一种多要素地物地貌模型的设计与制作

张 兵，崔希民，宋保平，韦 锐，宋昆仑

一种多要素地物地貌模型的设计与制作

张 兵1，2，崔希民1，宋保平2，韦 锐2，宋昆仑2

( 1．中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京100083; 2．石家庄学院资源与环境系，河北石家庄050035)

一、引言

由于教育教学模式的改革及不同学科之间本身的特点，现在的课堂教学除了采用传统的讲授法给学生传授知识外，某些工程类课程还需要特别注重对学生实践技能和创新性思维的培养。然而，实践技能和创新性思维的培养不能仅依靠“讲—听”模式，还需要有针对性的实验设备和教学工具作为支撑，以加强学生对相关技术的深入理解和牢固掌握。但目前高校在测绘科学、地理科学等专业的工程测量学、地图学、数字化测图、地籍测量等课程的教学中，相应的实习实践方式还比较传统落后。如在已有的地物地貌教学模型中，多数只是涉及地物地貌要素的部分内容，或突出地物，或突出地貌，或两者都包含，但设计又不甚合理，有的模型地物地貌要素不够丰富，色彩搭配不够科学。这些模型虽然在一定程度上满足了相关课程实践教学的需要，但从课程实践整体上来说还缺乏完整性［1］。因此，在总结各个已有模型优缺点的基础上，本文介绍了设计和制作一个多要素地物地貌特征模型的过程和方法，为了与实验室已安装的模拟航空摄影测量系统［2］配合使用，模型的设计还考虑了航空摄影测量对地物地形模型的特殊要求。最终制作的模型既满足了地图学、数字测图、地籍测量等课程理论教学、实践教学、科学探索的需要，还为普及地形地貌相关知识提供了理想的科普教育场所。

二、总体设计

多要素地形模型的设计首先要根据模型的功能需要，以及与之配套的模拟航空摄影测量系统的需要来设计模型的各组成部分，设计时要以客观自然界为基础，考虑各个地形要素自然分布规律和形成机理，以及模型的结构、比例、材质、与周围环境协调等多种因素，最后还要根据实验室空间来确定模型的尺寸。最终制作的模型要具有以下特点:要素丰富，符合自然规律，整体美观协调，色彩搭配合理，形象生动逼真，使用方便。

1．设计思路

在参观多个院校地形教学模型并对其优缺点进行分析的基础上，本设计小组通过多次讨论，形成了全要素地形地物特征模型的设计思路［1］——既能包含地貌特征要素，又要包含地物特征要素，且二者之间的比例协调，符合地貌地物要素自然界的分布规律，同时尽量按照自然地理形成规律展示各地物地貌特征的地物地貌模型。

模型主要包括模型底板、设置于模型底板上的地物要素模块、地貌要素模块，以及用于模型测量的控制点模块，其中，地物要素模块与地貌要素模块所占模型面积比约为3∶2。如图1所示，1为模型地板，2为地貌要素模块，3、4为地物要素模块。

图1 地物地貌模型系统各部分组成比例略图

2．模型结构

地形模型系统结构主要包括3部分:地物模型、地貌模型、测量控制点。模型系统组成如图2所示。

图2 全要素地物地貌模型系统组成

模型的整体结构确定好后，设计人员可以对模型的内容及后续的制作形成整体的概念，有助于确定模型的制作程序和步骤，避免因为程序混乱而导致的返工。

3．模型尺寸、比例和相对高度设计

由于模型的整体结构还不充分，还必须要考虑模型的比例、尺寸及模型的相对最大高差等。结合装载模型的实验室的尺寸( 8 m×12 m)、测量控制点观测墩的安装及方便使用的要求，最终设计模型的尺寸为( 4 m×8 m)。

需要说明的是，此次模型的设计只是为了满足教学实践、科学研究及地物地貌知识普及的需要，因此设计的地貌地物要素要尽可能多。模型不是对某个自然区域的客观再现，而是根据需要进行设计，并在制作时反复实验后实现的。根据模型的尺寸，经过反复测算，最终模型的设计比例尺为1∶100。

模型的相对高差不是任意确定的，需要考虑两个方面的因素:一是模型整体尺寸的大小，主要是保证模型与周围要素的协调关系;二是模型的相对高差要满足与之配套使用的模拟航空摄影测量的摄影要求(前面已提及此模型还要配合模拟摄影系统使用)，具体的设计如下:

《航空摄影测量规范》［3］规定:当航摄比例尺大于1∶8000时摄影区相对航高不能大于1/6，当航摄比例尺小于1∶8000时摄影区相对航高不能大于1/4。由于摄影比例尺设计为1∶50，则摄影相对航高的计算如下

