基于DEM 技术的山区道路选线教学研究

王广政，徐 倩，孙 峰

(陆军工程大学 野战工程学院，江苏 南京210007)

1 道路选线教学面临的现实问题

道路修筑最首要的任务是道路选线，它不仅关系到道路工程量的大小和施工的难易程度，而且直接关系到道路的使用质量。高校教学的目标就是培养具备这种专业技术能力的应用型、创造型人才。然而，由于道路选线工作的技术性、实践性特征，高校道路工程专业选线教学存在诸多问题，主要表现在:

(1) 课堂教学方法不灵活，道路选线理论教学与实践运用不能有机融合。常规的道路选线课堂教学，多采用课堂理论教学与野外实习实践相结合的方式［1］。但由于课堂理论教学方法单一、野外选线实习地域受限、教学时限短等，致使传统课堂和选线教学仅限于抽象的理论方法学习和与山区实际地形不太相符的有限区域的现地踏勘。学生不能直观、透彻地理解选线原则的内涵和选线方法的实践运用。

(2) 课堂教学手段单一，无法让学生感受选线与三维道路实体的内在联系。山区道路选线技术难度大，现地踏勘工作量大。选线教学也仅仅是结合地形图进行道路选线理论方法的讲解。这种较为单一的教学手段，无法让学生感受选线对道路线形的影响，以及选线对道路的功能特性、行车安全、经济和社会价值等的重要影响。

实际上，在道路工程选线设计工作中，道路线形作为一个空间三维线性实体，道路的选线设计已经不再仅仅局限于几何线形设计，更加强调道路三维空间的整体设计，同时也更加注重道路的整体布置以及道路与环境的协调性、美观性。因此，如何选择和体现最优道路路线，突破道路选线设计和选线教学的瓶颈，是山区道路建设需要解决的首要难题，也是高校道路课程教学方法改革、提高道路选线教学质量的重要任务。这就有必要结合现代技术探讨新的教学方式、方法。

随着地形数字化技术和道路自动化设计的发展，实现了地形信息的数字化、三维化、可视化，选线设计自动化，这为数字化选线和选线教学提供了良好的支撑平台［2］。

2 DEM 技术及其在道路选线教学中的优势

2.1 数字高程模型简介

数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM) ，也称数字地形模型(Digital Terrain Model，DTM) ，是一种对空间起伏变化的连续表示方法［3］。由于DTM 隐含有地形景观的意思，所以常用DEM 单纯表示高程。利用DEM 技术可以将不同地形地质的地势变化通常构建组网并建立三维模型的方式呈现出来，以便于各种用途的研究工作。数字摄影测量法是获取DEM 的主要手段，主要运用计算机立体视觉，构建立体像对提取高程信息。基于立体像对提取高程信息的精度与立体像对的基高比相关，近年来发射的高分辨率遥感卫星大都具有侧视成像能力，具备与航空立体像对接近的基高比，使星载遥感立体像对获取DEM 成为可能。在道路设计和交通运输行业，利用数字地面模型、道路CAD 等信息化技术进行工程设计已成为当今工程行业的主流。

2.2 DEM 技术在道路选线教学中的优势

传统道路选线课堂教学中，由于缺乏地形信息的数字化、三维化，垭口标高、坡度控制、曲线设计等重难点教学内容很难以直观形象的表现手段展示给学生，教学效果差。而基于数字化地形模型构建的课堂教学环境下，这一瓶颈可以得到有效的突破。

针对道路专业技术与教学需求，利用专门开发设计的道路CAD 专业设计软件，将各种地形条件的影像或数字地形信息生成三维可视化的“电子沙盘”——DEM，可构建专业化的信息化课堂教学环境。在生成的“电子沙盘”上，可以进行高效率的道路选线和勘测设计教学，并提供形象逼真的视觉效果。教师可以在此环境下进行道路地形认知教学和选线基本理论教学。在这种信息化教学环境下，也可以结合工程案例，直观地讲解和展示设计指标与地形、道路线形等因素之间的关系、道路方案的设计理论与方法等教学的重难点内容。教师可在三维可视化的教学环境中边操作边讲解，引导学生分析指出各路线方案的优劣，也可给学生做教学示范，并让学生适时动手、动态地体验整个过程［4］。

