三維可視化應(yīng)用實驗教學(xué)流程設(shè)計

袁 銘，楊朝輝，王 穎

(蘇州科技學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇蘇州215011)

三維可視化應(yīng)用實驗教學(xué)流程設(shè)計

袁 銘，楊朝輝，王 穎

(蘇州科技學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇蘇州215011)

通過對GIS專業(yè)領(lǐng)域中蘇州地區(qū)近年來的應(yīng)用需求分析，以及對GIS專業(yè)實踐系列課程的梳理，引入在企業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)中廣泛采用的流水線生產(chǎn)方式，以某一實踐性主題貫穿于從空間信息采集到城市三維可視化實現(xiàn)的全過程。通過這種系統(tǒng)規(guī)范的訓(xùn)練，達(dá)到強(qiáng)化實踐環(huán)節(jié)、提高應(yīng)用能力的目的。實踐證明，本流程特色明顯，針對性強(qiáng)，實施方案具體、明確，具有很強(qiáng)的操作性，有利于GIS專業(yè)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。

GIS;課程;流程;實踐性

一、引 言

將數(shù)字4D產(chǎn)品和三維模型作為綜合處理對象的三維可視化系統(tǒng)可以再現(xiàn)管理環(huán)境的真實情況，即把所有管理對象都置于一個真實的三維世界里，進(jìn)行虛擬現(xiàn)實管理［1］。三維可視化是GIS的核心和今后的重要發(fā)展方向，其相關(guān)理論與方法是當(dāng)前計算機(jī)圖形學(xué)、計算可視化、GIS、數(shù)字?jǐn)z影測量等研究的主要內(nèi)容［2］。三維可視化應(yīng)用實驗教學(xué)流程設(shè)計就是將這一應(yīng)用與地理信息系統(tǒng)專業(yè)的實踐教學(xué)緊密結(jié)合，培養(yǎng)符合社會需要的應(yīng)用型人才。

蘇州是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)城市，已有9個古典園林被列入《世界文化遺產(chǎn)名錄》，成為中國擁有世界遺產(chǎn)項目最多的城市之一。在這一背景下，三維數(shù)據(jù)建庫、數(shù)字文化遺產(chǎn)、城市規(guī)劃、地下管線等與三維可視化相關(guān)的應(yīng)用具有巨大市場。作為蘇州市唯一一所開辦GIS專業(yè)的高校，城市三維可視化是我校GIS專業(yè)服務(wù)地方的絕佳選擇，是產(chǎn)學(xué)研合作的最好結(jié)點，將有利于GIS專業(yè)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。

本文通過對 GIS專業(yè)實踐系列課程的梳理［3］，以及對GIS專業(yè)領(lǐng)域中蘇州地區(qū)近年來的應(yīng)用需求分析，引入了在企業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)中廣泛采用的流水線生產(chǎn)方式，進(jìn)行GIS專業(yè)的人才培養(yǎng)，探索應(yīng)用型人才培養(yǎng)的新模式。幾年來的教學(xué)實踐表明，這一模式在專業(yè)能力培養(yǎng)和適應(yīng)市場需求方面效果良好。

二、實驗流程設(shè)計

1.實驗方案

三維可視化實驗教學(xué)流程的總體方案如下:

選定一個建設(shè)對象(產(chǎn)品)，對GIS專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課程涉及的部分實驗進(jìn)行流水線操作，以某一實踐性主題貫穿于全部實驗的全過程。通過這種與實際應(yīng)用密切結(jié)合的、系統(tǒng)規(guī)范的訓(xùn)練方法，達(dá)到強(qiáng)化實踐環(huán)節(jié)，提高應(yīng)用能力的目的。

產(chǎn)品流水線生產(chǎn)法要求，前一項實驗未做或不合格，下一個實驗無法進(jìn)行。如果全部實驗完成并達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)，三維可視化應(yīng)用的實踐能力可以認(rèn)為已達(dá)到實際應(yīng)用要求。

流水線生產(chǎn)法還要求做到四固定:實驗項目數(shù)固定、實驗內(nèi)容固定、實驗流程固定、實驗結(jié)果固定(在上述基礎(chǔ)上可以根據(jù)專業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀固定產(chǎn)品的示范地點、應(yīng)用的軟件和硬件等)。具體實施途徑如下:

1)通過調(diào)研，選擇一個固定的實驗產(chǎn)品模式(一個小區(qū)的綜合地物、地貌三維可視化模型)，該模式涉及課程實驗中所有關(guān)鍵要素;

2)確定相關(guān)課程中的若干個實驗參與本產(chǎn)品流程，并制定出各實驗具體實施方案;

3)確定本產(chǎn)品實施所需要的所有基礎(chǔ)條件(儀器設(shè)備和基礎(chǔ)數(shù)據(jù));

4)在部分或全部實驗小組中進(jìn)行全程訓(xùn)練，為期5個學(xué)期。

最終確定5門課程中的13個實驗參與整個教學(xué)流程，包括:導(dǎo)線測量、碎部測量、航片立體觀察和量測、參數(shù)設(shè)置與模型定向、各類產(chǎn)品生成、利用立體影像進(jìn)行DEM建模與編輯、影像鑲嵌和DEM拼接、綜合測區(qū)練習(xí)、IGS數(shù)字化測圖、模型表面紋理處理、三維建模、紋理映射、三維場景制作。

