《测量学》实验教学仿真软件设计与实践

刘善伟 熊展

摘 要：为了使学生熟练掌握《测量学》实验教学内容，克服目前国内大部分测绘高校实验器材和实验课时不足等缺陷，文章以四等水准测量实验为例，运用C# GDI+图形编程技术，开发了水准测量模拟练习软件，实现了四等水准测量的读数练习和测站水准测量的模拟操作及其测量数据检核工作。该软件设计科学、使用方便，能够降低高校开展《测量学》实验教学的成本，加强学生基本技能的培养，提升实验教学效果。

关键词：实验教学；仿真模拟；水准测量

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2017）17-0084-03

Abstract： In order to enable students to master the Surveying experimental teaching content， overcome most of the current domestic Surveying experimental equipment of universities and the lack of the experimental class， this paper takes four level leveling experiment as an example and developed a leveling simulation practice software using C# and GDI+ graphics programming techniques. The function of four level measurement readings， station leveling operation simulation exercises and measurement data check were achieved. The software is scientific in design and easy to use. It can reduce the cost of carrying out the experimental teaching of Surveying in Colleges and universities， strengthen the training of students' basic skills and enhance the effect of experimental teaching.

Keywords： experimental teaching； simulation； leveling

引言

国家对测绘人才的需求日益增加，《测量学》作为测绘专业的基础性课程在教学过程中地位非常重要。《测量学》教学包括理论教学和实验教学，实验教学配合理论教学开展，让学生学习测绘仪器的使用方法，掌握基本测量技能。

传统的实验教学作为学生将理论知识转化为实践的主要方法，有着无可替代的优势，但也有自身的缺陷和不足。首先，存在实验器材不足或老化的问题，实验教学过程中，多采取将学生进行分组的措施，一个组使用一套测量仪器来完成测量任务，平均分配到每个学生的实验学时就很少了；其次，由于实验课时非常有限，学生往往难以在有限时间内熟练掌握仪器的使用方法及测量流程，而课后又会忽视独立借仪器再学习的机会；再者，若学生进行某些专项训练，则需要反复借还仪器，耗时费力，效率低下，还可能造成一些不必要的麻烦。

仿真模拟是利用VR（虚拟现实）技术，借助实物仿真装备或虚拟实训软件，通过实际操作，使参与者有身临其境的切身体会的一项技术，主要用于模拟驾驶、训练、演示、教学、培训、建筑视景与城市规划[1]，引起了各行各业的高度重视。仿真模拟应用在测绘领域，主要目的为使测绘仪器模型实现自动化、智能化、可视化[2]，在实验教学领域能够弥补传统实验教学的缺陷，具有低成本高效益、使用方便、应用性强等优势。本文以《测量学》课程中四等水准测量内容的教学实验为例，进行实验教学仿真软件的开发与应用实践。

一、水准测量教学的内容与特点

水准测量是以获取地面点高程为目的的测量手段[3]。四等水准测量通过布设水准网，利用水准仪测得目标点的粗略高程，通过网平差获得目标点的精确高程。测量过程的基本原理是用水准尺量取前后两点竖直方向的长度，并求得两点间的高差，根据已知点高程和所求高差计算未知点高程[4]。图1为四等水准测量原理示意图。

四等水准测量的观测程序为：

（1）水准仪照准后视尺黑面，读取下、上、中丝的读数（后）；

（2）水准仪照准前视尺黑面，读取中、下、上丝读数（前）；

（3）水准仪照准前视尺红面，读取中丝读数（前）；

（4）水准仪照准后视尺红面，读取中丝读数（后）。

整个过程可总结为“后前前后”，也可以采用“后后前前”的方式。

测量数据要进行及时检核，应严格控制误差范围。四等水准测量的观测限差如表1所示。

《测量学》是一门实践性很强的专业基础课，理论必须联系实践，只有通过实践才能将课堂所学的基本理论、基本知识和基本技能加以深化和理解。水准测量教学要培养学生的测、算等工程测量技能，要求能够熟练掌握水准仪的操作，而这些技能的培养，除课堂教学外，还必须通过大量的水准测量實验才能获得，实验教学在整个测量学教学中是一个必不可少的重要環节。

二、软件设计与实现

（一）设计目标

水准测量模拟练习软件的设计目标是利用软件实现水准仪操作的模拟仿真，锻炼学生的仪器读数能力和计算能力，使其掌握水准测量的外业流程，使其成为一个辅助传统实验教学的学习平台，为教师和学生提供服务。

（二）功能模块设计

在充分开展需求分析的基础上，将水准测量模拟练习软件划分成三个功能模块：水准仪操作视频演示模块、水准仪读数练习模块和测站水准测量练习模块，软件功能模块的划分如图2。

1. 水准仪操作视频演示模块

收集并演示水准仪仪器操作和测站水准测量流程的规范示例，使学生对测量仪器的使用和水准测量的流程有直观性的初步认识，为实践训练做准备。

2. 水准仪读数练习模块

基于设计的标准3米水准尺利用软件模拟水准仪视野来实现读数练习，使用者根据窗口中的模拟望远镜中的视野进行读数，软件还能够自动准确计算视野中的读数，供使用者将自己读取的数值与软件得到的准确数值作对比检核，从而达到水准仪读数练习的目的。

