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【關鍵詞】地質測繪;測繪技術;應用;發展
引言
地質的測繪主要是運用地質相關的理論對工程項目的建設及地質進行精密的觀測和分析,了解對于建筑區各個工程地質的內在條件和它們之間的密切關系,然后按照測繪比和論文的尺寸把它們更好地繪制在圖紙上,并且通過勘測和試驗等編制成工程地質圖,作為工程勘測的首要的資料,供給對于項目各個部門的參考。對于長期的地質測繪它依靠于經緯儀、平板儀、水準儀這三種較為局限的應用,在未來的發展中,逐漸的采用了相對來說較為先進的技術設備和設計的理念。現代的地質繪圖技術主要依賴于衛星導航定位系統、遙感勘測技術和地理信息系統技術。
1、工程地質測繪
工程地質測繪是巖土工程勘察的基礎工作,在諸項勘察方法中最先進行。按一般勘察程序,主要是在可行性研究和初步勘察階段安排此項工作。但在詳細勘察階段為了對某些專門的地質問題作補充調查,也進行工程地質測繪。
工程地質測繪是運用地質、工程地質理論,對與工程建設有關的各種地質現象進行觀察和描述,初步查明擬建場地或各建筑地段的工程地質條件。將工程地質條件諸要素采用不同的顏色、符號,按照精度要求標繪在一定比例尺的地形圖上,并結合勘探、測試和其他勘察工作的資料,編制成工程地質圖。這一重要的勘察成果可對場地或各建筑地段的穩定性和適宜性做出評價。
根據研究內容的不同,工程地質測繪可分為綜合性測繪和專門性測繪兩種。綜合性工程地質測繪是對場地或建筑地段工程地質條件要素的空間分布以及各要素之間的內在聯系進行全面綜合的研究,為編制綜合工程地質圖提供資料。在測繪地區如果從未進行過相同的或更大比例尺的地質或水文地質測繪,那就必須進行綜合性工程地質測繪。專門性工程地質測繪是對工程地質條件的某一要素進行專門研究,如第四紀地質、地貌、斜坡變形破壞等;研究它們的分布、成因、發展演化規律等。所以專門性測繪是為編制專用工程地質圖或工程地質分析圖提供資料的。無論何種工程地質測繪,都是為工程的設計、施工服務的,都有其特定的研究目的。
2、現代測繪技術的應用
現代測繪技術作為一門新的信息科學在經濟和社會可持續發展的諸多領域正發揮著愈來愈大的作用。在這里主要介紹現代測繪技術在礦山測量方面、濕地方面、水利工程方面和地理信息系統的發展情況。
2.1礦山測量方面
遙感技術在礦山測量中的應用已經歷了較長的時間,并積累了豐富的經驗。應用遙感資料,可獲取礦區實時、動態、綜合的信息源,對礦區環境進行監測,為礦區環境保護提供決策支持。遙感資料用于找礦、礦區地質條件研究、煤層頂底板研究等方面都已得到應用,所有這些,都說明遙感技術應用于礦山測量是礦山測量實現其現代任務的重要保證。
2.2濕地方面
利用遙感技術對濕地生物資源的分布、生長狀況及其變化進行估測。利用遙感技術多層次、多時相的動態監測功能獲得及時可靠的數據,通過地理信息系統技術進行相關數據的實時更新,并對這些數據進行空間分析,可得到濕地的動態變化情況。
2.3水利工程方面
遙感技術能夠實時地對大江、大河和湖水水位進行監測,可實時監測洪水災害面積。RS和GIS集成能及早預報洪水淹沒范圍和干旱災情范圍,為防災、抗災提供準確信息。在水利樞紐工程竣工后,需對水庫大壩、大型橋梁等進行連續的、精密的監測。現代測繪技術提供了連續、實時的安全運行監控手段。
2.4地理信息系統的發展
從系統角度看,在未來的幾十年內,地理信息系統(GIS)將向著數據標準化(Interoperable GIS)、數據多維化(3D&4D GIS)、系統集成化(Component GIS)、系統智能化(Cyber GIS)、平臺網絡化(Web GIS)和應用社會化(數字地球DE)的方向發展。Interoperable GIS 互操作地理信息系統(Interoperable GIS)是GIS系統集成平臺,它實現在異構環境下多個地理信息的系統或其應用系統之間的互相通信和協作,以完成某一特定任務。Web GIS 基于WWW的地理信息系統(Web GIS)是利用Internet技術在Web上空間信息供用戶瀏覽和使用。Digital Earth 它是對真實地球及其相關現象統一性的數字化重現和認識,其核心思想是用數字化手段統一地處理地球問題和最大限度地利用信息資源,從而完成數字地球的核心功能,光纜、衛星通信技術以及計算機網絡等技術則完成海量空章數據的傳輸任務。
3地質測繪技術發展
3.1大地控制測量。
控制測量是地質測繪的基礎,地質礦區布設平面控制的方法,一是在國家一、二等三角控制下進行三、四等三角點的加密,另一是在國家一、二等三角點下不能加密情況下布設獨立的三、四等三角或五秒小三角鎖網作為礦區基本“平面控制.獨立的三角鎖網必須測定鎖網的起算邊長。我單位在上世紀末期引入載波靜態相對定位技術即多臺套GPS接收機結合后處理軟件以來,精密控制測量就不再限制于通視條件、距離條件這些因素,控制測量的工作模式有了很大的改觀,對于相對獨立斷點分布的礦區工程點不再需要長遠距離的測三角鎖從其他地方引入控制點,只需從起算點采用邊點連接跳躍式地可以直接引入到測區,極大地簡化了工作步驟,節省了時間和人力。
3.2地形測量技術。
地形測量的加密圖根控制,傳統的方法是在礦區基本控制點下布設測角圖根線形鎖及測角交會點,現在則采用導線測量、GPSRTK模式,極大地減少工作量,也提高了精度。
地形測量是地質測繪工作重要的任務,長期以來的測圖方法,以大平扳儀測圖,至今在大比例尺地形測圖中仍然是普遍采用的主要手段之一。但是占主導地位的已經是全野外數字化測量了,采用全站儀、RTK一天的工作量已是大平板儀所不能比擬,完全不可同日而語了。
4、結語
現代科學技術發展的綜合化整體方向極大地影響著現代測繪科學的發展趨勢,這種趨勢表現在現代測繪新理論的概括性增強,測繪新技術的技術綜合程度提高,各專業學科之間的相互交叉與滲透,測繪學與其它門類科學的聯系增強加大,測繪學吸收和移植其它學科成果的速度加快,這種學科內外的綜合化發展,將使現代測繪學不斷開拓出新的領域。測繪將成為構建“數字地球”、“數字中國”的主力軍。
5、參考文獻:
[1]曹幼元,賀躍光. PDA GPS在地質測繪中的應用[J].測繪技術裝備,2005,(4).
