。

3.3 经典实验打基础

测量数据处理课程的实践性很强, 上机实验不仅能加深学生对理论的理解,锻炼学生的编程能力,还能培养学生质疑问题的能力和创新精神[11]。因此每章结束后,可以提出1～2个问题，要求学生利用Matlab软件自编程序或利用其库函数求解问题，并分析计算结果。

3.4 案例分析练能力

测绘工程专业诸多课程的一个重要特征就是具有较强的实践性。在每个部分理论教学完成后,可以安排一个综合的案例分析,通过这些案例分析,使学生不仅掌握了测绘数据处理的基本方法,而且体会到了Matlab的强大功能,积累了解决实际问题的经验[11]。

4 结 语

对于测绘工程专业的《测量学》、《测量平差基础》、《大地测量学》、《数字图像处理》等这几门需要进行大量数据处理的专业基础课程，用Matlab进行辅助教学可以得到事半功倍的效果。Matlab与测量数据处理课程相结合,可以在教学过程中把师生从繁琐重复的低级劳动中解放出来，有更多时间去思考和理解，不仅改善了课堂教学效果、提高了教学效率，而且激发了学生实践的兴趣，提高了学生应用测量理论知识解决实际问题的能力。同时，对进一步提高专业课程的教学水平和教学质量，推动课程建设的发展起到积极的作用。

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