数字测图原理与方法课程教学探讨

陈允芳，成 枢，柳 林，郭海花

（1.山东科技大学测绘科学与工程学院，山东青岛 266590；2.山东科技大学地质科学与工程学院，山东青岛 266590）

一、引 言

随着全站仪和GPS RTK等现代测量仪器的出现、数字摄影测量和遥感技术的不断进步，以及数字成图软件设计开发的日益完善，地形图测绘由传统模拟测图进入全数字化测图时代，数字测图技术作为数字地图的基本生产方法已得到广泛应用。各大专院校测绘、遥感、地信、土木、资源、环境、地质、采矿等相关专业都相继开设了数字测图的相关课程。随着该学科的进步和发展，关于该课程教学方法的研究和探讨会不断增多。

二、数字测图及数字测图系统配置

数字测图是利用全站仪及3S技术以数字方式获取、处理、分析和应用关于地球的自然要素和人文要素的空间信息获取技术。广义的数字测图包括3部分内容:利用全站仪或GPS等大地测量仪器进行的野外地面数字测图、利用手扶数字化仪或扫描数字化仪对纸质地形图的数字化、对航摄像片和遥感影像进行处理的摄影测量与遥感技术。

数字测图系统是以计算机为核心，以全站仪、GPS、数字化仪、数字仪、数码相机、航摄仪、坐标测量仪、解析测图仪、光谱仪、辐射仪，甚至卫星等为数据采集工具，在外接输入、输出设备软硬件的支持下，对地形的数字空间数据进行采集、输入、编辑、绘图、输出、管理的测绘系统。具体硬软件配置及工作模式如图1所示。

地面数字测图是指利用电子全站仪、GPS等大地测量仪器在野外进行数字化地形数据采集，在成图软件支持下，通过计算机加工处理获得数字地形图的方法。因方法或设备的不同，其有草图法、编码法、电子平板法等。外业测量时，如采用草图法则利用测区已有地籍图作为底图人工绘制草图；数字采集完毕后，用数据传输线将仪器和计算机连接，利用数据传输软件或Windows下的超级终端完成数据传输。同时，利用已有或用编程语言自行编制的数据转换程序处理数据。地形图绘制可采用RDBMS、EPSW、CASS等一些数字成图软件，依照草图人机交互方式绘制，或利用编码半自动编辑绘制图形，再转换至AutoCAD软件环境下进行细部编辑和处理，也可直接使用MAPSUV、WalkField等软件编辑和处理。

地形图数字化是指利用手扶跟踪或扫描数字化仪对已有纸质地形图进行数字化，并转换成计算机能存储、处理的数字地形图。其多采用MapInfo、WalkField等GIS软件或AutoCAD等图形处理软件进行信息提取和图形编辑绘制。

数字摄影测量和遥感方法是将摄影所获得的航摄、遥感像片等影像进行数字化得到数字化影像，由计算机进行数字处理，从而提供数字地形图或专题图、数字地面模型等各种数字化产品。多采用VirtuoZo、JX4等数字摄影测量系统，以及ENVI、ERDAS等遥感图像处理软件来完成摄影像片或遥感影像的数据处理。

图1 数字测图系统配置及工作模式

三、理论教学重点设计与规划

1.重点教学内容设计

1）平面直角坐标系的概念及测量坐标系的特点。从球面到平面的高斯投影是本课程中较为抽象的概念，可采用制作多媒体动画的形式，展示从某一条带在横圆柱上投影、剥离并经过延展挤压成平面叶片的整个过程，形象直观地加深学生对这一投影过程的理解。采用与数学中坐标系对照的形式，强调测量坐标系与之异同，并从方位角的概念及三角函数解算的角度解释其原因。

2）测量误差传播定律及其应用。该部分计算是本课程两大重要计算内容之一，也是本课程的重点和难点，可采用多种教学手段相结合的形式。PPT中要一步步展示并突出强调公式的演变过程，并配合板书边推导边讲解，设计相应例题如三角高程测量应用进行讲解。还可布置相应课后作业进行巩固，就作业情况进行答疑解决疑问。