[2]魏建華,張展,許月光.工程地質測繪中的幾個研究對象[J].黑龍江水利科技,1999,(4).
關鍵詞:三維激光掃描 點云 數據處理 三維建模
中圖分類號:P258 文獻標識碼:A 文章編號:1007-9416(2013)01-0085-02
1 概述
三維激光掃描技術又稱作高清晰測量(High Definition Surveying,簡稱HDS),它是利用激光測距的原理,通過記錄被測物體表面點的三維坐標信息、反射率、紋理等信息,將被測實體和場景的三維數據完整地采集到電腦中,進而快速復建出被測目標三維模型及線、面、體等圖件數據。
項目位于內蒙古敖侖花銅鉬礦露天采場,面積約1平方公里,掃描區域如圖1。作業要求:全野外三維點云數據采集、填挖方量計算、1:2000地形圖、建立三維模型、生成三維視頻。
2 三維激光掃描系統的原理
脈沖式三維激光掃描儀工作原理是激光器發射出單點的激光,通過記錄激光的回波信號,計算激光的飛行時間,來計算目標點與掃描儀之間的距離。這樣連續地對空間以一定的取樣密度進行掃描測量,就能得到被測物體的密集的三維彩色散點數據,稱作點云。三維激光掃描儀通過脈沖測距法獲得測距觀測值S,精密時鐘編碼器同步測量每個激光脈沖橫向掃描角度觀測值α和縱向掃描角度觀測值θ。三維激光掃描一般使用儀器內部坐標系統,X軸在橫向掃描面內,Y軸在橫向掃描面內與X軸垂直,Z軸與橫向掃描面垂直,由此可得點云坐標(XS,YS,ZS)的計算公式,如圖2、3所示。
3 儀器介紹
本項目點云采集三維激光掃描儀,圖4。
此儀器是當今最先進的三維激光掃描系統之一,它是一種高速脈沖式掃描儀,特點如下:
(1)完全的視場角:掃描視場角為水平360°,垂直270°,可獲取頂部,垂直方向、水平方向和水平方向以下區域的數據;(2)測量級精度的雙軸補償器:可架設在已知點上進行導線測量、可輸入點坐標來放樣、精度1”,補償范圍+/-5’;(3)基于標準反射率表面工作距離:300m-90%反射率;134m-18%反射率;(4)高速掃描:掃描速度可達50000點/秒;發射的光斑大小為50m處恒定3mm,大大提高了掃描的速度和精度。(5)測量級精度如表1。
4 Scanstation2外業三維數據掃描
三維點云數據采集,關鍵步驟如下:
4.1 外業踏勘
首先,要進行現場踏勘、制作掃描規劃草圖,規劃的內容包括:外業操作人員、掃描區域和時間、站點設置、標靶位置等。其次,科學設站,在保證儀器發揮最大功效的同時,應避免重復掃描,另外,后期如進行標靶拼接,一定要設計好下一站標靶的位置以確保兩站標靶通視,如進行點云拼接,設站要盡量采集到較多的特征點。最后,標靶設置要規范,標靶擺設要穩固,盡量不要共線,同時標靶的位置最好設置在兩站公共空間的最大距離處,以保證拼接精度。
4.2 外業掃描
外業點云數據掃描,主要步驟如下:(1)連接掃描儀和電腦,設置IP地址;(2)添加數據庫,確定數據存儲位置;(3)添加掃描儀,設置掃描儀參數,主要包括:照片曝光率、掃描范圍、點云間隔密度等;(4)選擇掃描數據存儲的位置并連接掃描儀;(5)三維點云數據及標靶掃描。
5 點云數據處理
在Cyclone系統軟件內進行,步驟如下:
5.1 剔除噪音點
在掃描過程中,由于受掃描系統本身的系統誤差,如數據采集時激光雷達旋轉引起的抖動、在掃描過程中雜散光和被測物體表面粗糙程度、波紋、表面材質等因素及外界環境影響,會產生不屬于掃描實體本身的冗余數據,稱為噪音點,如圖5,6,為了保證數據計算及模型的精度,在數據拼接之前需進行噪音點剔除。
5.2 點云拼接
每站掃描的數據都是獨立的自由坐標系統,坐標系原點為掃描儀鏡頭,其X方向為掃描儀開機時的鏡頭朝向。因此為了統一坐標系,需將各站數據進行拼接處理。拼接的思路是先將每天各測站的數據拼接成一個整體,然后將各天的數據進行拼接。
(1)點云拼接原理:外業掃描時用全站儀測得標靶的真實三維坐標,各測站掃描時均兩兩包含三個以上不共線同名標靶,利用各測站間的同名點將各測站數據拼接在一起。
(2)點云拼接方法:共有四種方法:在已知點上設測站掃描(即坐標拼接)、使用標靶將數據轉換到統一坐標系中(即標靶拼接)、用點云匹配的方法將點云轉換到統一坐標系中(即特征點云拼接)、綜合使用上述三種方法。
第一種方法屬于直接法地理坐標轉換。與傳統的測量方法一樣,首先進行控制測量,獲得控制點坐標,掃描時在已知點上設站,掃描相當于碎部測量。第二和第三種方法屬于間接法的地理坐標轉換。首先用至少三個公共點來將相鄰測站的點云進行拼接,公共點可以是專用標靶或特征點(如窗戶的邊角、房角等)。
5.3 點云建模
建模的過程是在Cyclone軟件下利用海量點云進行精確計算、擬合幾何物體的形狀,精確表現掃描物體。礦區掃描點云數據如圖7。
點云經過剔除噪音點、拼接、構建TIN三角網,生成Mesh三維模型。如圖8所示。
5.4 成果輸出
(1)地形圖制作:在Cyclone下利用Mesh三維模型自動生成等高線如圖9,將點云與等高線導出,在CAD中制作1:2000地形圖。
(2)填挖方量計算:項目采用了兩種計算方法,一是利用點云數據構建三角網,用方格網法計算;二是在Mesh模型中選定參考面,設置取樣間隔,計算土方量,如圖10所示。
在Cyclone系統里,應用Mesh三維模型計算時,取樣間隔的數值可以設置成0.01至1米之間,均可保證土方量計算又快又準,但如采用傳統的方格網法計算,取樣間隔即使設置到1米,也是相當費時費力的。
6 結語
本項目采用世界先進的三維激光掃描系統采集三維點云數據,在Cyclone系統里進行數據處理、模型制作,采用兩種方法計算土方量,通過與傳統測量方法相比,得出以下結論:
(1)數據采集速度快,ScanStation2的掃描速度是50000點/秒,短時間就可完成大區域面積內三維點云數據的采集,既節約成本又提高了工作效率;(2)激光三維掃描,不需要接觸被測物體,且是根據物體的反射率和材質來采集數據信息,可進行全天候掃描;(3)點云數據完整精確,在軟件下可進行多視角、三維可視化漫游瀏覽,方便、直觀;(4)三維激光掃描儀獲取的點云數據信息量豐富,既包含被測物體X,Y,Z坐標信息,還包括RGB顏色及反射率信息,后期對矢量數據可進行深挖掘及研究應用,一舉多得;(5)應用三維點云數據可以提取任何線性特征,可以出任意比例的二維圖,也可以在圖上量取任何想要得到的信息,在保證高精度的同時還大大提高了生產效率,這是目前現有的方法中所不能比擬的。
參考文獻
[1]李濱.徠卡三維激光掃描系統在文物保護領域的應用[J].測繪通報,2008年第6期.