式中，H摄为摄影航高; f为摄影相机的焦距; m为摄影比例尺的分母。

为了满足规范要求而又不对摄影区域进行分区，最终设计模型区的最高点相对高程设计值( H设计)计算如下

即若模型底部平面的高程设为0，则模型区的相对高程设计为0．4 m。

三、详细设计

地物地貌模型的详细设计包括很多要素，即各个模块的具体内容、设计模块的布置方式设计、模块之间的连接方式设计等。考虑这些的目的是使模块间布置合理、连接自然，且内容要素丰富、形象逼真。各个模块的布置方式和连接方式如图1所示，地貌要素模块2固定于模型底板中西部，山谷处设置有河流、大坝等;地物要素模块包括第一地物要素模块3和第二地物要素模块4，模块3固定设置于地貌要素模块的东南部，模块4固定设置于地貌要素模块的东北部;模块3通过河流与所述地貌要素模块相连，第二地物要素模块4通过梯田与所述地貌要素模块相连。

下面主要从地物要素设计、地貌要素设计、测量控制点设计、特征点LED显示灯设计、色彩设计5个方面介绍模块内容的设计过程。

1．地物要素设计

地物要素主要是指地面上各种有形物(交通线、河流水系、森林、建筑物等)和无形物(境界线)的总称是，普通地图上应重点表示的要素之一。本模型地物要素部分主要包括居民地、工厂、学校、公园、水库、大坝、河流、水塔、铁路、公路、桥梁、农田等，此地物要素模型部分的主要功能就是真实客观地模拟自然界各常见地物要素，如图3、图4所示。

图3 地物要素局部模型1

图4 地物要素局部模型2

模型上的地物用相似的模型表示，公路等级不同则宽窄不等，用颜色不同的雪弗板弯制而成;江河用蓝色硬纸条表示;树林用小树枝加绿色锯末表示。地物要素模块和地貌要素模块部均设置有卡突，模型底板上设置有与卡突相对应的插孔。卡突的具体样式如图5标号5所示。

图5 模型卡突示意图

地物要素的大小应与水平比例尺相适应，关系位置要求正确。地物应按水系、居民地、道路、树林和独立地物的顺序进行设置。

2．地貌要素设计

地貌即地球表面各种形态的总称，有时也称为地形。地表形态是多种多样的，成因也各不相同，是内、外力地质作用对地壳综合作用的结果。地貌类型根据地表形态划分主要有平原、丘陵、山地、高原和盆地5大形态类型。该模型地貌部分的设计主要包括平原、山地、丘陵等，在设计时主要考虑的因素还包括对对地形相关知识的普及，使各要素尽可能全面。如在设计山地地貌时，包括常见一些山地地形特征，具体有山顶、凹地、山脊、山谷、鞍部、悬崖、陡坡和缓坡等。

具体的实现方法为:

1)在底板上绘制方格，并将设计的最低等高线、控制地貌基本形状的等高线，以及山顶、鞍部、山脚、倾斜变换点的位置标定到模型底面上。

2)将计算好的山顶、鞍部、山脚、倾斜等地形特征变换点分别插上木条，木条的高度为该点在沙盘上的高度加上底层沙土的厚度。

3)在最低等高线范围内，以木条和等高线为依据，先堆出山顶、鞍部、山脊等的概略形状作为骨干;再修整其他部分，主要是分片堆积，先堆积复杂处，后堆积简单处，并应随时根据设计思路调整地貌堆积形态，随时将沙土压紧，以免崩塌变形;堆积完毕，应作全面检查和修整，并由高到低逐层喷上设计的颜色。

地貌模型如图6所示。

图6 地貌要素模型

3．测量控制点设计

在地物地貌模型系统中设计测量控制点的主要目的是为了扩展模型的应用范围，使其满足更多课程的教学实践需要，如数字化测图实习、地籍测量实习等。这大大提高了模型的使用效率，并且使这些实习减少了对外界天气条件的依赖，增加了实习的灵活度。本次设计根据实际情况和控制点的布设要求总共布设4个测量控制点( A、B、C、D)，测量控制点以观测墩的形式固定在地面上。控制点的布设要求为:能够对地物模型进行全方位观测，不留死角。控制点采用独立坐标系统，以磁北作为标准北方向。图7是控制点B和控制点C的分布位置，与之对应的模型的另一边布设有控制点A和控制点D。

图7 测量控制点分布

4．特征点LED灯设计

为了教学和讲解的方便，在地物和地貌特征点上设计了LED显示照明灯。为了区别不同类别的地物、地貌特征，将整个模型分成20个不同的单元，如山脊线、山谷线、河流、建筑物、大坝及水系、铁路点、水塔、梯田等。每个单元的不同特征点上都设有LED显示灯，各个单元的LED显示灯是相互独立的，可以根据需要用演示控制系统(地形测量实训系统)对其进行打开和关闭操作，如图8、图9所示。这种设计提高了模型的使用效果，使学习者对各个要素的相关知识有了清晰、深入的认知。

