CN109410682A - 用于工程测量学实验教学的仿真平台的建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于工程测量学实验教学领域，提出了一种用于工程测量学实验教学的仿真平台的建立方法，包括以下步骤：S1、基准建立：在半现实仿真区所在位置建立测绘基准控制网，包括平面控制网和高程控制网；S2、半现实仿真区选定：结合学校地物分布状况，选定与生产实际相似区域建立数字测图仿真区、工程放样仿真区、变形监测仿真区三个核心半现实区以及公路曲线测设仿真区、隧道/矿井巷道贯通仿真区两个扩展模块；S3、基础数据获取；S4、对照半现实仿真区模块，建立与半现实仿真实验对应的桌面型虚拟实验平台。本发明提高了工程测量学的实验教学效果，可以广泛应用于工程测量学实验教学领域。

Description

用于工程测量学实验教学的仿真平台的建立方法

技术领域

本发明涉及一种用于工程测量学实验教学的半虚拟仿真平台的建立方法，属于工程测量学实验教学领域。

背景技术

《工程测量学》作为高等学校测绘工程专业非常重要的一门专业课，是集理论和实践为一体的课程，主要为学生讲授各项工程在规划设计、施工建设和运营管理阶段所进行的各种测量工作。随着工程测量技术向高、精、尖的发展，从业人员的动手能力越来越被重视，改革本科教育中传统的《工程测量学》实践教学方法，提升实践教学效果势在必行。近些年，我国测绘教育工作者为了取得更好的《工程测量学》教学效果作出了不懈的努力，分别从《工程测量学》课程的教学与改革、教材建设和教学方法、课程内容设置和教学中的突出问题研究、BTEC理念的引入、实践教学、教学中的思考与建议、理念体系优化等方面做了探讨与分析，给出了不同的建议与教学实践，同时，还有利用校园地物进行工程测量实践教学的探索活动及基于虚拟仿真技术的工程测量实验教学探讨。

《工程测量学》要求理论教学必须与工程实践紧密结合，在加深学生对基本理论理解的基础上，培养学生分析问题和解决实际工程问题的能力。因此，教学中如何提高学生的动手能力，是实验教学必须考虑并解决的问题。以往的教学中，数字测图、工程放样和变形监测均放到生产实习时在外业场地集中进行，但校内实验未开展前期工作，外业观测时间又紧张，最终导致实习效果不好。此外，目前的实验教学环节，因场地限制无法开设综合性的实验，所开实验功能单一，知识覆盖面较窄，使学生无法系统性的理解和掌握工程测量的技术体系，对学生系统性理解与掌握工程测量技术体系带来制约。而且，目前学校所拥有的测绘仪器设备数量偏少、偏老，仪器种类不足，无法满足学生人人上手、学会能用的教学要求。因此，需要提供一种工程测量学实验教学方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种用于工程测量学实验教学的仿真平台的建立方法，以提高工程测量学的实验教学效果。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：用于工程测量学实验教学的仿真平台的建立方法，包括以下步骤：

S1、基准建立：在半现实仿真区所在位置建立测绘基准控制网，包括平面控制网和高程控制网，平面控制网采用GNSS技术建立，起算基准点联测国家GNSS B级点，建立GNSS C级网，在此基础上加密建立GNSS D级网；

S2、半现实仿真区选定：结合学校地物分布状况，选定与生产实际相似区域建立数字测图仿真区、工程放样仿真区、变形监测仿真区三个核心半现实区以及公路曲线测设仿真区、隧道/矿井巷道贯通仿真区两个扩展模块；

S3、基础数据获取：获取基础地理信息数据，仪器模拟器以及工程设计数据；所述基础地理信息数据采用低空无人机数字摄影测量系统获取半现实仿真区建设校区大比例尺地形图、数字正射影像图和数字高程模型(DEM)，用于学生进行实验方案设计；所述仪器模拟器用于学生重复熟悉仪器设备的操作及测量与放样仿真；所述工程设计数据包括公路设计图、直曲表、逐桩坐标表，用于道路曲线测设仿真与实测；

S4、对照半现实仿真区模块，基于高等级计算机语言从底层开发或者GIS平台二次开发，建立与半现实仿真实验对应的桌面型虚拟实验平台；所述平台界面包括菜单栏、工具栏、数据窗口、图层窗口、状态栏。