[2]李清泉.三維空間數據的實時獲取、建模與可視化[M].武漢大學出版社,2003年.
[3]田慶.地面激光雷達數據的分割與輪廓線提取[C].北京建工大學碩士論文,2008年.
近5年學校獲得8項國家科學技術進步獎、國家技術發明獎
2010年國家科學技術進步二等獎獲獎項目
特大異型工程精密測量與重構技術研究及應用
該項目在國家“十五”科技攻關項目、北京市自然科學基金、奧運工程、故宮古建筑大修等項目的支持下,率先開展了特大異型工程精密測量與重構技術研究;提出了快速精密“按需建網”的控制測量理論與技術,研制了基于經緯儀、全站儀以及數碼相機為傳感器的高精度三維坐標測量系統,基于地面激光雷達的精密三維重構技術,發明了專用測量裝置,制定了相關技術標準,整體技術達到國際先進水平。本項目相關成果獲省部級科學技術金獎1項、一等獎3項、二等獎3項;已申請國家發明專利10項,其中授權7項,獲軟件著作權2項,68篇(其中EI 9篇),出版專著3部,制定行業標準3項。
本項目已在國家大劇院、“鳥巢”、水立方、國家體育館、首都機場新航站樓、CCTV新址、探月工程50米天線、北京國貿大廈、武廣客運專線、故宮古建筑大修、全國地鐵建設等大中型工程中得到應用,經濟效益達到7億多元,為北京奧運會、探月工程等國家重大工程項目作出了突出貢獻。
2011年國家科學技術進步二等獎獲獎項目
固體廢棄物循環利用新技術及其在公路工程中的應用
該項目屬交通運輸工程領域,針對國家節能減排的重大需求,解決了道路建設中廢舊瀝青混合料、廢舊橡膠輪胎、鋼渣、建筑垃圾等代表性固體廢棄物在公路中高摻配率循環利用的關鍵技術難題,形成了生產線與試驗示范基地,實現了固體廢棄物的高效循環利用。本項目已獲得授權發明專利4項、實用新型專利6項、受理發明專利申請7項,編制國標4部、行業規范4部,相關技術已在全國18個省市的32個國家和省級重點工程中成功應用。近3年來,本項目取得直接經濟效益21億元,累計經濟效益33億元,引領了交通運輸、建筑、鋼鐵等行業的技術進步。
2012年國家科學技術進步二等獎獲獎項目
地下工程開挖誘發災害防控關鍵技術開發及應用
近年來,我國地下空間開發迅速發展,僅城市軌道交通行業每年新增里程就達150公里以上,市政基礎設施等大型穿越工程顯著增加。確保開挖、運營以及相鄰構筑物的安全是地下工程建設的技術核心,本項目針對大型地下工程開挖領域的超近結構物隔離保護、風險辨識與控制、災后結構恢復等重大技術難題,展開了長達15年的科技攻關。
在國家自然科學基金重大項目等支持下,本項目通過關鍵技術的開發與應用,取得了階段性成果19項,授權專利8項(其中發明專利6項),軟件著作權7項,發表相關學術論文116篇,形成地方標準2部,所取得的技術成果已經在“首都機場滑行道穿越工程”等國家重點工程中得到廣泛應用。
代表性建筑與古建筑數據庫教育部工程中心
代表性建筑與古建筑數據庫教育部工程中心依托北京建筑大學測繪工程、地圖制圖與地理信息工程等學科,于2009年12月經教育部批準建設。
工程中心圍繞我國代表性建筑和古建筑遺產保護與利用的迫切需求,發揮與國內古建筑數據庫生產企業聯合的產學研優勢,通過研究開發與工程化的環境建設,構筑起代表性建筑與古建筑數據庫技術的工程能力平臺;建立并完善工程化產業化的體制及運行機制;建設國內領先具有國際競爭力的代表性建筑與古建筑數據庫技術研發與工程化產業基地。
工程中心的主要研究方向和內容:
建筑三維空間數據獲取系統與技術:研制擁有自主知識產權的三維激光掃描儀,研制以數字近景攝影測量與掃描系統為代表的數據采集設備,形成一個能夠以多種手段獲取代表性建筑與古建筑的各種空間幾何、影像紋理、點云等多源數據的系統。
面向古建筑等大型復雜對象的逆向三維建模軟件與技術:對采集的點云數據進行逆向,包括數據處理構建點云模型、根據點云模型提取構成建筑構件的結構實體幾何(Constructive Solid Geometry— CSG)模型、基于點云模型構建建筑表面的三維不規則三角網(3D-TIN)模型、在CSG模型或者3D-TIN模型上加載影像紋理構成建筑的仿真模型4個步驟。
代表性建筑與古建筑數據庫管理系統與技術:數據庫中要包含空間數據與非空間數據,還有文學數據、歷史數據、影像數據等。要設計一種能夠管理、查詢、顯示和利用這些數據的數據模型和結構,構成代表性建筑與古建筑的數據庫系統。
代表性建筑與古建筑數據庫的應用技術:將數據庫應用于建筑遺產生命過程分析、建筑遺產備災數據庫、數字化建筑遺產復原研究、推動建筑學的實境化教學、國際化的建筑數據交換平臺等5個方面。
基于文獻的歷史建筑復原研究數據庫:將中國歷史不同時期建筑的資料與文獻數據重建為歷史建筑的代用數據,并使用現代信息獲取、存儲與可視化技術,提取各個朝代特色建筑的豐富資料成為數字化信息,進而建立一個較完善的、可共享的歷史建筑檔案數據庫。
建筑信息存儲與交換數據標準:建立富有建筑行業特色的歷史建筑和特色建筑數據庫,以及國內首個歷史建筑和特色建筑數字檔案信息交換及應用平臺。
近幾年,該中心獲得國家科學技術進步二等獎1項,省部級獎勵8項。
城市雨水系統與水環境省部共建教育部重點實驗室
