数字测图平台，助力工程测量课堂——“平台中的数据采集”室内重建野外数据采集

数字测图平台，助力工程测量课堂——“平台中的数据采集”室内重建野外数据采集

王克晓

天津铁道职业技术学院，天津  300240

摘要： 虚拟测图平台把室外仪器设备实现的功能平移到室内电脑中，重现室外的操作场景，实现虚拟仿真测图。室外全站仪和GNSS设备的操作过程复杂，需要多人合作完成，虚拟测图平台把室外的需要多人配合操作过程集成为独立个人完成，让每一个学生充分学习掌握每一个环节的操作。传统模式下，学生需要几天才能掌握的整个数据采集过程，在虚拟测图平台中学生利用一两个小时就能独立完成并掌握。数字测图平台的可操作性和多样性，让课堂学习从单一走向丰富。虚拟测图平台把枯燥无味的课堂变成了虚拟仿真的模拟现实场景，让学习从被动吸收走向有意识主动索取，提高了学生的学习效率。

关键词：数字测图 虚拟仿真 数据采集

一、引言

先进的昂贵测量设备（进口全站仪、进口电子水准仪、进口的GNSS接收机）在操作不当的情况下很容易损坏，这种设备的维修费费用也很高，少则几千元，多则数万元。即使学生们使用相应的国产设备也很容易出现损坏问题，维修费用也在一两千元甚至更高。学生们在领取测量设备后，指导教师会专门为学生讲解安全问题，即讲解人身安全，也讲解仪器设备的使用安全。当学生们得知自己使用的设备如此昂贵时，那么在他们真正的练习使用测量设备时会格外小心，有的学生会担心自己操作不当损坏设备，导致他们很难全身心的去练习，从而影响学习效率，无法达到课程要求，无法完成课堂任务，无法真正的学会使用设备。

数字测图课程传统室外仪器设备的学习，效率低，耗费时间长，设备故障，零部件缺失等问题困扰学生的学习，基于这些问题很难让所有学生短时间内掌握所需知识。随着数字化信息技术和互联网科技的深入发展，基于信息化技术正在改变人们的日常生活，顺应时代的发展，构建数字化学习课堂，营造信息化教学环境，变得刻不容缓。正因如此，天津铁道职业技术学院开始了以“虚拟测图平台”为主的数字化学习实践。数字测图平台的生动性，让教学情境由静态变为动态，让学生随时随地进入虚拟仿真的学习环境。

二、仪器设备认知

（一）全站仪的认知

数字课堂无法使用真实的仪器设备，仪器设备的演示可以通过教师讲解，图片展示，或者是视频播放让学生们了解。这种只能看，只能听的模式降低了学生的课堂参与度，难以激发学生学习积极性；虚拟测图平台的出现彻底改变了这种现状。

同学们在教师讲解完成后，登录南方测绘公司提供的虚拟测图平台，自己动手操作每一个步骤，了解每个部件的功能，数字测图平台中安置三脚架的过程直接显示了三脚架的高度，直观的告诉学生们仪器的高矮。全站仪安置在三脚架上之后需要调节三脚架蝶形螺旋进行粗平，而且操作界面中有地面控制点，学生们能直观的看到自己是否进行了错略整平设备。学生们没有接触到实物设备，但是通过虚拟测图平台就能掌握各项仪器设备的功能，就可以掌握仪器的操作过程。操作过程如果不正确就无法进行下一步操作。图2中连接中心螺旋是非常重要的一个环节，中心螺旋没有连接，全站仪就有可能从三脚架架头上跌落，造成设备损坏。数字测图平台中完成前一步才能进行下一步，这样就能让学生养成良好的操作习惯，避免了设备的损坏。

                      图1  调节三脚架蝶形螺旋

（二）数字测图平台中设备使用的优势

全站仪需要通过三脚架上的中心螺旋连接到三脚架，从而保证全站仪的使用安全。如果学生忘记拧紧中心螺旋，学生没有办法粗略整平全站仪；而现实中学生忘记了这一步，是可以操作下一步的，下一步就是抬起两个架腿进行粗略对中全站仪，在没有连接中心螺旋的情况下去抬起两个架腿会导致全站仪跌落到地面上，导致全站仪损坏。影响学生的学习进度，对学生造成影响，下次学生再次使用设备时，可能留下心理阴影，影响学习效率。

