Matlab在测量教学中的应用

Matlab在测量教学中的应用

肖琴琴周忠于王平

肖琴琴周忠于王平

湖南城市学院益阳413000

摘要：根据湖南城市学院测绘工程专业教学的基本情况，结合社会发展的新动态，介绍了强大的工程计算软件Matlab在辅助测绘工程专业测量学、误差理论与测量平差基础和数字图像处理教学中的优势，提出了一些适合该校测绘工程专业教学改革的建议和方法。

关键词：Matlab；测绘工程；教学

1.引言

测绘工程是一门对数学基础要求较高的专业，它涉及高等数学、线性代数、概率论与数理统计、矩阵论等多门课程的知识，数学公式推导多，计算比较复杂，需要依靠一定的计算机语言来辅助学习和处理相关的数据。另外，本科教学强调整个学科体系的完整和严密性，要求学生要有较扎实的理论知识和从事科研工作的能力。因此，学校应当培养学生较强的计算机编程能力，为他们日后为社会做贡献打下良好的基础。

虽然本专业开设了C语言、VB.net等计算机语言课程，但由于计算机语言本身较抽象难懂，对于一般的本科院校学生来说，要编写出大型计算程序，也不是一件容易的事情，若花费大量的时间进行程序设计，会影响到课程内容的理解和掌握。因此，对于大部分学生来说，掌握这些计算机语言并能在实际中应用难度较大，难以调动学生的兴趣。

Matlab是由美国公司开发的一套高性能的数值计算和可视化软件，集数值分析、矩阵运算和图形显示于一体。由于Matlab编程语言简单易学，其矩阵计算，省时直观，很适合用于教学过程中展示计算实例。它可改善课程的教学效果和质量，且学生容易得出成果产生成就感，激发了他们的学习兴趣，学生会积极主动地参与到课程实践中去，从而能更直观地理解测绘学科的基本概念和原理，更好地培养他们的实践动手能力[1]，为以后走上工作岗位或是从事科研做良好的辅垫。

近几年来，很多高校已开始将Matlab用于课程的辅助教学，取得了良好的效果。本校也可将此门课程作为测绘工程专业的必修课程，帮助学生更好地掌握抽象概念和复杂的运算，同时也可提高毕业论文和设计的质量。

2.Matlab在测绘专业课程教学中的应用

2.1Matlab在测量学教学中的应用

测量学中，有很多的实验和实习如水准测量、导线测量、坐标转换、前后方交会、极坐标计算、曲线要素计算、施工放样等，一旦进入实践环节就会有观测数据需要进行处理，如是少量数据可用计算器辅助计算，当数据量大时，此项工作会变得很繁琐。虽然一些仪器中能自动计算出成果，但这些自动化过程不利于测绘工程专业的学生理解其原理和过程，而计算机语言Matlab能够减少工作量，加快实践进度，同时又能让学生掌握数据处理的具体过程，提升学生的兴趣，下面举一个简单的实例。

在圆曲线放样的实践环节中，假设给出的圆曲线半径为200m，转角50度，交点的里程为k20+125.42m，要放样出圆曲线的主点，需计算出圆曲线主点定位参数。

在matlab中，变量不需要先定义后使用，而是在使用时定义，可直接将已知值赋给变量R，delta，JD，再按照公式写出相应的计算语句即可得到放样所需的曲线要素和圆曲线主点里程，程序如下：

R=200；%圆曲线半径

delta=50*pi/180；%转角

JD=20125.42；%交点里程

T=R*tan（delta/2）；%切线长

L=pi*R*delta/180；%曲线长

E=R*（sec（delta/2）-1）；%外矢距

J=2*T-L；%切曲差

ZY=JD-T；%直圆点里程

QZ=ZY+L/2；%曲中点里程

YZ=QZ+L/2；%圆直点里程

由此程序即可得到曲线要素和圆曲线主点里程值。

2.2Matlab在误差理论与测量平差基础教学中的应用

误差理论与测量平差基础是测绘专业课程当中一门非常重要的专业基础课程，通常在大二下学期向测绘工程专业开设，学生对该门课程知识掌握的好坏，会直接影响其它专业课程的学习，也会关系到测绘工程专业人才培养的质量。它涉及到多门数学课程，具有理论性强，公式复杂，难度大等特点，过多的理论公式推导容易使学生感到枯燥无味，另外，平差中的实例往往计算量较大，课时有限，不能讲得透彻，若能通过计算机语言进行编程计算，则可大大节约时间，使学生能分配更多的时间和精力去理解原理和方法[2]。这些决定了学生必须掌握一定的计算机编程知识，而matlab简单易学，容易上手出成果，对于一般本科院校学生来说，是最适合学习并应用于测量平差。

