《工程测量学》是针对工程测量专业高年级学生开设的一门应用性和综合性较强的专业课程，其内容涵盖工程、工业和城市建设以及矿区资源开发各个阶段的地形和有关信息的采集和处理方法，施工放样、设备安装、变形监测分析和预报等的理论、方法和技术，以及对测量和工程有关信息进行管理和使用的理论与方法。随着现代社会和人类文明的高速发展，工程测量学的服务范围不断扩大，对其理论与技术方法提出了更高要求^[1-5]。

目前，高校教学普遍存在教材建设和课程建设滞后、实验项目难以全面开展、课时总量不断压缩，以及讲授与实践脱节等问题，因此，提高课程的授课效率和学习效能成为该课程教学改革的当务之急。正是基于这种背景，目前多数高校在课堂教学之外，增设了大型集中参观实习和综合性课程设计，如武汉大学测绘学院将该课程的集中教学实习和大型综合课程设计各设置2周。本系统正是针对该课程综合设计环节，并不同程度地满足学生对该课程的自主学习而设计开发的^[6-12]。

1 系统需求分析与总体设计 1.1 系统需求分析

武汉大学研究开发的地面测量工程控制测量数据处理通用软件包(COSA_CODAPS)具有任意平面网和水准网平差、粗差探测剔除等功能，能够进行工程控制网模拟计算分析与优化设计。但该课程涉及众多工程测量任务，若对每项任务的设计与练习都借助于不同的专业软件，则不方便对设计成果数据进行管理与使用。本文在分析总结已有相关软件功能的基础上，设计开发可满足《工程测量学》综合课程设计主要内容的课程设计系统。

1.2 系统总体设计

《工程测量学》课程设计是课堂教学的延伸，旨在强化该专业学生的工程概念，提高教学效率和学习效能。按照该课程纵向理论方法与横向工程技术相结合的课程体系，课程设计主要内容应覆盖工程控制网优化设计、线状工程曲线测设、纵横断面测绘和工程土方量测算等方面。基于上述思考，并考虑到软件便于对数据的管理和使用，该系统设计包含5大模块，可实现数据存取和成果文档管理等功能。《工程测量学》课程设计的总体设计如图 1所示。

2 系统功能模块设计

本系统基于误差理论、大地测量学和工程测量学等理论，实现工程控制网优化设计、曲线测设等工程测量设计与应用功能。系统共包括平面网模块、水准网模块、曲线测设模块、纵横断面模块和土方量模块，各模块又由若干子模块组成，如平面网模块分为数据初始化模块、精度计算模块、数据管理模块和方案优选模块。

2.1 平面控制网优化设计模块

随着工程测量技术和计算机技术的应用，工程控制网布设更加方便灵活，其优化设计更加简单易行，机助模拟优化设计方法已全面取代4类优化设计和解析法优化设计方法。

该方法对于初步确定的网形与观测精度，模拟一组起始数据与观测值，根据平差原理计算出未知参数及其函数的精度和可靠性信息并估算成本，与预定的精度与可靠性要求、成本约束条件进行比较；根据平差计算结果与设计者的经验，对控制网的网形进行修正，并重新进行精度计算，直至获得符合各项设计要求的设计方案。

2.2 水准网路线优化设计模块

工程中的水准网采用一二三四等水准测量方法布设和施测，应统一到国家高程系，遵照相应的规范执行。水准路线优化设计就是在符合测量设计规范的前提下，实地考察和机助选点相结合，实时动态地设计水准环线的最短路线。路网节点记录其在规定坐标系中的坐标值，考虑到路网节点数量较多，采用邻接表网络拓扑数据结构存储邻接点信息。本模块基于Dijkstra算法确定两节点间的最短路径，其基本思想是：把节点集合V分成两组，一组为已求出最短路径的顶点集合S，另一组为未确定最短路径的顶点集合U，在保持从源点集V到S中各顶点的最短路径长度不大于从V到U中任何顶点的最短路径长度的前提下，按最短路径长度的递增次序依次把第二组的顶点加入S中。按该算法遍历路网所有节点后，即可得到最短水准路线。