城市雨水系統與水環境省部共建教育部重點實驗室依托北京建筑大學環境工程和市政工程、環境科學等學科建設,于2009年12月經教育部批準成立。實驗室立足北京,面向全國,緊緊圍繞我國城市化快速發展進程中水環境污染控制和綜合治理中的突出共性問題,以城市雨水系統為切入點,以可持續水循環為引領,以建立健康的城市水環境為目標,以揭示城市水環境水量水質保障各環節的科學機理為支撐,在城市雨洪控制與利用、水質凈化與環境風險評價、水資源再生利用與節水、水資源優化配置與管理領域,通過環境工程和市政工程、環境科學等學科之間的相互交叉和滲透,重點開展跨學科創新性應用基礎研究。
重點實驗室主要研究方向及研究內容:
城市雨洪控制利用與水環境生態修復:城市雨水系統發展戰略與規劃設計評估模型工具研發;城市雨水產匯流特征及其對水環境響應機理研究;城市雨水資源化利用理論與技術;城市雨水徑流污染控制理論與生態處置技術研究;城市雨水管理政策與制度設計研究;城市雨水系統的信息化管理 。
污水處理及其資源化:污水處理系統的數學模擬優化與數字化智能決策控制系統 ;可持續污水生物營養物去除回收反應過程和機理;高效低耗的污水再生處理新工藝;污水生物處理系統中的內源過程機理研究;污水資源化回用的環境與健康風險評價原理與方法研究。
城市節水與水系統優化管理:城市生活公共建筑節水技術研究;城市工業再生水利用技術研究;城市規劃對城市節水影響機理研究;城市工業節水潛力分析和技術集成;城市工業和公共建筑節水相關定額研究。
目前,實驗室共承擔科研項目200余項。其中,國家自然科學基金10項,國家重大科技專項課題/子課題6項,國家“863計劃”課題1項,省部級項目30余項。近年來,實驗室承擔各類企業合作與社會服務項目200余項。包括:北京市東方太陽城水環境系統與雨水利用工程、數字化污水處理廠的建設研究方案、龍潭湖節水和再生水利用的研究與示范等。
現代城市測繪國家測繪地理信息局重點實驗室
該實驗室依托北京建筑大學與建設綜合勘察研究設計院有限公司,于2011年9月被國家測繪地理信息局批準建設。實驗室憑借學校測繪科學與技術學科優勢、人才培養優勢和建設綜合勘察研究設計院有限公司的建設行業優勢,面向城市規劃、建設、管理和文化遺產保護需求,通過產學研聯合,實現優勢互補,研究構建現代城市測繪地理信息理論方法和技術體系,為城市運行管理和文化遺產保護提供特色服務,為政府提供決策支持,為公眾提供信息服務,為企業運營提供技術服務。實驗室將逐步建設成為現代城市測繪地理信息領域的高水平研究平臺。通過營造一個創新、開放、和諧的實驗室學術環境,培養在主要研究方向上具有國際、國內先進水平的中青年優秀科學家、學術帶頭人和優秀創新團隊,形成高層次學術交流、成果培育轉化和人才培養基地。
重點實驗室主要研究內容:
現代城市測繪技術體系與標準化:基礎測繪方面:研究大地基準現代化、城市三維測量與建模的理論與方法;在攝影測量與遙感方面,主要研究多源對地觀測數據高可靠高精度處理、高效能網絡分布式光學遙感數據一體化處理、傾斜攝影與面陣攝影測量技術、多模式合成孔徑雷達攝影測量、激光雷達數據處理及其與攝影測量數據融合、遙感數據智能解譯等;在地理信息系統方面:主要研究地圖智能綜合與質量控制、地理信息自動化數據挖掘與知識發現、時空數據通用模型與一體化管理、地圖數據級聯更新、地理信息智能服務等。要大力推進地理信息數據處理關鍵技術攻關,加強測繪生產技術裝備建設,建設地理信息服務體系,研究制定測繪基準框架,通用和專用標準。
城市地理信息理論、方法及應用:重點研究網格化城市管理的理論、方法和技術體系;研究城市突發事件應急指揮和城市運行保障的策略、模型、方法和技術;研究構建城市歷史多源空間信息共享與服務系統平臺的相關理論和技術方法;研究城市空間信息應用與共享服務模式,發展面向網格化、精細化城市運行管理服務的空間信息支撐技術,探索基于空間信息的城市建筑生命周期管理新方法。
建筑精細測量與重構重點研究城市建(構)筑物精細測量技術:為建筑施工進行精密放樣、建筑運營進行質量監控和安全監測服務;文化遺產精細三維重構技術,為文化遺產數字化保護和利用服務。
近年來,學校重點實驗室獲得多項省部級以上科技獎勵。“特大異型工程精密測量與重構技術”獲得2010年國家科技進步二等獎;“三維激光掃描測量建模技術研究及在故宮古建筑測繪中的應用”獲得2009年測繪科技進步獎一等獎;“國家體育場精密施工測量技術研究與實踐”獲得2008年測繪科技進步獎一等獎,同時榮獲2008年度“全國優秀工程勘察設計金獎”。
供熱、供燃氣、通風及空調工程北京市重點實驗室
供熱、供燃氣、通風及空調工程北京市重點實驗室依托北京建筑大學環境與能源工程學院供熱、供燃氣、通風及空調工程學科,是經北京市教育委員會、北京市科學技術委員會評審和認定的首批北京市重點實驗室,于2001年6月成立,2009年12月通過第二期建設項目驗收,2010年9月進入第三期建設。
重點實驗室主要研究方向:
燃氣綜合高效利用技術:包括研究燃氣綜合高效利用技術、天然氣梯級高效利用技術、集中供熱和區域供冷技術、城鎮建設和新農村建設所應用的新能源和可再生能源應用等相關技術。
供熱空調制冷系統與設備節能技術:包括研究供熱系統量化管理節能技術、空調用冰蓄冷技術、大型公共建筑用能系統監測和優化技術、淺層地熱和水源熱泵技術等。
室內環境質量檢測與控制技術:包括研究室內空氣品質的檢測方法、室內空氣品質控制手段相關技術、室內空氣品質改善技術。