3. 测站水准测量练习模块

实现对一测站水准测量过程的模拟，即“后——前——前——后”的读数流程，并提供与现场实验相同的水准测量电子手簿，对所读取的数据进行检核。该模块帮助学生充分理解并掌握四等水准测量一测站的流程。

（三）软件实现

1. 水准尺的制作及水准仪望远镜视野的确定

水准尺尺面严格按照四等水准测量的3米尺样式进行设计，通过AutoCAD软件[2]制作并输出为BMP格式的图片，1280×1600像素。根据实际，水准尺有黑红两面，起始读数有很大差异：两尺的黑面起始读数均为0mm；红面K1尺起始读数为4687mm，红面K2尺起始读数为4787mm。软件中采用GDI+图像处理[6]中位图处理的方法，根据图片坐标和图片像素大小与现实中水准尺长度计算所要裁剪的像素坐标范围，从而显示水准仪视野。

2. 水准尺自动读数

根据用户在长尺上选定的水准仪视野中心坐标以及通过滑条选定视距，计算模拟水准仪望远镜的视野半径和放大倍数，然后根据起始点像素以及像素与距离之间的关系计算望远镜中丝读数及上下丝读数，形成读数练习的标准答案。图3为水准尺读数显示界面。

3. 测站水准测量练习及数据检核

一测站水准测量中水准仪读数与读数练习类似，不同的是，测站练习中需要读取四次水准尺面，因此，必须掌握一个完整测站的读数流程。程序在确定水准仪的视野范围时，用户在后尺上选定的刻度是水准仪视野中丝坐标即水准仪视野高，通过用户输入的视距可确定上下丝读数差，将其近似为水准仪视野半径，便可以确定后尺的水准视野范围。用户输入前后尺大致高差后，前尺的水准仪视野中丝坐标就可以确定，进而确定前尺的水准视野范围，软件具体使用流程如图4所示。软件提供了标准的水准测量记录手簿，使用人将读数填入手簿，并在相应位置填写计算结果；软件能够自动计算记录手簿中所需的练习结果和计算结果，形成标准答案，供使用人进行对比检核。图5和图6分别为测站水准测量练习界面及记录手簿检核表。

三、应用实例

水准测量模拟练习软件设计实现后，分别投入课堂应用、课后练习和测量大赛选手训练中试用，总体上取得了较好的效果，《测量学》理论教学的成绩和实验教学的效果都有了不同程度的提高。

（一）应用效果评价

1. 课堂应用

该软件作为老师授课的辅助工具，明显提高了学生学习的积极性和兴趣性，增强了学生对知识的理解，提高了课堂教学的流畅性，减轻了老师的負担。

2. 课后练习

将该软件分发给学生用于课后练习和复习，学生对于水准测量仪器的使用及测量流程的掌握整体上有了明显的提高，为课堂教学效果不理想的学生提供了弥补途径。

3. 大赛训练

测绘技能比赛要求选手不但能够快速读数、快速记录和快速计算，还要保证准确无误。由于天气、时间等原因，该软件作为测量大赛选手训练方案的补充，学生自己训练快速读数能力和快速计算能力，效果非常明显，教使用仪器设备效率更高，学生能力提高更快。

（二）软件特点

1. 内容丰富：软件实现了四等水准测量水准尺精准读数和测站水准测量流程的仿真模拟，并包含有关水准测量内容的多个视频范例。

2. 操作简单：软件界面是联系使用者和软件之间的纽带[5]。软件界面设计友好，直观方便，易学易用，用户可以通过简单的按钮便捷的实现程序功能操作。

3. 交互性强：软件需要学生在使用过程中手动瞄准水准尺刻度，读取数据并将数据输入到表格，具有较强的互动性，且与现场操作过程非常接近。

4. 应用性强：学生应用该软件能达到高效练习的目的，大大节约了时间和成本，将软件辅助《测量学》理论教学，使课程内容更为直观易懂，方便学生的理解与学习。

四、结束语

水准测量模拟练习软件以加强学生基本技能培养和提升实验教学效果为目的，成功实现了水准尺精确读数练习、测站水准测量练习等功能，实用性强，可以成为传统实验教学的有效补充，对于《测量学》其他实验课程的教学具有借鉴和推广意义。

参考文献：

[1]骆旭佳.基于虚拟现实仿真技术的全站仪模拟操作系统的研制[D].合肥：合肥工业大学，2010.

[2]马春艳，等.基于虚拟现实仿真技术的测绘仪器模型设计开发[J].测绘通报，2013（8）：71-73.

[3]宁津生.测绘学概论[M].武汉：武汉大學出版社，2004：33-36.

[4]冯仲科.测量学原理[M].北京：中国林业出版，2002：34-180.

[5]余志峰，丁锋.信息系统人机界面设计的基本原则[J].网络信息技术，2004，23（3）：44-45.

[6]朱颖莉.高校电工电子实验教学中仿真软件的运用分析[J].高教学刊，2016（24）：98-99.