3）控制测量及其内业平差计算。无论采用传统水准仪、经纬仪还是全站仪，其测量方法都要严格遵循控制测量的基本过程、“先控制后碎部”来进行，即先进行控制点间角度、距离和高差的测量，然后是导线内业平差计算和水准路线平差计算。不同的是普通测图是用经纬仪在解算的控制点上进行碎部测量配合测图平板进行纸质地形图测绘；而数字测图是将解算的控制点坐标输入全站仪，进行草图法或编码法野外数据采集，最后将数据导入数字成图软件进行数字地形图的绘制。因此，控制测量相关内容是普通测图和数字测图都要涉及的重点衔接部分，可作为内容回顾重点突出强调，考试时内容上宜有所重叠，尤其导线平差和水准路线平差计算部分，是除测量误差基本理论外，本课程涉及的两大主要计算内容之一。可综合运用PPT展示、板书推导、讲解例题、课后作业及作业答疑相结合方式进行教学。可尝试将计算器编程和电子计算表Excel应用于导线平差计算，即利用编程式计算器或Excel等电子表格来辅助完成计算，并以课堂作业的形式，引导学生利用所学语言，编制导线平差相关软件。

4）全站仪使用及数字地形图测绘。有针对性地选择较有代表性的经典款全站仪讲解。主要是采用课堂多媒体教学配合全站仪现场演示操作让学生领会操作要领，接着观看教材配套的全站仪操作与使用教学录像，随后安排实验课的任务，并让学生课余利用全站仪模拟器来熟悉操作使用，实验课上认识、使用并操作与练习，教师巡视指导。另外，可结合学生的编程语言学习情况，指导学生开发电子全站仪模拟器，借此理解全站仪操作使用的原理。通过最终几周教学实习的控制测量和野外测图，能熟练操作技能和应用水平。数字地形图测绘是本课程的研究主线，数字成图软件种类繁多，可就较普及常用款如CASS软件的功能和使用进行详细讲解，配合教学录像，并打开软件界面，就主要使用流程进行介绍。另外，可适当讲解一些测图国家标准、常用测图软件、测图软件开发相关知识，并以课程设计或科研课题形式，鼓励和提倡测绘专业学生自行开发数字成图软件。

5）数字地形图的应用与城市三维建模。在常规坐标、距离、角度、面积、体积及土石方量测算基础上，重点突出强调数字高程模型（DEM）的概念、生成方法、可视化技术、应用情况，以及DEM与等高线的相互转化、城市三维建模及数字城市的概念、三维激光扫描仪使用的研究现状。主要通过工程实例图片形式，为学生后续课程做好知识储备和理论引导。

2.多种教学手段综合运用

课堂讲授要整体贯穿始终，从测绘基础知识理论入手，到各种测量仪器的操作使用，再至野外选点及观测的方法和技巧，采用理论介绍、公式推导及图表说明等形式，让学生整体把握地形图测绘的基本知识；又从细节上把握具体的知识点，中间穿插总结历届学生常出现的知识误区和常犯操作错误，为实习做好充分准备，激发学生对该课程的兴趣。

教学手段灵活多样，有多媒体授课、板书推导、教学录像播放、示范仪器操作与使用、课后作业及讲解、课堂实验及指导、随机测试及教学实习、课程网站辅助学习等多种方式，根据授课内容和特点可多种方法有机结合。

多媒体讲授主要针对高斯投影、测量坐标系、坐标方位角和高程的概念，仪器构造和操作使用，水准测量和角度、距离外业测量方法，数字地形图的测绘及应用等信息量大的内容来进行。可采用PPT课件为主、其他方法辅助相结合的方式，形式灵活，使用方便，多种方法优势互补，能使学生能在短时间内接触更多信息量，实现有关知识的融合与最佳传授。多媒体教学时要注意调动课堂气氛和互动效果，重点内容要结合实例讲解并通过课堂例题，以加深理解并能调动学生的学习积极性。如讲解坐标方位角的概念后，可接着列一些复杂的几何图形，来练习求算每一条边的坐标方位角；误差传播理论讲解完毕，可给出三角高程测量的综合实例，根据边、角和高差之间的函数关系，分别求算观测值函数的中误差。授课语言要通俗易懂，在枯燥理论知识学习的同时要紧密结合实践，以引发学生的好奇心。如讲解实习注意事项时，可选取一些历年学生易犯的错误，如严禁坐仪器箱、水准尺不能立墙或树上而要平放地上、人离开仪器不能超过1 m开外、地面点的十字中心描画要细、选点在下水道井盖或大理石地砖上其松动后精度会如何、相邻点间没树叶时通视良好枝叶茂密后爬上树拨着树枝观测等。通常能使学生轻松理解并牢牢记住。