所述菜单栏的子菜单包括数据输入、常用功能、工测实验仿真、仪器模拟和帮助；所述数据输入子菜单包括栅格数据、矢量数据、测量数据；所述常用功能子菜单包括放大/缩小、距离测量、角度测量、图形绘制和图形编辑；所述工测实验仿真子菜单包括：数字测图、工程放样、变形监测、曲线测设和贯通测量；所述仪器模拟子菜单包括全站仪模拟器、电子水准仪模拟器和GNSS信号模拟器；所述帮助子菜单包括使用说明、实验资料、相关视频、先进仪器介绍、典型工程介绍；

所述工具栏包括常规操作、图形绘制；常规操作包括：保存、添加数据、放大、缩小、移动、全图、屏幕居中；所述图形绘制包括：矩形、多边形、圆、椭圆、折线、曲线、样条曲线、点的绘制；

所述数据窗口用于显示影像文件、shp文件和CAD文件数据；

所述图层窗口用于控制图层；

所述状态栏用于显示鼠标在数据窗口移动时的实时坐标和当前图层显示的比例尺。

所述步骤S2中，选定具备地形起伏及分布部分地物的区域作为数字测图仿真区，所述数字测图仿真区用于外业测量模拟仿真工程设计阶段大比例尺地形图测绘、施工阶段场地平整与土方量计算；

选定包括部分开阔区的区域作为工程放样仿真区，所述工程放样仿真区用于外业测量模拟仿真工程施工阶段平面点位放样、高程放样、角度放样、距离放样；

选定包括具有一定的高度的目标建筑物的区域作为变形监测仿真区，所述变形监测仿真区用于外业测量模拟仿真建筑物(构筑物)竣工运营阶段的变形监测；

选定学校内操场作为公路曲线测设仿真区，所述公路曲线测设仿真区用于外业测量模拟仿真公路工程施工放样；

选择直伸型道路作为隧道/矿井巷道贯通仿真区，所述隧道/矿井巷道贯通仿真区用于外业测量模拟仿真隧道(矿井巷道)工程中的贯通测量。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1)本发明结合实际地形区域，建立了一种通过半虚拟仿真平台，解决了实验课时不够而无法完成实践学习的问题，学生在实验之前先在半虚拟仿真平台完成实验认识、学习、并通过重复方案比对达到掌握整个技术环节，从而解决课时与实验之间的矛盾问题，同时通过各种型号及精度的仪器模拟器解决了仪器数量少、种类少、老化等问题。

2)利用校园地物分布现状构建半现实仿真实验教学功能区，将数字测图、工程放样、变形监测、道路曲线测设、巷道贯通测量增加到课堂实验环节来，提升了实验教学质量。

3)通过建立半现实仿真与半虚拟仿真的实验教学模式，在半虚拟仿真平台完成综合性实验预学习与重复练习，之后在半现实仿真区解决现场学习，通过虚拟与现实之间的对接，以缩小相似的半现实仿真场地支撑虚拟学习现实化，从而达到教与学的完美结合。

附图说明

图1为本发明实施例中建立的半现实仿真区的分布图；

图2为本发明实施例中平台主界面的设计图；

图3为本发明实施例中建立的一种仿真平台的主界面的示例图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例以太原理工大学为例，提出了一种用于工程测量学实验教学的仿真平台的建立方法，包括以下步骤：

S1、基准建立：在半现实仿真区所在位置建立测绘基准控制网，包括平面控制网和高程控制网，平面控制网采用GNSS技术建立，起算基准点联测国家GNSS B级点，建立GNSS C级网，在此基础上加密建立GNSS D级网；

具体地，本实施例中，在太原理工大学迎西校区与虎峪校区校园内构建GPS D级网，共埋设点位6个，所有点位进行了二等水准联测，虎峪校区分布点位4个。

S2、半现实仿真区选定：如图1所示，结合学校地物分布状况，选定与生产实际相似区域建立数字测图仿真区、工程放样仿真区、变形监测仿真区三个核心半现实区以及公路曲线测设仿真区、隧道/矿井巷道贯通仿真区两个扩展模块。

各个仿真区的选定方法及用处如下：

(1)数字测图仿真区：选定具备地形起伏及分布部分地物的区域作为数字测图仿真区，所述数字测图仿真区用于外业测量模拟仿真工程设计阶段大比例尺地形图测绘、施工阶段场地平整与土方量计算。本实施例中，虎峪校区内碧园假山可以作为建设工程地形图测绘、场地平整与土方量计算仿真场地，建立起数字测图仿真区；