2.實驗流程

圖1是三維可視化教學(xué)課程和實驗流程圖，列出了各學(xué)期開設(shè)的課程和實驗以及得到的階段性產(chǎn)品，5門課程及開課學(xué)期列于左邊。從圖1可見，從大學(xué)二年級上學(xué)期開始，就開設(shè)了“測量學(xué)”課程，介紹和掌握測量控制點的建立以及地形圖測繪的方法。這些內(nèi)容是通過“導(dǎo)線測量”和“碎部測量”兩個實驗實現(xiàn)的，其產(chǎn)品是一張比例尺為1∶500的地形圖，是本流程中最重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源。

大學(xué)二年級下學(xué)期開設(shè)的“環(huán)境遙感”課程，要求介紹和掌握使用立體鏡進(jìn)行航空像片立體觀察的方法［4］，為以后正確理解衛(wèi)星遙感圖像立體測圖奠定基礎(chǔ)。其產(chǎn)品是立體相對。

圖1 三維可視化教學(xué)課程和實驗流程圖

大學(xué)三年級上學(xué)期開設(shè)的“數(shù)字?jǐn)z影測量”課程，要求介紹和掌握利用數(shù)字?jǐn)z影測量方法和相應(yīng)的軟件進(jìn)行參數(shù)設(shè)置與模型定向;掌握和了解影像匹配原理和實現(xiàn)過程;掌握DEM數(shù)據(jù)及其他產(chǎn)品生成的原理和實現(xiàn)過程，建立像片的立體模型;掌握利用軟件而不是前面的測繪儀器法進(jìn)行測圖的方法，其產(chǎn)品是正射影像和二維矢量圖。該課程實驗共有5個，是本流程中另一個重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源。

大學(xué)三年級下學(xué)期開設(shè)的“數(shù)字高程模型”課程，要求掌握根據(jù)前面已經(jīng)建立的立體影像生成數(shù)字高程模型，并掌握數(shù)字高程模型的交互式編輯方法［5］，其產(chǎn)品是建立實驗區(qū)內(nèi)的數(shù)字高程模型。本實驗的產(chǎn)品是三維場景中的地貌形態(tài)。

大學(xué)四年級上學(xué)期開設(shè)的“數(shù)字城市概論”課程，要求掌握各種GIS空間數(shù)據(jù)在三維可視化軟件中的輸入方式，了解每種數(shù)據(jù)格式的導(dǎo)入和轉(zhuǎn)換功能。學(xué)習(xí)利用Photoshop軟件進(jìn)行紋理圖像處理，利用3ds Max軟件進(jìn)行基本三維建模，通過3ds Max將PhotoShop處理后的紋理圖像作為材質(zhì)，粘貼到模型的表面，以獲得仿真的三維建筑模型。這一過程涉及4個實驗，其產(chǎn)品是三維可視化場景，是本流程的最終產(chǎn)品。

三、綜合性實驗

本項目13個實驗中，有3項為綜合性實驗，每個綜合性實驗都涉及多項內(nèi)容，對一門課程來講，是將課堂內(nèi)容和多個單獨實驗內(nèi)容綜合在一起進(jìn)行的，是對這些內(nèi)容整體掌握的一次實踐，具體情況如下。

1)導(dǎo)線測量。實驗?zāi)康氖峭ㄟ^觀測建立一個簡單的導(dǎo)線，并通過對這些觀測量進(jìn)行計算獲得導(dǎo)線控制點的坐標(biāo)。工作內(nèi)容為采用經(jīng)緯儀測量角度，鋼尺或測距儀測量距離，涉及導(dǎo)線的布設(shè)、施測和計算方法，是一個綜合性很強(qiáng)的實驗。

2)綜合測區(qū)練習(xí)。實驗?zāi)康氖鞘煜ふ麄€測區(qū)的數(shù)字?jǐn)z影測量流程，以工程化的模式來進(jìn)行訓(xùn)練，從數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)輸入、模型建立、產(chǎn)品生成到IGS數(shù)字化測圖，以便學(xué)生熟練掌握軟件的操作。

3)三維場景制作。實驗?zāi)康氖鞘煜?shù)字城市建設(shè)中三維可視化模型的制作方法，了解建立三維地理信息系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)和工作流程。掌握各種GIS空間數(shù)據(jù)在三維可視化系統(tǒng)軟件中的輸入方式，了解每種數(shù)據(jù)格式的導(dǎo)入和轉(zhuǎn)換功能，使得每種空間數(shù)據(jù)在同一個系統(tǒng)中能夠進(jìn)行良好的兼容和處理。