建筑節能綜合應用技術研究:包括研究降低建筑用能系統、能源輸配系統能耗并提高能效技術、監測和優化管理建筑用能技術、改善建筑圍護結構或建筑構件熱工性能技術、實現可再生能源在建筑中的規模化應用技術、發展綠色建筑和實現建筑節能減排相關技術。
近5年來,承擔科研項目125項,科研經費2,228萬元。其中,國家自然科學基金4項,“863計劃”子課題1項,“十一五”子課題7項,國際合作項目5項。實驗室已完成的研究成果中,許多已直接應用于北京市場,內容涉及旋流式煙氣除塵器、低污染催化燃燒爐、煙氣熱能回收器、低溫空氣源熱泵系統、室內環境質量檢測等,同時申請多項發明專利及實用新型專利。
綠色建筑與節能技術北京重點實驗室
綠色建筑與節能技術實驗室是2010年由北京市教育委員會、北京市科學技術委員會批準建設的北京市重點實驗室。實驗室的建立主要為北京市城市建設發展中所遇到的環境和資源方面的問題、可持續發展方面的問題提供科技支持。實驗室以“人文北京、科技北京、綠色北京”為服務方向,將建筑學、土木工程、材料科學與工程、環境工程等多學科進行交叉與融合,結合北京的城鄉建設需求,致力于基礎研究、應用基礎研究、關鍵技術研發,促進當前與未來城鄉建設中以可持續發展為模式的建筑事業發展。
重點實驗室主要研究方向和課題:
綠色建筑設計與施工關鍵技術研究:綠色建筑規劃評估理論與應用;既有建筑更新改造的理論、方法與模式;新型圍護結構研究;建筑風環境、光環境、水環境研究;可再生能源建筑一體化技術研究。
節能墻體關鍵技術研究:研究節能混凝土、砌體外墻和玻璃幕墻的設計、生產和施工的系統理論;研究混凝土、砌體外墻及玻璃幕墻節能性能的關鍵技術;研究節能混凝土、砌體外墻及節能玻璃幕墻的系統設計理論。
可持續性建筑材料研究:研究建筑垃圾資源化關鍵技術與應用研究;研究再生結構材料與再生功能材料的形成機理;研究節能環保材料設計與機理研究;研究工業廢棄物在可持續性結構材料中的性能機理及應用技術。
綠色建筑能源系統研究:供熱空調制冷系統與設備節能技術研究;新型高效制冷、熱泵機組及系統研究;建筑能耗及環境控制系統特性評價指標研究;建筑用能管理自動控制系統研究;可再生能源開發與利用理論及技術研究;蓄能機理及建筑應用研究;太陽能、淺層地熱能開發與利用關鍵技術及理論研究;混合能源系統的運行控制研究。
綠色建筑水循環系統:雨水收集利用關鍵技術與設備成套化研究;非傳統水源循環途徑與水資源優化配置技術研究;建筑節水與場地水資源循環利用技術;低影響開發與綠色建筑關鍵技術與應用研究;綠色建筑水環境生態調蓄凈化技術與集成技術。
該實驗室近年來獲得國家科技進步獎二等獎1項,省部級科技進步獎15項,國家優質工程設計銀獎1項,省部級優秀設計獎1項;編制國家、地方、行業各類技術標準4項;專利及知識產權數十項。
實驗室自組建以來,在綠色醫院設計研究、采光遮陽一體化建筑構件研究、高層建筑風噪機理及對策研究、節能材料制造研究等多個方向,開展了系統的研究工作,取得了一定的階段性成果并進行了示范項目的成果轉化實踐。同時,實驗室針對綠色建筑重點方向,面向北京及全國進行開放性課題資助。典型的研究課題及成果有:中國駐厄立特里亞使館經商參處綠色建筑設計、北京騰達大廈綠色建筑優化對策研究、北京宣武醫院綠色醫院評價及設計研究、佛山東平新城項目綠色建筑星級認定技術咨詢等。
工程結構與新材料北京市高等學校工程研究中心
工程結構與新材料北京高等學校工程研究中心經北京市教育委員會批準于2010年1月成立。該中心具有北京市高校唯一的“工程結構與建筑材料”工程檢測資質,擁有國家設計甲級資質的北京建工建筑設計研究院和全國行業領先的北京建工京精大房工程建設監理公司。工程研究中心依托北京市建設領域龍頭企業北京建工集團、北京市建筑設計研究院、北京市市政工程設計研究總院、北京市政路橋控股有限公司等4家企業,為北京的城市建設提供必要的技術支撐,旨在提升北京在工程結構節能、抗震、耐久性、環保和可持續發展結構工程材料應用方面的整體水平。
工程研究中心主要研究方向:
工程結構節能抗震新技術研究和應用:開展工程結構相關的抗震新技術和國外先進抗震技術的國產化研究,節能新型墻體的研發和應用研究。
現代大型復雜結構施工監控技術與標準化施工技術:開展大型復雜結構的施工關鍵技術和施工監控技術研究,高效預應力成套技術標準化施工研究。
既有工程結構的檢測、鑒定與維修加固:開展工程結構的材料檢測、結構檢測、檢測鑒定和加固新技術的研究。
建筑垃圾資源化、再生環保節能和可持續性結構材料的研究和應用:開展建筑垃圾資源化、再生結構材料關鍵技術和規模化生產技術研究。
環保型可持續發展城市道路工程材料:開展環保型城市道路材料的關鍵技術研究,積極開展熱再生技術、溫拌瀝青混合料技術的成果轉化。
工程研究中心目前承擔“973計劃”“863計劃”、國家科技支撐計劃、國家自然科學基金、北京市自然科學基金等研究項目共計80余項,研究經費達1,000余萬元。獲得國家和省部級獎勵11項;申請專利10余項,獲批6項,其中發明專利2項。
北京市建筑安全監測工程技術研究中心
北京市建筑安全監測工程技術研究中心于2011年4月經北京市科學技術委員會正式批準設立。中心結合學校機械工程、土木工程和電氣工程等學科優勢,致力于該領域重大關鍵性、基礎性和共享性技術的研究,以及相關科研成果的系統化、配套化和工程化開發,為北京乃至全國建筑安全監測提供所需高新技術和裝備。
中心主要研究方向:
基于聲學技術的建筑安全監測。