下面以间接平差为例，介绍matlab在误差理论与测量平差基础教学中应用的优势。采用文献[3]中7-1的水准网平差为例，应用Matlab进行程序设计和计算，具体程序代码如下：

HA=237.483；%已知点A的高程，单位为米

l=[5.835；3.782；9.640；7.384；2.270]；%观测高差

B=[100；-110；010；01-1；001]；%系数矩阵

C=1；

S=[3.5，2.7，4.0，3.0，2.5]；%路线长度

P=C./S；

P=diag（P）；%权阵

x=inv（B'*P*B）*B'*P*l；%未知数近似值的改正数

V=B*x-l；%观测值的改正数

Lp=L+V；%观测值的平差值

HB=HA+Lp（1）；%B点的高程

HC=HA+Lp（3）；%C点的高程

HD=HA+Lp（5）；%D点的高程

由以上程序即可得到未知点B，C，D的高程值分别为243.330m，247.121m，239.746m。由上可以看出利用matlab来处理平差问题，简单清晰，便于学生进行学习理解。如果要显示某个值，去掉语句后面的分号即可。

2.3Matlab在数字图像处理教学中的应用

图像处理是一门实践能力要求较高的课程，是通过计算机对图像进行处理的一门学科[4]。图像处理主要包括图像的基本运算（如像素运算、几何变换、领域和块操作），图像增强，图像复原，图像分割，图像变换等等。而Matlab中有丰富的工具箱可供图像处理这门课程使用，且操作简单，能让学生更快掌握本门课程。下面介绍一些简单的实例，程序具体如下：

clc

I=imread（'fruit.jpg'）；

J1=imrotate（I，30）；%图像旋转

figure（1）；

imshow（J1）；

title（'fruitimrotate'）；

J2=edge（I，'sobel'）；%边缘检测

figure（2）；

imshow（J2）；

title（'fruitedge'）；

通过以上程序可以得到旋转后和边缘检测后的图像，效果明显，带有视觉的享受，学生易于理解和接受，能极大地提高学生的积极性。

3.结束语

将Matlab应用于测绘工程专业的《测量学》、《误差理论与测量平差基础》、《数字图像处理》等这几门需要进行大量数据处理的专业基础课程，可辅助教学，取得良好的效果。Matlab中强大的科学运算、工具箱中简单实用的函数、清晰的程序设计语句及高质量的图形可视化与界面设计，既可节约课堂讲解的时间，也可将老师和学生从繁琐重复的数值计算中解脱出来，用更多的时间讲解和学习理解理论知识，不仅可提高教学效果，且能激发学生的学习兴趣，培养学生利用科学计算方法解决工程实际问题的科学素养及创新思维。同时，也对提高测绘工程专业课程的教学水平和质量，推动各门课程的发展起到积极的作用。因此，将Matlab与测绘工程各专业课程结合起来，进行教学方式和手段的改革，是提高教学质量和培养层次的重要手段，是我校测绘工程专业教学改革的方向之一。

参考文献：

[1]王永弟.Matlab在测量数据处理教学中的应用[J].地理空间信息，2013，03：169-170.

[2]潘雄，付宗堂.Matlab软件在测量平差教学中的应用[J].测绘工程，2007，01：76-78.

[3]武汉测绘科技大学测量平差教研室.误差理论与测量平差基础[M].武汉：武汉大学出版社，2003.

[4]常靓，陈志国.Matlab在图像处理教学中的应用[J].黑龙江科技信息，2008，26：78.

作者简介：

肖琴琴，女，1988年生，研究生。

基金项目：湖南城市学院2015年校级教学改革研究项目，项目名称“测绘和非测绘专业测量实践教学的探讨”，编号为29