四、實施效果與結(jié)論

三維可視化應(yīng)用流程設(shè)計包括了地理信息系統(tǒng)專業(yè)所涉及的主要專業(yè)課程，配合了相應(yīng)的課堂教學(xué)和實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，并為此提供了一個具體的實施方案。自二年級開始到四年級，每學(xué)期都有為完成同一個目標(biāo)進(jìn)行的若干實驗，具有連續(xù)、系統(tǒng)的特點。由于流程具有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，易操作、易考核，只要按順序和規(guī)定完成這些實驗，就可以達(dá)到教學(xué)要求。流程除可帶動其他課程的學(xué)習(xí)外，還可以集中于一根主線，有助于這些課程的復(fù)習(xí)和掌握，加強(qiáng)了教學(xué)的系統(tǒng)性和連續(xù)性。

本流程選定以蘇州科技學(xué)院江楓校區(qū)為實驗對象，將該校區(qū)部分區(qū)域的三維可視化作為最終產(chǎn)品。整個流程于2006年開始實施，按照三維可視化應(yīng)用實驗教學(xué)流程設(shè)計的要求，已開出全部實驗課程，在2005級地理信息系統(tǒng)專業(yè)的學(xué)生中試行(2006年大學(xué)二年級上學(xué)期開始)，全部實驗課開設(shè)時間至2010年已開設(shè)過4年，共有兩屆學(xué)生全部上過，兩屆學(xué)生部分上過。教學(xué)實驗流程表明，這對提高學(xué)生的實踐能力具有較好的作用。

學(xué)生有了三維可視化實踐的基礎(chǔ)，就可以參與數(shù)字蘇州的工程項目。作為蘇州城市三維可視化的生產(chǎn)項目，參與項目實驗的2005、2006級學(xué)生完成了蘇州市測繪院承擔(dān)的蘇州城區(qū)我校江楓校區(qū)及其周圍路段的三維可視化生產(chǎn)任務(wù);2007、2008、2009級學(xué)生正在進(jìn)行蘇州市區(qū)三維可視化數(shù)據(jù)建庫和更新的生產(chǎn)項目，三維可視化流程的實踐在校企結(jié)合這個節(jié)點上體現(xiàn)出了良好效果。

幾年來的實踐表明，這一模式在專業(yè)能力培養(yǎng)和符合市場需求方面是有效的。對于本項工作的實施，筆者有以下體會和結(jié)論:

1)與市場接軌。蘇州是全國的信息化示范城市，而“數(shù)字蘇州”建設(shè)中的城市三維可視化是一項重要工作，蘇州的三維可視化工作需求量非常大，完成本項目流程的學(xué)生畢業(yè)以后可以立即為“數(shù)字蘇州”建設(shè)服務(wù)，與蘇州的市場應(yīng)用接軌。

2)特色明顯，操作性強(qiáng)。城市三維可視化是我校GIS專業(yè)的特色方向，流程所涉及的系列實驗特色明顯，針對性強(qiáng)，實施方案具體、明確，具有很強(qiáng)的操作性，有利于GIS專業(yè)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。

3)創(chuàng)新的設(shè)計思路。三維可視化應(yīng)用實驗教學(xué)流程在GIS專業(yè)教學(xué)上是一次嶄新的嘗試，本項目的創(chuàng)新性主要表現(xiàn)在三維可視化應(yīng)用實驗教學(xué)流程整體方案設(shè)計上的創(chuàng)新，主要有以下幾點:

a.產(chǎn)品流水線生產(chǎn)法:選定的實驗產(chǎn)品包含主干課程的所有關(guān)鍵要素，采用產(chǎn)品流水線操作。前一項實驗未做或不合格，下一個實驗無法進(jìn)行，全部實驗合格可認(rèn)為已達(dá)到實際應(yīng)用要求。

b.四固定模式:流水線生產(chǎn)法要求做到四固定:實驗項目固定、實驗內(nèi)容固定、實驗流程固定、實驗結(jié)果固定。

c.橫向系列實驗設(shè)計:所涉及的13個實驗橫跨5門課程、5個學(xué)期，各實驗經(jīng)過特別設(shè)計，設(shè)計特點是針對性強(qiáng)，相互銜接緊，在流水線中具有唯一性。

［1］ 朱文軍.數(shù)字城市三維模型的可視化技術(shù)［J］.湖北民族學(xué)院學(xué)報，2005，23(3):280-284.

［2］ 梁勇，袁銘，朱紅春，等.數(shù)字城市建設(shè)與管理［M］.北京:中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，2005.

［3］ 袁銘，連達(dá)軍，嚴(yán)勇.GIS專業(yè)實踐性教學(xué)流程設(shè)計［J］.測繪與空間地理信息，2009，32(1):22-25.

［4］ 張序，袁銘，王穎.測量學(xué)［M］.南京:東南大學(xué)出版社，2005.

［5］ 李志林，朱慶.數(shù)字高程模型［M］.武漢:武漢大學(xué)出版社，2003.

Design of 3D Visualization Application Experiment Teaching Process

YUAN Ming，YANG Zhaohui，WANG Ying

0494-0911(2011)06-0092-03

P208

B

2010-01-28;

2010-03-25

蘇州科技學(xué)院教學(xué)改革項目資助(2008YQ-01)

袁 銘(1955—)，男，江蘇常熟人，教授，主要研究方向為測繪工程、地理信息系統(tǒng)應(yīng)用。