基于真三维模型的测绘实践教学平台构建研究

周保兴

摘 要：测绘工程是一个以应用为基础的工程学科，无论是基础测绘数据采集，还是大型工程建设中工程测量，都需要熟练掌握外业测绘数据采集和内业数据处理的方法。这就需要加强测绘工程专业学生的实践操作能力和协同创新能力。因此，基于三维模型构建技术，结合测绘专业的特点，构建本专业的三维实践教学平台，培养测绘专业学生的实践操作能力，提高其专业技术水平，使其能够更加适应当前经济发展和社会需求，具有重要的现实意义。

关键词：真三维模型；实践教学平台；测绘

测绘工程技术主要研究工程建设在勘察设计、施工建设、运营管理等阶段所用到的各种测量技术和方法，该技术主要应用于工业和民用建筑、桥梁、电力、水利工程、道路、隧道等众多领域，尤其在工程建设中起着极其重要的作用。当前全球定位系统、摄影测量和遥感技术、三维激光雷达技术、倾斜摄影测量技术等现代测绘技术的应用和发展，为“数字城市”“智慧城市”以及“数字地球”的实现奠定了空间数据快速获取的基础，因此，测绘工程技术具有广阔的应用和发展前景。

一、“三维实践教学平台”构建的意义

现代测绘技术已经深入人们的日常生活中，凡是需要空间位置的行业都需要测绘技术的支持，比如，汽车导航、智慧交通等。因此，该技术对其他专业（土木工程、交通工程、材料工程、港口工程）的学生来说，也是需要掌握的基本知识，因此，测绘实践教学及实验室建设存在比较大的压力，主要体现在如下几个方面。

1. 实验仪器的使用达到极限

虽然每年都要购买一定数量的实验仪器，但随着招生规模的不断扩大、部分仪器损毁报废和测量实验、实习教学工作量的增加，测量实验仪器设备仍无法满足学生规模不断扩大和不同专业交叉教学的需求，造成了测量实验室仪器设备已接近使用极限。

2. 测量课程实验实习场地不规范

由于测量实验学时数的限制，课程实验实习大多选择在校内进行，校内场地条件不规范，并且和作业现场的测量条件存在比较大的差异。

3. 综合实习效果不佳

课程综合性实习是在学生掌握了一定的专业技术知识之后，为了锻炼学生利用学习的专业知识综合解决实际生产问题所进行的实习，其实习的时间较长，实习的方式也不统一。

一是根据不同的实习内容，选择场地进行实地实习或者参观实习，该方式需要学生身临其境，才能收到较好的实习效果，但由于选择的實习场地会受到野外地形条件、实习安全等诸多因素的限制，使得实习效果受到很大的影响。

二是到签约的实习基地去参加生产实习，该方式与生产单位具体工程项目相结合进行生产实习，真实性比较强，能收到较好的效果，学生能得到真正的锻炼，同时也能解决生产单位测绘人手不够的问题。但该方式的缺点是生产实习的内容不一定与生产单位工程项目相吻合，并且实习时间也会受到生产单位工期的限制，很难满足实践教学的要求。

因此，为了使测绘学生能够适应测绘行业的技术发展与社会需求，提高该专业学生的综合实践技能、数据处理能力和分析、解决问题能力，需要在原有实践教学的基础上，对测绘实践教学方式和手段进行改革，使得测绘实践教学能够更加贴近实际的生产环境，符合测绘新技术发展的需要。

二、“三维实践教学平台”的组成

根据测绘工程学习领域和课程体系的要求，该三维实践教学平台以加强学生的实际操作能力和生产性实训为目的，模拟生产项目的实际情况，各实训项目的内容都来源于实际的生产单位。结合测绘行业背景和区域优势，根据测绘行业的岗位需求，确定测绘学生应具备的专业技能和培养目标，并将这些培养目标分解到平时的教学和实践环节中，逐步形成以基础能力、专项能力为基础，综合能力为重点，三个层面有机结合的实践教学体系。