虚拟测图平台中，仪器的操作过程非常严格，这就像物理中的串联电路，只有每一步完成才能实现最后的通路。学生们在平台中操作仪器时，如果粗心大意，忘记的某一个环节，那么她是没有办法进行下一步的。那么学生就会查找原因，找出问题解决问题。一步一步的完成测量设备的操作。在这种重复操作设备的过程中，学生会记住每一步过程，慢慢的达到孰能生巧，提高操作测量设备的效率。平台中的每一步过程与现实中的每一步过程都是一样的，虚拟平台中学生学会了操作步骤，现实中学生就会更快的学习操作测量设备。

图2 安置全站仪          

三、仪器准备操作的虚拟化

在虚拟测图平台中，当所有的设备安置成功后，需要对设备进行开机，全站仪需要进行设置测站点，根据老师的讲解，同学们可以在虚拟测图平台直观的进行动手操作，完成测站点的设置和GNSS基准站的设置。

（一）现实中的仪器操作遇到的问题

传统的单一枯燥的课堂消失了，现在的课堂变成学生自己探索发现成长的课堂。传统的设备练习，需要4-5人一组进行，一套设备比较多，需要多人搬运和联合操作才能完成。练习的过程需要多人配合，一个人从开始操作到整个过程结束，至少需要15到20分钟才能基本完成，而且还不能保证过程正确。

（二）虚拟中仪器操作

有了虚拟测图平台，多人配合操作取消了，一个人就能完成整个过程的设备安装，学生结合任课教师的讲解视频，按照要求就能一步一步完成整个过程，自己不熟悉的环节可以多次重复练习，直至自己完全掌握，学习的效率得到有效的提高。数字测图平台中的GNSS数据采集时，基准站设置这个环节，学生可以独自完成仪器的准备工作，可以选择自己需要的设备进行操作。无需多人搬运设备。人人都可以独自完成，提高了学生的学习效率。

（三）数字测图平台弥补现实中设备操作的不足

现实中学校的测量设备是有限的。学生们在练习过程中很难满足每人一套设备，这种情况下有的学生就会在旁边等待，等待着其他学生操作练习，如果某一个学生对新知识接受能力差，那么她很可能需要重复多次才能完成一次设备的操作，这个学生使用了过多的时间，从而导致其他同学的练习时间就会减少，甚至有的学生这一节课都无法触碰到仪器设备。对于没有接触到测量设备的同学来说这是不公平的，现实中测量设备不足，很容易发生这种不公平的事情。虚拟测图平台的出现和普及能够有效的降低这种不公平的事情发生。同学们在等待练习实体测量设备期间可以在电脑时练习虚拟设备，提前熟悉操作步骤，提高操作仪器的速度，等到学生可以接触实体设备时，她已经基本掌握了操作过程以及所使用设备。数字测图平台的使用大大的降低了实体设备的损坏率，节省了学校的设备维修基金，普遍提高了学生的技能水平。成功操作仪器达到预期效果，增强了学生的自信心，增强了学生的综合技能。数字测图平台的使用，提高了课堂效率。

图3 GNSS接收机设置                   

四、数据采集的虚拟仿真化

（一）数字测图平台中数据采集的优势

传统数据采集需要多人配合完成数据采集工作，中间任何一个环节出错，都会导致最后数据的采集错误，如果大家都认为自己的操作是正确的，根本就无法查找错误所在。虚拟测图平台在数据采集过程中增加了不少措施，从而减少错误发生。

1．棱镜目标的仿真化

数字测图平台中全站仪数据采集，操作界面中显示了望远镜中的棱镜状态，确保采集数据是在正确的情况下采集的，这就让学生更加明白数据是如何采集的。

2.免棱镜状态下目标的虚拟化

传统情况下，指导教师详细讲解如何免棱镜状态全站仪数据采集，全站仪的十字丝应该瞄准待采集点旁边的位置，但是这度很难把握，学生们也很难想象出到底瞄准哪里。数字测图平台中免棱镜模式数据采集，也让学生知道并看到没有棱镜也能采集数据点，例如楼边界点的采集需要把十字丝中心放到楼体上。这样学生更直观的了解数据采集的过程。学生也能在虚拟化的状态中真正掌握免棱镜状态到底应该瞄准什么位置。