图8 地形测量实训系统界面

图9 公路单元LED显示灯

四、结束语

地物地貌模型的设计是一个复杂的工程，由于自然界的自然地理要素和社会经济要素纷繁复杂，想通过一个模型的设计来包罗万象是不太可能的。因此，在设计时主要考虑模型的实用功能，尽量包括常见的地物和地貌类型。该模型最终的制作成果满足了设计要求:要素丰富，符合自然规律，整体美观协调，色彩搭配合理，形象生动逼真，使用方便。

该模型系统的设计和实现满足了地图学、数字化测图、地籍测量等课程的室内实践教学需要，使测量学实习和地图学实习等在一定程度上摆脱了外界天气条件的限制，提高了实习的灵活程度，降低了实习成本;另外，此系统建成后为普及地物、地貌相关知识提供了理想的科普教育场所，多次接待中小学生参观学习，取得了一定的社会效益。

［1］ 张兵，赵旭阳，宋保平，等．一种教学用全要素地物地貌特征模型:中国，CN 201320625806．0［P］．2014-06-04．

［2］ 赵旭阳，张兵，宋保平，等．一种航空摄影测量模拟系统:中国，CN 201320423376．4［P］．2014-06-04．

［3］ 国家质量监督检验检疫总局．GB/T 19294—2003航空摄影技术设计规范［S］．北京:中国标准出版社，2003．

［4］ 李珵，卢小平，杨尚波，等．基于点云数据的地貌要素自适应提取方法［J］．测绘通报，2013( 10) : 30-33．

［5］ 朱雪坚，叶远智，汤国安．基于3维Douglas-Peucker算法的DEM地形特征提取［J］．测绘通报，2014( 3) : 118-121．

［6］ 刘丹丹，胡倩伟，张玉娟，等．航空摄影测量教学实验系统［J］．测绘与地理空间信息，2014，37( 5) : 13-15．

［7］ 宁津生，王正涛．2012—2013年测绘学科发展综合报告［J］．测绘科学，2014，39( 2) : 3-10．

［8］ 国家质检总局，国家标准化委员会．GB/T 7931—2008 1∶500、1∶1000、1∶2000地形图航空摄影测量外业规范［S］．北京:中国标准出版社，2008．

［9］ 焦明连，周立．测绘工程专业卓越工程师教育培养模式的研究［J］．测绘通报，2012( 1) : 102-104．

［10］杨红卫，刘勇，许民，等．沙盘模型设计与实现［J］．地理空间信息，2010( 6) : 95-97．

［11］ 孙发恩．高速公路隧道照明控制系统设计与实现［D］．广州:华南理工大学，2012．

［12］刘慧敏，樊子德，邓敏，等．地图上等高线信息度量的层次方法研究［J］．测绘学报2012，41( 5) : 777-783．

［13］杨天客．航空摄影规划设计与仿真［D］．郑州:信息工程大学，2005．

［14］国家测绘地理信息局．CH/T 3006—2011．数字航空摄影测量控制测量规范［S］．北京:测绘出版社，2011．

Design and Implement of a Terrain and Surface Features’Model with Many Elements

ZHANG Bing，CUI Ximin，SONG Baoping，WEI Rui，SONG Kunlun

介绍了设计和制作一种多要素地物地貌模型的过程和方法，该模型涵盖了各种常见的地物、地貌要素，并且各要素具体分布位置设计合理、形象逼真，符合自然形成规律。该模型在主要的地物和地貌特征点上都设计安装了LED灯，可以在演示系统的控制下根据需要打开和关闭LED灯，以显示不同的地形、地物特征;同时，该模型还能够很好地满足模拟摄影测量系统对于地面高差的控制要求;另外，在该模型的两边设计制作了4个测量控制点观测墩，以便利用控制点对模型进行数字地形测绘。

地形模型;地物地貌;教学模型;模拟系统

张 兵( 1979—)，男，博士生，讲师，主要从事3S集成与应用、土地资源开发利用、矿山开采沉陷工程与变形监测的研究工作。E-mail: zhbing1020@ 126．com

P287

B

0494-0911( 2015) 11-0080-04

张兵，崔希民，宋保平，等．一种多要素地物地貌模型的设计与制作［J］．测绘通报，2015( 11) : 80-83．

10．13474/j．cnki．11-2246．2015．0352

2015-08-20

国家自然科学基金面上项目( 51474217) ;河北省高等学校科学研究计划( Z2015160) ;河北省人力资源和社会保障研究项目( JRS-2015-3034)