板书推导主要是针对课程中的重点和难点进行的，如涉及较多计算和理论推导的误差基本理论和误差传播定律应用、坐标正反算、导线及水准测量内业计算等。公式推导和计算实例相结合的形式能循序渐进，在讲解中与学生互动，利于学生接受与消化。对于这些理论计算，可让学生用自己熟悉的语言去尝试编程实现，并要考虑多种情况，设置多种初始条件、转向流程、循环步骤和中断判定。

教学录像是将测量学中的仪器操作和使用过程、成图软件使用过程等制作成录像，可插入课件中辅助教师讲解，也可上传至课程网站，供学生自行学习。

示范教学是在仪器介绍和操作使用时，通过课堂实物介绍、实习前的操作示范等方式，将仪器搬至教室或在实验、实习场地现场演示教学，使学生能够较快了解使用方法和操作步骤。

网络教学主要是结合精品课程建设情况，建立课程网站，发布相应的授课大纲、实习大纲、网络课件、仪器操作和软件使用的教学视频、章节习题及试题库等，为学生提供一个学习和交流的交互式平台，作为课前预习和课后复习的一项重要内容，可充分调动学生学习的积极性，提高其学习效率。

四、实践教学安排与实现

1.课堂实验

为高度实现理论与实践相结合原则，课堂实验需要紧跟相应章节展开。对课堂实验，采取定任务、限指标的方法，具体分以下几个步骤:

1）实验准备及踏勘选点。课堂讲解了仪器的操作、使用步骤及相关观测方法后，课程结束时安排下一次课的实验任务，明确实习时间、地点、所用仪器、任务及纸笔准备等。让每组学生自学踏勘选点相关章节内容，利用课余时间，在实验前自行在指定实习场地事先选好一个闭合环（考虑到课堂实验时间有限，只选取4个点），后续的测角、量边、测高差、导线测量、地形图测绘等各项实习任务都在这些点位上进行。这就避免了临时选点时学生四处分散不便管理，且测量数据具有盲目性、前后不一致、不系统等弊端。

2）明确各项任务及限差指标。无论是黑红双面尺测高差、测回法测水平角，还是全站仪测角量边测量高差的控制测量，都是观测方法的问题，要结合测量误差理论严格进行测站检核，控制各项限差和最后的闭（附）合差。仪器认识与使用实验中，可进行一些验证性实验。如黑红双面水准尺保持不动，读其黑、红两面读数，验证尺常数，为后续讲解数据处理做好准备；或用经纬仪盘左、盘右先后瞄准同一目标，读取度盘读数，验证盘左盘右相差180°的原理，为后续讲解2C值互差做好准备。其次，明确观测方法、读数顺序、记录方法及限差要求。双面尺法水准测量中除观测方法本身外，要明确规定黑红面读数差、黑红面所测高差之差、前后视距差、前后视距累积差及高差闭合差的具体数据。同样，测回法水平角观测中，要明确度盘起始读数设置与变换方法，规定半测回较差、测回间较差及角度闭合差等的具体数值，以便学生对所测数据进行检核和评定。

3）考核办法及成绩评定。采用实验课上点名考勤加实验报告相结合的形式，最终在学生上交的实验报告上以优、良、中、及格、不及格5个等级来考查实验课成绩，并以平时考勤10%、实验成绩20%和期末考试70%评定该门课程的最终成绩。

从最终学期未教学实习来看，上述举措收效甚佳，学生们对整个实习进程及各环节安排都会有一个总体的把握和理解，并表现出较高的熟练操作程度，真正从理论到实践验证了对测绘基本理论和技能的学习和掌握。

2.教学实习

对于不同专业停课进行的为期2～4周的教学实习，一般是在学期末或学期初，在课程学习结束后紧跟着进行的。实习前要先召开实习动员大会，布置实习时间、目的、任务、测区范围、所用仪器、观测方法、各项限差及精度、成图方法及手段等，进行实习前的各项准备工作，所用仪器、工具、资料、纸笔，或借或买或自行准备或上网下载等。各项准备完备后，即按照相应流程进行测图的技术设计，重点是技术方案设计，在已有图纸上初步选定控制点，然后即踏勘选点对所选点位结合实际环境进行考查，在地面上用油漆和毛笔选定控制点。因为已有了课堂实验选点的经验和教训，这次的大范围测区选点，学生普遍较谨慎，按照相应选点原则，最终在反复比较、综合取舍后选出相对较合理的控制点位。