大型建筑運行環境狀態監測。
建筑安全物聯網系統工程。
特種機器人的研究在建筑安全監測中的應用。
建筑鋼結構和混凝土結構安全評估及可靠性技術。
建筑裝備安全監測規范與服務。
目前,中心在研國家自然科學基金項目1項,北京市自然科學基金項目2項,其他省部級以上科研項目10余項。獲北京市科學技術獎一、二等獎各1項,其他省部級科技獎2項。
北京市城市交通基礎設施建設工程技術研究中心
北京市城市交通基礎設施建設工程技術研究中心于2012年經北京市科學技術委員會批準成立。該中心以北京建筑大學為依托,并聯合北京市政工程設計研究總院和北京市政路橋建設控股(集團)有限公司,形成了集交通基礎設施綜合防災減災規劃、大型交通樞紐設計、交通基礎設施新材料與新技術研發等于一體的省部級科研及成果轉化平臺。中心整合了北京交通基礎設施研究領域的優勢資源,協同開展科技創新,通過產學研結合,促進成果轉化,為北京建立高效、安全、環保的世界城市交通運輸體系提供技術支持,并培養一批高層次人才,以滿足北京交通基礎設施建設需求。
中心技術研究開發主要方向:
交通樞紐規劃設計:研究綜合交通樞紐規劃布局理論、功能設計方法及行人交通特征,解決高效交通換乘、優化樞紐內部流線等交通運行效率及緊急情況下行人疏散等安全問題。
交通基礎設施綜合防災減災:研究交通基礎設施的綜合防災減災,解決地下道路及空間火災煙氣控制、內澇防治、安全疏散、結構抗震設計及安全評價問題。
交通基礎設施全壽命設計:解決交通基礎設施全壽命設計相關技術難題,著重開展混凝土耐久性及工程應用技術、交通基礎設施使用性能預測、評價技術與應用和交通基礎設施抗震設計新技術等相關內容的研究。
交通基礎設施施工新技術:研究交通基礎設施施工新技術,解決施工的空間制約、資源制約、無障礙施工等問題。
該中心近3年來獲得國家科技進步獎一等獎1項、二等獎5項,省部級科技進步獎22項,國家優質工程設計銀獎4項,省部級優秀設計獎16項;國家、地方、行業各類技術標準54項;專利及知識產權75項;國家級工法5項,省部級工法10項。科研成果已應用于工程約60余項,其中包括:奧林匹克公園綜合交通規劃、北京地鐵4號線的防災減災設計、長安街大修改造的全壽命設計、北京市四元橋立交工程的施工新技術等。
北京建筑文化研究基地
北京建筑文化研究基地于2010年被北京市哲學社會科學規劃辦公室、北京市教育委員會批準建立。
基地自成立以來,緊緊圍繞“三個北京”和中國特色世界城市建設,開展北京城市文化特色研究、空間哲學研究、建筑倫理研究和建筑文化遺產保護研究,共承擔各級各類課題40余項。其中,國家社科基金項目2項,省部級哲學社會科學課題15項,北京市自然科學基金2項。舉辦國際、國內學術研討會5次,出席國內外學術會議40余人次。出版著作20余部,150余篇。有20多篇論文被《人大復印報刊資料》全文轉載,有100余篇論文被CSSCI收錄。基地重視人才培養和建筑文化科普工作,2012年開始招收“設計倫理學與美學方向”碩士研究生,建設了建筑物文化特色資源庫,取得了豐碩的科研成果和良好的社會效益。
基地主要研究領域:
北京城市建筑文化特色與功能研究:北京傳統建筑文化的意義及功能;北京城市主要功能區的建筑文化特色;北京城市公共建筑物和公共空間的文化內涵;北京城市建筑形態的文化功能等。
建筑倫理研究:建筑、規劃、工程活動的價值取向;建筑、規劃、工程活動的公共參與;西方建筑思潮的倫理分析。
北京建筑文化遺產保護研究:北京城市建筑遺產的類型與特征;北京城市建筑遺產的文化功能評價;北京城市建筑文化遺產的再利用。
北京應對氣候變化研究和人才培養基地
北京應對氣候變化研究和人才培養基地成立于2012年3月,由北京市發展和改革委員會、北京市教育委員會聯合共建。
基地的基本定位:
北京市應對氣候變化智庫;北京市應對氣候變化信息服務中心;北京市應對氣候變化戰略措施研究和技術交流平臺;應對氣候變化專業人才培養與人力資源儲備中心。
基地建設將立足北京、面向全國、放眼世界,跟蹤氣候變化問題的國際、國內形勢及動態,匯聚國內外應對氣候變化領域的精英人才和技術,集成利用北京市在相關研究領域的各類資源,開展氣候變化對本市經濟社會的影響及應對措施等方面研究,培養儲備本市應對氣候變化專業人才,努力將該基地建設成為與國際接軌、國內一流的集應對氣候變化相關教學、研究與技術開發于一體的產學研綜合性基地。
基地將組建與氣候變化緊密相關的能源、交通、建筑、環境、生態、經濟與金融、規劃與管理等跨學科研究力量,緊密跟蹤氣候變化問題的國際國內形勢及動態,系統全面地分析氣候變化對北京市經濟社會和環境的影響,研究本市應對氣候變化的總體戰略、應對機制與技術、應對計劃與方案。
基地主要研究方向與內容:
開展相關發展戰略和政策標準的研究;搭建北京市應對氣候變化信息交流和研發網絡;開展應對氣候變化技術研究,包括基礎研究、適應氣候變化能力的研究、提升溫室氣體減排水平的研究、溫室氣體減排及相關低碳政策在短期內的經濟社會影響研究等。
北京建筑大學——浙江勤業建工集團有限公司技術研發中心
為充分發揮高校科研人才優勢和建筑施工企業的生產要素資源,促進工程建設領域的科技進步和科技成果的孵化與轉化,建筑工程浙江省工程技術研究中心(企業技術中心)由北京建筑大學和浙江勤業建工集團有限公司(以下簡稱“浙江勤業集團”)共同組成并申報建設。中心于2009年獲得浙江省批復(浙經信技術[2009]311號)。