2.3 线状工程曲线测设模块

受地形和地质等因素的影响，公路和铁路等线状工程走向一般都是由直线段和曲线段组成，涉及到曲线类型选取、曲线参数、曲线坐标和放样数据的计算。考虑到曲线类型的实际应用情况，并便于学生能扎实掌握不同测设方法对应测设数据的计算流程，本模块主要包括圆曲线、缓和曲线、竖曲线和回头曲线几种类型，测设方法则选取偏角法、极坐标法、自由设站法等方法，可实现数据输入、测设数据计算、图形显示和成果文件输出等功能。

2.4 线路纵横断面绘制模块

纵横断面图可描述线路沿线方向和曲线控制点、公里桩、桥隧两端、挡土墙垂直于线路中线方向的地面起伏情况，不仅作为线状工程测量的重要基础资料，而且可作为道路和管线设计依据，路基、隧道、桥涵、站场设计及土石方量的计算依据；河道横断面图则可应用于河道演变规律研究，在水利工程中计算回水曲线和了解枢纽上下游地区的河道形状以及河道清淤方量的估算。随着线路勘测设计一体化技术的发展，纵横断面图的自动化绘制显得尤为重要。本模块主要针对线路、河道和管线3种工程应用类型设计，不同工程类型导入数据的格式不同，以公路测量为例，需输入设计高程以及曲线参数等数据，数据格式如下：

200, 5.1, 1, 1000, 0.31, 25

350, 4.6, 0, 1000, 0.1, 15

……

前两位对应点的里程和高程；第3位是偏角方向：1代表向右偏转，0代表向左偏转，表示纵断面图在圆曲线处的走向；后面3位分别是圆曲线半径、曲线外矢距、圆曲线切线长。用符号显示为(下凸)、(上凸)。

2.5 工程土石方量测算模块

土方量估算方法包括断面法、等高线法、方格网法、DTM法和平均高程法，各有其适用情形和优缺点，应根据工程要求和地形情况选择相应的计算方法。

3 系统功能实现

开发平台选取Visual Studio 2010，考虑到CLR环境下.NET Framwork类库更安全的功能特征，以及本地C++在运算的过程中执行效率高有利于测量平差等复杂计算的特点，本系统以CLR环境下的托管C++与本地非托管C++相混合的方式编写程序代码。由于组件混合过程中会造成一定的性能损失，在编码过程中尽量减少托管与非托管C++代码组件之间的通信，以保证程序安全性，并提高执行效率。系统主界面除上述5大模块外，还设置了“文件”菜单，包括“新建项目”、“打开项目”、“保存项目”和“退出”4个菜单项，用以存放和读取生成的成果文件和成果图。

平面网设计模块输入、输出界面如图 2(a)所示，输入底图并配准后，可在图上通过选取未知点设计平面控制网图形，输入设计平面网等级和仪器参数后点击模拟观测，可生成模拟观测值并进行相应的精度评定，并显绘点位误差椭圆；在一定的精度准则下，即可优选最佳方案。

水准网路线设计模块则可通过导入水准点数据或手动增删水准点构成并编辑水准环线，通过最短路径运算生成最短线路，并显示路径水准点、环路长度、总环路长度和测量路线长度，如图 2(b)所示。

曲线测设模块中采用偏角法对缓曲线进行测设数据计算和图形显汇，结果如图 2(c)所示。

纵横断面绘制时，点位数据来自全站仪或RTK，设计里程文件和坐标文件两种格式，高程数据来自中平测量，根据不同线状工程类型以及其他参数要求绘制断面图。该模块界面和地下管线纵断面图绘制结果如图 3所示。

4 结束语

本文从测绘工程专业引用型创新人才培养和《工程测量学》课程教学需要出发，设计开发工程测量课程设计系统，实现了工程控制网优化设计、曲线测设、断面绘制和土方量估算等功能。该系统在苏州科技大学空间信息与测绘工程系教师指导下，历时3个教学周期，投入约10名学生进行系统开发完善与试用，操作简便，界面友好，可有效培养学生的工程设计与实践技能。

本系统在控制网图形智能化桌面设计、导入数据格式兼容性、模块间数据通讯等方面尚存在不足，需要在今后的使用过程中不断总结并逐步完善。