(2)工程放样仿真区：选定包括部分开阔区的区域作为工程放样仿真区，所述工程放样仿真区用于外业测量模拟仿真工程施工阶段平面点位放样、高程放样、角度放样、距离放样。本实施例中，虎峪校区体育馆周边地物相对简单，通视较好，同时这一区域有多届学生多次测绘的1:500大比例尺地形图可用，因此利用这一区域作为工程放样仿真场地。

(3)变形监测仿真区：选定包括具有一定的高度的目标建筑物的区域作为变形监测仿真区，所述变形监测仿真区用于外业测量模拟仿真建筑物(构筑物)竣工运营阶段的变形监测。本实施例中，虎峪校区内第一餐厅门前水塔可作为建设建筑物变形监测仿真场地。

(4)公路曲线测设仿真区：选定学校内操场作为公路曲线测设仿真区，所述公路曲线测设仿真区用于外业测量模拟仿真公路工程施工放样。本实施例中，虎峪校区大操场有公路设计人员帮助设计好的三等道路三条，可用于建立公路测设仿真场地。

(5)隧道/矿井巷道贯通仿真区：选择直伸型道路作为隧道/矿井巷道贯通仿真区，所述隧道/矿井巷道贯通仿真区用于外业测量模拟仿真隧道(矿井巷道)工程中的贯通测量。本实施例中，虎峪校区东门与西门之间的道路可作为贯通测量仿真场地。

S3、基础数据获取：获取基础地理信息数据，仪器模拟器以及工程设计数据；所述基础地理信息数据采用低空无人机数字摄影测量系统获取半现实仿真区建设校区大比例尺地形图、数字正射影像图和数字高程模型(DEM)，用于学生进行实验方案设计；所述仪器模拟器用于学生重复熟悉仪器设备的操作及测量与放样仿真；所述工程设计数据包括公路设计图、直曲表、逐桩坐标表，用于道路曲线测设仿真与实测。

S4、对照半现实仿真区模块，基于高等级计算机语言从底层开发或者GIS平台二次开发，建立与半现实仿真实验对应的桌面型虚拟实验平台；如图2所示，所述平台界面包括菜单栏、工具栏、数据窗口、图层窗口、状态栏。如图3所示，为本实施例中对应半现实仿真区的功能，半虚拟仿真平台基于ArcGIS二次开发，建立的一种仿真平台的主界面的示例图。

其中，菜单栏的子菜单包括数据输入、常用功能、工测实验仿真、仪器模拟和帮助；其具体子项见表1所示。

表1菜单栏主项及子项

数据输入	常用功能	工测实验仿真	仪器模拟	帮助
					栅格数据	放大/缩小	数字测图	全站仪模拟器	使用说明
矢量数据	距离测量	工程放样	电子水准仪模拟器	实验资料
					测量数据	角度测量	变形监测	GNSS信号模拟器	相关视频
退出	图形绘制	曲线测设		先进仪器介绍
						图形编辑	贯通测量		典型工程介绍

工具栏包括常规操作、图形绘制二部分。常规操作包括：保存、添加数据、放大、缩小、移动、全图、屏幕居中；图形绘制包括：矩形、多边形、圆、椭圆、折线、曲线、样条曲线、点的绘制。

数据窗口：数据显示窗口，可以显示影像(img和tif)、shp文件、CAD(文件路径不得含中文字符)文件等多种格式。

图层窗口：图层控制部分，显示数据窗口中所显示内容的相应图层名称。图层名称可以上下移动，用以确定地图窗口中不同图层的叠加顺序；可以通过勾选图层名称确定相应图层的显示与否；可右键删除不需要的图层。

状态栏：显示鼠标在数据窗口移动时的实时坐标和当前图层显示的比例尺。

工测实验仿真模块的具体操作如下：

(1)数字测图半虚拟仿真：以数字测图半现实仿真区数字正射影像图进行碎步点选择，以数字高程模型(DEM)提取碎步点高程，将提取高程后的碎步点导入cass软件，对照数字正射影像图完成地形图绘制。在完成的地形图上自行设计平整场地的高程完成场地平整与土方量计算。

(2)工程放样半虚拟仿真：在工程放样半现实仿真区大比例尺地形图上提取点位平面坐标、高程，并设计提取角度、直线段与曲线段的长度，以平面控制网和高程控制网设计放样方案，以数字高程模型(DEM)进行可视分析，以全站仪模拟器、电子水准仪模拟器和GNSS信号模拟器进行点位、高程、角度与距离的放样仿真。