确保仪器检查无误后，即可开始各项测量工作。首先是控制测量，普通测图中可先进行水准仪测高差，完毕后即还掉仪器；经纬仪测角的同时还要进行测图，因此可以一直保留至测图完毕再上交。

对测绘工程专业，一般有4周实习，采用2周测量学实习+2周数字测图实习的形式，选用不同测区。测量学实习测区采用水准仪测高差、钢尺量距、经纬仪测角进行控制测量，采用经纬仪测绘法配合测图平板手绘纸质地形图；数字测图测区采用全站仪测水平角、平距和竖直角，利用平距和竖直角计算高差来完成控制测量，采用草图法或编码法进行全站仪野外数据采集，将数据导入自行开发或购置的数字成图软件，采用人机交互的半自动、自动方式绘图。

地理信息系统和遥感专业若有3周实习时间，可采用2周测量学实习+1周数字测图的形式，可采用同一测区，先按传统方式完成控制测量，然后以此为基础，分别按经纬仪测绘法配合平板手绘、全站仪数字测图对同一测区进行纸质测图、数字地形图测绘；若仅2周实习时间，可采用水准仪测量高差、全站仪测角和量边来完成控制测量，然后利用全站仪进行数字地形图的测绘。总之，针对不同专业2～4周不等的实习时间，可采用类似自由组合的方式来灵活组织，选择合适、合理的测区、仪器、观测方法和绘图手段。

学生实习过程中，老师要择时进行巡回指导，以便发现问题及时纠正，并抽查人员到位情况进行考勤。另外，还可通过电话、网聊、短信、邮件等形式进行互动和交流，并在控制测量结束、碎部测图开始前集中起学生来进行一个座谈，总结交流实习经验，并对后续测图进行必要的指导和建议。

成果验收和成绩评定结合四方面进行:一是抽签测试，设置好相应的测量项目，让学生抽签选择在指定场地进行测量，从观测时间和测量精度两方面评定学生成绩；二是各组上交的图纸、数据手簿及实习报告这些成果资料，按照相应规定进行检查验收；三是根据平时巡回时掌握的出勤情况；四是组织各组长座谈，讨论组员表现及贡献大小。最终以优、良、中、及格、不及格5个等级考查和评定学生实习成绩。

五、结束语

本文讨论了数字测图的概念和数字测图系统的软硬件配置情况，对该课程的教学内容及课时安排进行了规划，并对重点教学内容进行了设计；接着介绍了众多教学手段在本课程教学中的综合运用情况，最后对课堂实验和实习的实践教学情况进行了探讨。

在教学过程中笔者注重对内容和要点的把握，灵活应用多种教学手段，多途径培养学生的知识、能力和技能，从授课班级课堂出勤率、课堂问答及课后作业、课堂实验外业及实验报告、考试成绩、教学实习外业及实习成果资料、科技论文大赛、测量技能大赛、科技创新等第一课堂、第二课堂多方面成果来看，都取得了较好的教学效果，课堂教学质量测评分数较高。这种新的教学方法的实施，不仅可以让学生快速掌握课程知识、了解业界最新动态，而且能让学生更贴近实际生产，对学生以后工作有着重要的意义。

［1］ 潘正风，程效军，成枢，等.数字测图原理与方法［M］.2版.武汉:武汉大学出版社，2009.

［2］ 潘正风，程效军，成枢，等.数字测图原理与方法习题和实验［M］.2版.武汉:武汉大学出版社，2009.

［3］ 顾孝烈，鲍峰，程效军.测量学［M］.4版.上海:同济大学出版社，2011.

［4］ 高井祥，肖本林，付培义，等.数字测图原理与方法［M］.2版.北京:中国矿业大学出版社，2005.

［5］ 杨晓明，沙从术，郑崇启，等.数字测图［M］.北京:测绘出版社，2009.

［6］ 李玉宝，余代俊，刘星，等.大比例尺数字化测图技术［M］.2版.成都:西南交通大学出版社，2009.

［7］ 张博.数字化测图（高职高专教材）［M］.北京:测绘出版社，2010.

［8］ 翟翊，郝向阳，赵夫来，等.提高“现代测量学”实践教学质量的研究［J］.测绘通报，2012（2）:106-108.

［9］ 曹俊茹，宋振柏.数字化数据采集与实验教学方法的探讨［J］.测绘通报，2007（8）:75-77.