1. 工程数字化测图平台建设

（1）工程数字化测图平台建设

① 测图控制网建设

根据校区地形地物的分布特点，在校区三维模型中布设3个一级导线控制网，控制网点数30个左右，并设置标准的导线控制点标石。

② 控制网模拟观测

根据一级导线网的要求，对布设的导线网进行模拟观测，并对观测值进行平差，计算得出控制点的坐标数据，并对模拟控制网进行精度评定。

（2）工程数字化测图数据处理平台建设

① 数据处理软件

利用计算机实验室，确定以南方CASS数字成图软件为主，以清华山维数字成图和入库软件为辅的测图数据处理平台。

② 图形输出设备

以大型宽幅绘图仪设备，对完整的数字图形数据进行绘图输出，提供完整的数字地形图。

该工程数字化测图平台建成后，可以满足多个班级同时进行校园数字化测图实习，学生可以在此数字化平台进行1∶500、1∶1000、1∶2000等不同比例尺的地形图、房地产图的数据采集，并能够利用数字化测图数据处理平台进行内业成图和编辑实习。

2. 工程施工放样平台建设

（1）施工放样平台建设

根据校区三维模型，为建筑物点位放样、高程放样、场地平整、主轴线放样、建筑方格网放样、房屋放样等提供模拟实习场地，在场地内设计可供放样的数据，利用该场地内的已知控制点和放样数据进行实地放样。

（2）线路放样场地建设

场地设在校区三维模型主路上，设置一系列的中桩，该线路放样的场地长度自校区东门至南门，每隔20 m钉一中桩，总长度为1.5 km左右，主要为学生进行线路测量的中平测量、曲线测量、纵横剖面测量实验提供条件。

（3）施工测量数据处理平台建设

利用交通土建工程学院的计算机实验室，结合工程测量数据处理系统构建线路辅助设计、建筑物工程施工放样数据计算、公路工程设计及数据计算的平台。

3. 工程变形监测实验平台建设

（1）工程变形监测平台建设

① 变形监测控制网布设

在校区三维模型中布设应用于建筑物变形监测的测量基准点和应用于变形监测的控制点，组成变形监测测量控制网，并对测量基准点和控制网进行高精度的联测，获取高精度变形监测的基准。

② 变形监测点布设

根据变形监测区域的情况，选择建筑物的变形监测工作基点和建筑物的变形监测点，并且设置相应的测量标石和标志。

（2）变形监测数据处理平台建设

利用计算机系统构建变形监测数据处理平台，实现建筑物沉降变形量、不均匀沉降及沉降速率的计算，计算周期沉降量、周期沉降速率、地基倾斜、局部倾斜、相对弯曲和构件倾斜等。

① 计算地基基坑周边建（构）筑物的位移量、不同方向的变形差

② 计算基坑深度与位移的关系值、位移的周期变化值、位移速率等

在建（构）筑沉降观测中，本实践教学平台可以将测量仪器的观测数据，通过电子传输或者键盘手工键入的方式，输入到本系统的电子表格中；按照相关规范和要求，自动计算各种沉降和位移值；同时生成多种变形观测成果表；绘制复杂的曲线图；是本系统提供的变形过程回归分析及预测功能，为变形过程的稳定性分析提供了科学依据，及时发现严重建筑物（构筑物）变形的原因，改正导致变形的不良因素。

三、“三维实践教学平台”的构建

1. 校园真三维模型构建

（1）基础地形模型建模

即大场景地形模型构建，主要以数字高程模型为基础，以矢量地形图数据、大范围遥感影像和空间点云数据为补充，通过DEM、遥感影像和点云数据的叠加融合，构建基础地形模型，作为校园三维建模的基础数据平台。

（2）地物精细建模

对于校园建筑物、构筑物等地物进行精细建模，需要根据现场实测建筑物尺寸数据绘制精确的CAD图形，并结合卫星影像的模型底图，提取校园内重点地物的矢量边界数据，将这些数据导入MAYA、3DMAX、SKETCHUP等建模软件，通过图形设计、模型构建、纹理贴图、光照渲染等步骤建立精细模型，最后将构建好的精细模型导入ArcGIS、Skyline等三维平台软件环境中，实现精细模型与三维地形的无缝融合。