(3)变形监测半虚拟仿真：在变形监测半现实仿真区数字正射影像图上进行目标体变形监测方案设计，以数字高程模型(DEM)进行可视分析，以全站仪模拟器进行平面位移监测仿真，以电子水准仪模拟器进行沉降监测仿真，以GNSS信号模拟器进行平面位移与沉降监测仿真。

(4)曲线测设半虚拟仿真：在曲线测设半现实仿真区数字正射影像图上进行所设计公路曲线测设的方案设计，以数字高程模型(DEM)进行可视分析，以全站仪模拟器、GNSS信号模拟器进行公路曲线中线测设仿真，同时，基于仿真区数字高程模型(DEM)及全站仪模拟器、GNSS信号模拟器进行线路纵断面测量仿真。

(5)贯通测量半虚拟仿真：在贯通测量半现实仿真区数字正射影像图上进行隧道(矿井巷道)贯通导线测量方案设计，以全站仪模拟器进行贯通导线测量仿真。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (3)

1.用于工程测量学实验教学的仿真平台的建立方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、基准建立：在半现实仿真区所在位置建立测绘基准控制网，包括平面控制网和高程控制网，平面控制网采用GNSS技术建立，起算基准点联测国家GNSS B级点，建立GNSS C级网，在此基础上加密建立GNSS D级网；

S2、半现实仿真区选定：结合学校地物分布状况，选定与生产实际相似区域建立数字测图仿真区、工程放样仿真区、变形监测仿真区三个核心半现实区以及公路曲线测设仿真区、隧道/矿井巷道贯通仿真区两个扩展模块；

S3、基础数据获取：获取基础地理信息数据，仪器模拟器以及工程设计数据；所述基础地理信息数据采用低空无人机数字摄影测量系统获取半现实仿真区建设校区大比例尺地形图、数字正射影像图和数字高程模型（DEM），用于学生进行实验方案设计；所述仪器模拟器用于学生重复熟悉仪器设备的操作及测量与放样仿真；所述工程设计数据包括公路设计图、直曲表、逐桩坐标表，用于道路曲线测设仿真与实测；

S4、对照半现实仿真区模块，基于高等级计算机语言从底层开发或者GIS平台二次开发，建立与半现实仿真实验对应的桌面型虚拟实验平台；所述平台界面包括菜单栏、工具栏、数据窗口、图层窗口、状态栏。

2.根据权利要求1所述的用于工程测量学实验教学的仿真平台的建立方法，其特征在于，所述菜单栏的子菜单包括数据输入、常用功能、工测实验仿真、仪器模拟和帮助；所述数据输入子菜单包括栅格数据、矢量数据、测量数据；所述常用功能子菜单包括放大/缩小、距离测量、角度测量、图形绘制和图形编辑；所述工测实验仿真子菜单包括：数字测图、工程放样、变形监测、曲线测设和贯通测量；所述仪器模拟子菜单包括全站仪模拟器、电子水准仪模拟器和GNSS信号模拟器；所述帮助子菜单包括使用说明、实验资料、相关视频、先进仪器介绍、典型工程介绍；

所述工具栏包括常规操作、图形绘制；常规操作包括：保存、添加数据、放大、缩小、移动、全图、屏幕居中；所述图形绘制包括：矩形、多边形、圆、椭圆、折线、曲线、样条曲线、点的绘制；

所述数据窗口用于显示影像文件、shp文件和CAD文件数据；

所述图层窗口用于控制图层；

所述状态栏用于显示鼠标在数据窗口移动时的实时坐标和当前图层显示的比例尺。

3.根据权利要求1所述的用于工程测量学实验教学的仿真平台的建立方法，其特征在于，所述步骤S2中，选定具备地形起伏及分布部分地物的区域作为数字测图仿真区，所述数字测图仿真区用于外业测量模拟仿真工程设计阶段大比例尺地形图测绘、施工阶段场地平整与土方量计算；

选定包括部分开阔区的区域作为工程放样仿真区，所述工程放样仿真区用于外业测量模拟仿真工程施工阶段平面点位放样、高程放样、角度放样、距离放样；

选定包括具有一定的高度的目标建筑物的区域作为变形监测仿真区，所述变形监测仿真区用于外业测量模拟仿真建筑物（构筑物）竣工运营阶段的变形监测；

选定学校内操场作为公路曲线测设仿真区，所述公路曲线测设仿真区用于外业测量模拟仿真公路工程施工放样；

选择直伸型道路作为隧道/矿井巷道贯通仿真区，所述隧道/矿井巷道贯通仿真区用于外业测量模拟仿真隧道（矿井巷道）工程中的贯通测量。