一种多要素地物地貌模型的设计与制作

一种多要素地物地貌模型的设计与制作

一、技能训练的相对滞后由于教育形式的改革和不同学科之间的特点，今天的课堂不仅应该采用传统的教育方法来教学生知识，还应该特别注意培养学生的实践技能和创新思维。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二、自然地形模型和实验室空间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.要素地形地物特征模型设计思路模型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。2.测量控制点设计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。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.模型设计及分组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(8m×12m)、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(4m×8m)。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》式中,H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0.4m。三、地貌要素模块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.地物要素模型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。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。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.对地形要素进行普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。3.提高了实习的灵活性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。4.单元与led灯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。四、模型设计的应用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