2. 基于校园真三维模型的模拟控制测量

根据校园真三维模型，可以在校区场地选取工程数字化测图、施工放样和变形监测控制点，设置控制测量标石和标志，布设工程数字化控制网，模拟完成控制网的布设和测算，并可以进行控制网的优化设计。在此基础之上，进行计算机软件的安装和测试工作，并对软件各模块的功能进行检查检验，完成模拟控制測量平台建设。

3. 基于校园真三维模型的放样测量

在三维模型平台，设计出要放样的建筑物三维模型，确定工程施工放样区域，布设施工放样三维控制点，根据施工放样的工作内容，分别确定点位放样、高程放样、主轴线方向、建筑物放样等操作方案，并进行高精度施工放样模拟实验。对施工放样平台进行安装调试，测试各计算模块的功能，并对实测的施工放样案例进行计算分析，完成工程施工放样平台建设。

4. 基于校园真三维模型的变形监测

根据校区三维平台，选择距离变形区域比较远并且稳定的山上，布置工程建筑物变形监测基准点，在变形体附近布置工作基点，在变形体上面布置变形监测点，并进行高精度的控制网模拟计算和优化设计。对变形监测数据处理系统软件，进行计算机实验安装调试，测试各计算模块的功能，并对实测的工程变形监测案例进行计算分析，完成工程施工放样平台建设。

四、结束语

测绘工程专业是一个应用性专业，非常重视实践操作和新技术的运用。实践教学是测绘专业人才培养中非常重要的环节，也是确保毕业生就业质量、提高就业能力的保障。三维实践教学平台的建立，使测绘专业的实践教学取得了较好的效果。

1. 可以增强对专业知识的学习效果

利用精确的三维模型平台，结合先进的实验设备和精心设计的实践课程，可以使学生掌握测角、测距等基本实践技能，培养综合运用经纬仪、全站仪、水准仪等测绘仪器的能力；三维实践教学平台将实验内容融入三维虚拟现实环境中，可以激发学生进行实践操作学习的兴趣、主动性和创新能力，使其能够掌握坚实的基础理论和基本技能。

2. 可以提高仪器操作水平和数据处理能力

该三维实践教学平台，实行开放式教学，学生可以根据需要申请上机模拟操作，从而保证学生能够熟练掌握GPS、全站仪等各种测绘仪器的操作，并能够应用GPS数据处理软件、地理信息系统软件、摄影测量与遥感软件进行相应数据处理和开发，为将来的就业做好准备。

3. 可以培养创新意识和创新能力

三维实践教学平台的建立和开放，将给学生提供更加真实的实习环境，进一步提高学生的创新意识和创新能力。目前，山东省教育厅每年举行山东省大学生实践创新训练计划项目，本校测绘专业的学生一直积极参加；山东省测绘学会和南方测绘仪器公司每年都举行大学生测绘技能大赛，本校学生多次取得优异的成绩；此外，学校还每年设立本科生科研立项，测绘专业学生参与申请数连年增加。

参考文献：

[1]汤俊，李长春.卓越计划背景下“测量程序设计”课程教学改革研究[J].测绘工程，2017（1）：77-80.

[2]黄张裕，徐佳，刘志强.面向信息化测绘的实践教学体系构建[J].测绘工程，2014，23（4）：76-80.

[3]王永弟，孙景领.Web 2.0环境下测绘实践个性化平台的构建[J].测绘与空间地理信息，2014，37（10）：95-96.

[4]杨晓云，梁鑫，吴辉琴，等.非测绘专业数字化测图实践教学平台建设研究[J].教育教学论坛，2017（19）：111-112.

[5]陆静.大学生能力目标实现的“三维实践平台”研究——以文化产业管理专业为例[J].石家庄学院学报，2016（2）：137-141.

[6]李英平，张代治，于相慧，等.三维设计方法在实践教学中的应用与实践[J].长春大学学报，2003，13（5）：88-90.

[7]李宏才，闫清东，王涛.三维视景仿真技术在实践教学中的应用研究[J].实验技术与管理，2010，27（10）：94-97.

基金项目：本论文受到了山东交通学院教学改革项目“基于虚拟现实技术的三维实践教学平台构建研究”（JG201616）的资助。