研究中心的建立是本著優勢互補、互惠互利、共同發展的原則,以切實發揮產學研聯合作用為目標,以實現提高企業科技創新、促進高校科技成果轉化為主要任務。
中心自建立以來圍繞工程實際中遇到的技術難題,企業與高校聯合開展了多項科研項目合作和技術攻關,主要包括:圍繞土木工程施工領域的共性技術與關鍵技術,重點在施工新技術、新材料、新設備、新工藝等“建筑四新技術”方面開展創新研究與開發,以形成一批具有自主知識產權的一系列技術成果,并大力做好應用與推廣工作。
中心的科研項目選題主要來源于三個途徑:一是浙江勤業集團設立或擬定的項目,包括工程建設的行業標準、發明專利、國家級工法等;二是學校根據具體土木工程熱點、難點技術而設立或擬定的項目;三是國家及地區科研主管部門的相關科研課題。浙江勤業集團與學校擬定的項目由各單位分別提交到研發中心,并由專家委員會評審通過后,方可列為正式選題并由中心負責編制項目申報指南。
北京建筑大學建筑科技大學科技園
北京建筑大學建筑科技大學科技園是依托北京建筑大學的優勢學科及科技創新資源,面向首都城鄉建設,集聚創新創業人才,擴散高新技術,建設知識創新和科研成果轉化及產業化的中心;是為首都城市規劃、建設與管理提供科技支撐和智力支撐的創新創業基地;是產學研合作引領產業結構優化升級的高新技術企業集聚區;是首都城鄉建設創新創業人才培養的高地。
科技園以建筑科技為主導,圍繞城鄉規劃、建設與管理,是重點開展建筑結構、建筑施工、建筑材料、建筑節能、建筑監理、智能建筑以及城市基礎設施建設的研究、設計、實驗、應用、信息等產業化基地。
關鍵詞:工程教育認證;模塊;工程能力;權重
一、引言
我國高等院校培養出的工科技術人才總量居世界前列,但我國工程教育還沒有使企業和學生滿意,主要表現是,學生工程意識較弱,實踐能力較差[1]。開展工程教育認證,一方面給我們帶來新穎的育人理念,另一方面有助于我國未來工程專業畢業生獲得國際執業資格。對于機械設計、制造及自動化專業來說,準備和通過工程認證,是學校培養合格機械工程師的有效保障,就是要以國家機械類工程教育專業認證標準為指針,對該專業的培養目標,教學理念、教學內容、教學方法、評價機制等方面進行相應的改革。
二、工程教育認證與“模塊化”教學改革理念
工程教育專業認證就是工程技術行業的相關協會連同工程教育者對工程技術領域相關專業(如機械工程、土木工程)的高等教育質量加以控制,以保證工程技術的從業人員達到相應教育要求的過程[2]。工程教育認證是對工程教育最低標準的檢查,保證未來工程師從業人員獲得質量可靠的,與其職業發展密切聯系在一起的專業教育,促進了工程教育的職業化和專業化,保證了工程教育與工程師職業密切聯系,促進工程界與教育界密切聯系[3]。其核心理念是,工程教育要以學生學習成果為目標導向,通過有力引導,確保工程專業畢業生達到專業認可的既定質量標準要求,這就需要將學生的培養目標和畢業出口導向要求放在極其重要的位置,以此做為合格性指標,推進工程教育工作。具體到專業課體系設置乃至每門課程安排,其要求和內容應把學生放在教學主體地位,圍繞學生能力培養,以學生能力的全面提升為目標導向來組織和持續改進[4]。德國高等教學中“模塊Module”通常由幾個相關聯的教學課程組成,一個模塊構成一個相對獨立的教學單元[5,6]。模塊以培養學生的能力為目標,不過分強調學科的知識性和內在邏輯性。德國應用科技大學把能力分成三類,即專業能力(與專業相關的知識技能儲備)、方法能力(用恰當方法解決實際問題的能力)、社會能力和自我能力(交際能力、團隊精神、自學能力)。為了實現不同的能力可采取不同的教學活動,要有講座課、研討課、練習課、實驗訓練課、項目教學課、學生自學等。為了實現專業能力,多使用講座課,而實現方法能力、社會能力和自我能力多采用研討課、練習課、項目教學課等不同形式的教學活動。國際工程認證與德國高等教育“模塊化”共同的教育理念是,把學生放在教學的主體地位,以學生的能力培養為主要目標,而專業認證更加注重學生的培養目標與學生學習成果的達成度,更加強調持續改進性。
三、面向工程認證的模塊化教學改革探討
(一)專業培養目標、畢業要求及課程模塊化整合
通過走訪用人單位,分析了機械行業對機械設計、制造及自動化專業人才的需求,及本地區的特殊需求,提出了本專業培養目標及畢業要求。其中,專業培養目標是學生經過五年的學習之后所達到的要求。該專業培養目標是,培養德、智、體、美全面發展,具有較高的思想道德、文化修養和較強的工程實踐能力及創新精神,具備機械設計、制造、自動化基礎知識及其應用能力,能在復雜的機械工程及相關領域從事機械設計、制造、技術開發、設備維護、生產管理等方面工作的工程應用型人才。針對培養目標,我們提出了學生畢業時達到的要求,即畢業要求。畢業要求共有7條,關于機械設計制造我們提出這樣的畢業要求:能運用機械設計制造原理,正確理解和繪制復雜的機械加工零件圖、產品裝配圖及加工工藝過程流程圖,并綜合分析經濟、社會及相關工程因素,使用計算機進行復雜機械產品的輔助設計和制造。鑒于上述畢業要求,分析了從事機械制造領域工作的畢業生應具有如下幾方面的能力。1.從事機械制造工藝規程編制與實施的工作能力。2.從事工藝工裝的設計制造工作能力。3.對機械制造裝備進行設計、維護、改造的能力。4.運用標準、規范、手冊、圖冊和查閱有關技術資料的能力;運用計算機進行輔助設計、制造的能力。圍繞上述能力,我們對教學內容進行了模塊化重組,把切削原理與刀具的內容與數控技術中數控編程并入機械制造技術I模塊,而把數控機床的電控內容并入機械制造裝備及其控制模塊內容。這樣處理的好處是機械制造I、機械制造II模塊以編制機械制造工藝規程為主線,系統介紹了編制工藝規程所需要的知識,包括數控加工知識,從而大大提高編制工藝規程能力[7]。