图4  全站仪棱镜模式数据采集      

3.零部件虚拟化，部件功能真实化

传统的全站仪在练习过程中是很繁琐的，学生们既要掌握仪器的各部分组成，也要熟记各部件的功能。学生从开始接触设备到完成一个碎部点的采集大概需要花费半个小时的时间，一节课九十分钟，一台全站仪基本上只能保证三个学生完成一次操作仪器，一节课只练习一次，很难掌握设备的使用，从而导致课堂效率降低。数字测图平台的出现彻底解决了这个问题。别的同学在练习实体设备时，她可以操作虚拟设备练习，可以提前学习认识如何瞄准目标棱镜中心，提前掌握水平制动，水平微动，垂直制动，垂直微动，目镜调焦螺旋和物镜调焦螺旋等部件的使用，熟练掌握各部件的功能后，就能快速找到目标完成数据采集。

数字测图平台中，现实中的测量设备虚拟化了，各个组成部件在虚拟场景中重现，学生首先认识零件，然后虚拟操作了解零件的功能，然后根据各自的功能实现任务目标。例如，利用全站仪瞄准目标，需要目镜调焦、物镜调焦、水平制动，水平微动，垂直制动，垂直微动等功能合作完成。虚拟中学会了这些功能，现实中就能快速完成实际的任务。

（二）虚拟操作命令网络化

虚拟测图平台中GNSS设备进行数据采集时，为了让学生更加接受这个平台，所以平台的一些操作参考网络游戏中的一些常规用操作例如：向前走，向后走，向左走，向右走，下蹲，左拐弯，右拐弯，都类似于网络游戏中的设置，让学生们更加容易的接受虚拟测图平台。室外仪器使用的每一步过程都搬到平台的屏幕中，让学生更加直观的了解数据采集的整个过程。

图5 GNSS参数设置             

（三）参数设置直观化

图5中显示的是数据采集原有坐标系统的设置，设置了坐标系统，采集的数据就可以自动的转换成所需要的坐标，无需进行二次坐标转换。数字测图平台中显示了数据采集时坐标点的详细信息，针对当前采集点的设置可以随时修改，其中编码一栏中，学生可以按照课堂中任课教师讲授的知识，对点位进行编码编辑，从而有利于后期的自动成图。这一部分操作与实际操作是完全一致的，不存在虚拟化。

GNSS设备操作中，前期的新建项目和参数转换内容比价复杂，如果学生要熟练掌握这部分内容是需要重复多次练习才能完成的。一台GNSS接收机只能一个学生操作，其他同学可以从旁观看，或者参与其中共同完成；当学生独自操作设备时可能会遗忘某一个步骤，最终无法实现参数转换。数字测图平台的出现弥补了这种缺陷，学生可以在课堂中或者业余时间利用数字测图平台中练习每一步，当自己熟悉了每一步，学生可以重复练习整个过程直至熟练完成参数转换。现实中，学生再次独自操作设备时，利用数字测图平台中得到的经验，可以快速完成参数转换。

图6  全站仪数据传输                    

传统数据采集时，数据传输需要仪器设备与电脑连接才能完成，虚拟测图软件把这个过程简化，让学生直观的掌握传输过程，为以后实践练习设备打下坚实的基础。平台的使用，节约了学生的实践时间，提高了学生的学习效率，进一步增强了学生的综合能力。

五、结论

室内的虚拟测图平台的使用，让有电脑的地方变成课堂，教学变得更加的高效。数字测图平台的的生动性，让教学情境由静态变为动态；让学生从想象进入虚拟现实，数字测图平台的可操作性，让思维从无意识走向有意识；数字测图平台的多样性，让课堂学习从单一走向丰富。数字测图平台让只能听只能看的课堂增加了实践操作，让学生动手操作，教学中学生的操作活动让学生更容易消化理论知识，学生自己动手把理论变成实践。教学中，教师充分关注学生的操作实践过程，及时进行指导，为学生的快速成长提供更便利化的服务。如果在虚拟仿真平台中引入VR系统，让学生在室内真正体验3D效果的室外场景，那么课堂就会变得更加丰富多彩。

参考文献：

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基金项目：天津市高等职业技术教育研究会2022年度科研课题“职业院校虚拟仿真资源建设的实践研究-以高速铁路施工与维护专业为例”（课题编号：2022-Z-002）。

作者简介：王克晓（1983—  ），男，山东聊城人，天津铁道职业技术学院工程测量专业讲师，主要从事工程测量专业的教学与研究工作。