这种直观、可视化的教学环境，既可克服传统道路选线和勘测设计教学中地图信息不直观、方案比选困难、教学效果差的缺点，又可解决高原山区特别是复杂多变的无人地区野外道路勘测选线工作难以实现的难题。

3 基于DEM 技术的道路选线教学实践

3.1 教学设计

基于DEM 技术的道路选线教学设计的基本思路是: 以实际道路选线任务为驱动，根据教学内容预设针对性的问题，依托构建的课程网络教学平台，引导学生利用平台上的视频、动画等教学资源，对道路选线的理论知识进行课前自学，自主构建道路选线基本知识体系; 以DEM 技术为支撑的道路CAD 设计系统为教学平台，引导学生对山区道路三维地形的认知、选线原则与方法的内化吸收、重难点问题的讨论探究、道路选线效果的展示等，实现基于DEM 技术的信息化课堂教学。通过这种基于三维可视化技术的教学，真正实现学为主体、能力为本的教学思路，提高学生理论知识内化吸收能力、工程应用与创新实践的能力。

3.2 教学实施

3.2.1 基于在线平台的课堂教学准备

教师在学情和课程分析的基础上，发布典型道路的选线问题与选线任务等教学公告，并推送与任务需求进行在线教学资源，供学习使用。学生针对任务情况，对道路选线基本知识进行课前学习，了解基本概念，形成初步的知识体系。组织学生通过网上交流的形式，围绕导学问题进行讨论，并分组协作提出道路选线的初步方案。

3.2.2 基于DEM 技术的道路选线课堂导学

(1) 针对选线基本知识的内化吸收。组织学生讨论提交的初步选线方案，一般常见的问题有:垭口选择和过岭标高不合理;山坡展线纵坡过大; 回头曲线位置不当。由问题引出课堂研讨主题:如何选择和确定垭口标高，如何设计回头曲线、控制纵坡，如何进行方案优化等。

(2) 针对重点问题的课堂探究。克服高差是山区道路选线的关键问题。在基于DEM 的信息化课堂教学中，可针对某一典型地形案例，将该地形预先生成三维化、数据化、可视化的数字化地面模型。在三维数字化地形模型上，以直观、形象和交互式的表现手段，展现出山岭、山脊、山坳、山坡和垭口等地形特征; 探究垭口、侧坡选择的原则和方法，引导学生得出垭口标高与工程量之间的规律。以山区道路越岭选线任务为背景，利用数模的三维仿真技术，通过介绍利用山包、山脊、缓坡、山沟和山坳进行回头展线的几种典型案例，引导学生探究垭口、标高选定、自然展线、回头展线等越岭展线的原则和方法，进而在电子沙盘上探究路线选择、回头曲线设计，确定路线基本走向。并引导分析路线位置与经济指标、技术指标等要素之间的关系，让学生亲身感受垭口标高确定、回头曲线设计的内涵和机理。

(3) 针对难点问题的课堂解惑。选线方案优化作为山区道路选线及其教学难点，包括技术、战术和经济指标的比选。基于DEM 技术的道路CAD 数字化选线中，路线位置可视、形象，参数直观、具体，因此在教学中可实现以下功能:①利用道路三维模型生成系统，将道路模型与电子沙盘融为一体，模拟驾驶员视角体验道路行驶的感受，以检验方案是否满足技术指标要求;②在电子沙盘上设置观察点，利用通视检查、坡度分析等功能，检验路线是否满足伪装和疏散等战术要求;③利用工程量自动统计功能，分析得出各方案的经济指标。该系统可有效帮助学生掌握技术、战术、经济等方面的方案比选方法，提高教学效果。

4 结语

教学实践证明，在山区道路选线课程教学中引入DEM等现代信息技术，与教学实践有机结合，能够发挥其形象可视化的强大优势，解决教学重难点问题。实际上，随着院校教学改革的不断推进，将教学内容与现代信息化技术结合已经成为增强教学效果的常规手段。开展基于DEM 技术的山区道路选线教学实践，不仅可以实现地形信息的三维化、教学场景可视化，突出重点难点问题，解决常规道路选线教学中存在的教学手段单调、教学效果不明显等问题，也可借助DEM 反映出的数字化地形信息，解决高原地区特别是无人地区道路选线和工程保障的现实需求。这为未来的道路工程人才培养和解决高原山区道路建设难题都提供了便利。