(二)細化可評測的學習目標
機械制造技術模塊的學習,有助于學生具備從事機械制造方面工作的能力,對專業培養目標及畢業要求達成,做出自己應有的貢獻。為了實現上述能力,比如能從事機械制造工藝規程的編制與實施的工作能力,提出了如下學習目標及其權重值,如表1所示。目標要求2、3對于學生提高從事機械制造工藝規程的編制與實施的工作能力含權值較高。另外,編制工藝規程所需的基本概念,主要指工藝過程及其組成,生產綱領、生產類型、零件結構工藝性等問題,目標的實現,不是死記硬背,主要體現在能在實踐中靈活運用,因而學生的實踐能力,分析問題和解決問題能力也是也是很重要的。
(三)圍繞學習目標設計學習任務和學習活動
根據學習目標的權重值,設計不同的學習任務及學習活動。對于權重值較高的學習目標,可以通過講課、作業、實驗、實習、項目驅動來達到目標要求。對于表1中含權值較高的學習目標,牽涉的概念較多,比如工序基準、定位基準、限位基準、粗精基準選用原則及工藝路線安排原則等。這些概念,大多都是在實踐中進行的總結及理論提升。學生大部分來自學校,實踐經驗不足,對上述概念原則無法理解,因此會感到枯燥乏味,只能死記硬背通過考試,達不到學習目標要求。為了達到學習目標,除了講課、作業等正常教學活動以外還可以通過以下教學活動來解決。1.夾具拆裝實驗。夾具拆裝實驗就是把學生分組對某個夾具及其工件進行測繪、組裝,并畫成相應的裝配圖。通過該實驗,學生對夾具的功能、組成有所了解。尤其對定位元件及其作用有了較強的感性認識,加深對工序基準、定位基準、限位基準概念的理解,同時對精基準選擇原則中基準重合原則有了直觀的了解,鍛煉學生的實踐能力,促進了學習目標2達成。2.實習,項目驅動教學。機械制造技術模塊中的工藝規程編制這一章的內容,大部分是如何編制的規則,如果在教學中照本宣科,學生無法理解,只能死記硬背通過考試,無助于提高學生的工程能力。因此,我們以項目驅動方法來完成教學。所謂項目驅動教學法,是指在教學過程中,以項目的展開為主線,將相關知識點融入到各個項目環節中去,進行層層推進,安排學生分小組圍繞工程項目進行討論,協作學習,最后通過共同完成項目的情況來評價學生是否達到教學目的的一種教和學的模式。為了達到使學生具有編制工藝規程的能力這一教學目的,使學生置身于工作現場中,以一個典型零件的工藝規程編制為項目,通過學生自主、互動學習編制工藝規程有關的理論知識,例如,加工零件粗、精基準的選擇,加工工藝路線制定等理論,在老師的指導下,以學生為主,來完成該項目。通過教學實踐,發現該種教學方法的特點是,由以教師為中心轉變為以學生中心,由以教材為中心轉變為以項目為中心,學生能真正理解編制規則,提高編制工藝規程能力。
(四)評估實際學習效果
通過不同的學習任務和學習活動,來促進學習目標達成。要想合理評估學生的學習效果,必須有一個正確的學習效果評價標準。過去只是以考試或者項目報告書作為評價標準,而不考核全過程,導致學生項目報告互相抄襲,考前重視背誦講義內容,沒有達到提高學生工程能力的目的。我們以考核學生的全過程作為學習效果評價標準,現推出一種n+2考核方法,n里面包括項目、論文、測驗等多種考核方式,占總成績的50%,平時筆記占10%,考試成績占40%,考試成績不超過50分或過程考試不及格,最終成績均不及格。這樣,不是以考試成績作為最終成績,使學生對過程更加重視,有助于提高學生的工程能力,考試中圍繞學習目標及含權值出題目,題目源于各個教學環節,很多試題答案并不唯一,重點考查學生的工程能力及遷移能力。
(五)反思與持續改進
通過一學期的教學實踐,學生對機械加工路線擬定掌握并不十分理想,平均得分較低,未達到預期的教學效果。究其原因,該部分內容是教學難點,學生在對口工廠實習機會較少,對加工手段認知較少,另外,學生的識圖能力較差。下學期準備增加加工手段視頻播放,以彌補學生的現場經驗不足;和機械制圖老師溝通,多進行識圖方面的訓練。
四、結語
通過上述面向國際工程認證和模塊化教學改革的研究,我們得到如下結論。1.以工程教育認證及“模塊化”教學理念,分析了機械設計制造及自動化專業培養目標及畢業要求,提出了從事機械制造領域工作所應具備的能力,并對教學內容進行模塊重組,打破了學科的界限,突出學生工程應用能力培養,從而更容易促進培養目標及畢業要求達成。2.圍繞某一工程能力的提高,提出了不同的學習目標及權重值,根據權重值不同,設計不同的教學活動,以加強學習目標達成;圍繞不同的學習活動,提出了過程考核的考核標準,考試題目源于各個教學活動,以考查學生是否達到相應的畢業要求。3.圍繞著工程認證所進行的教學改革,雖取得一定成績,但也存在一些問題,學生的實踐認知能力有待進一步提高,學生的識圖能力較差,學習主動性有待進一步加強。在以后的教學中,我應繼續深入研究,持續改進。
參考文獻:
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