实验数据的获取与处理

2024-06-12

实验数据的获取与处理（精选八篇）

实验数据的获取与处理篇1

一、改进器材,科学获取数据

在学生的探究活动中,有许多因素会影响学生实验数据的获得,如实验仪器的不精密、实验材料的不典型以及周围环境的影响等,都会造成学生获取的实验数据不精确。在此数据基础上的解释与论证就会偏离预定目标,与建构核心概念背道而驰。

1. 改进仪器,避免估值影响数据

小学科学中有很多测量是需要学生进行估计的,如量筒测量液体的体积、玻棒式温度计测量液体的温度、弹簧测力计测量力的大小等,学生在利用这些仪器进行测量、记录数据时会有估上估下的误差值,单独一个数据或两个数据对比明显的情况下,不会受影响。但如果是一组连续的数据且数据变化不大的情况下,估值的上与下就会对数据的分析与解释造成直接的影响。

“热起来了”一课中,教材安排的是采用玻棒式温度计测量一本字典的温度,它只能精确到1摄氏度,每一小格之间的0.1至0.9摄氏度的值是需要学生来估计的,这个值的大小有人为的主观因素,甚至同一位学生在前后几次的估值中都有差异,这就使得个别小组在记录的数据中出现了“裹了衣服后温度升高了零点几摄氏度”的情况,这为后面基于数据的解释与推理带来了麻烦。

温度能否不用估计就直接显示出来呢?基于本课核心概念建构的需要,我们对仪器进行了升级,用数字温度计代替玻棒式温度计,解决了学生人为估值影响数据的问题,也符合新科技产品走进科学课堂的理念。使用数字温度计优势明显:一是灵敏度提高,节省了温度变化的等待时间;二是误差更小,数据更准确;三是温度不需要估算,消除了人为估值对数据的影响,更便于学生在excel表格中直接输入与呈现,为后续的论证环节做好了铺垫。

2. 改进材料,防止他因干扰数据

受年龄特点的影响,小学生在探究活动中往往对探究材料特别感兴趣,领到材料后,经常会不自觉地把弄一些材料,如对材料进行“亲密接触”,而这些材料又对“接触”比较敏感的话,就会对实验数据产生干扰。

“热起来了”一课中部分小组在领到温度计以后不是先记录起始温度,而是用手握住了温度计下端的玻璃泡,致使温度升高,这时再记录起始温度,这样得到的数据显然不科学。特别是在测量几分钟内的温度变化过程中,有些同学把温度计取出来放进去反复操作,致使数据上下波动。这就导致了好多组数据出现温度升高的现象,也成了这节课上数据难处理的一大症结。

除了在实验前对学生的操作进行强调以外,可以改进选用的材料。在本课中,可用一瓶接近人体温度的温水来模拟身体,代替教材中安排的字典。数字温度计一开始就插入瓶中,学生领到材料后,主观上不容易接触到温度计敏感的下部。由此,困扰教师的干扰数据问题迎刃而解。

二、借助图表,直观呈现数据

在学生获取实验数据之后,把数据呈现出来以供解释与论证尤为重要。常见的方式有三:一是学生根据记录表读、报数据;二是小组成员把记录表在实物投影仪上边展示边宣读;三是各组把数据填写在教师准备的汇总表中。显然,第一种方式失去了数据的价值,第二种方式比较常见,但缺乏全班整体数据的横向比较;第三种方式相对比较理想,但需要教师准备一张大的汇总表,且不利于数据的直观处理。在数字化时代,我们完全可以利用excel等软件以数据图表的形式呈现,同时可以对数据进行直观处理。

1. 借助柱形图呈现数据整体

Excel中有个数据透视图功能,经过简单的设置就可以将数据汇总并以我们需要的图表形式直观呈现。“热起来了”一课采用柱形图的方式直观形象地呈现全班所有小组的实验数据,效果比较明显。数据的输入、呈现与学生的探究活动同步,在学生用数字温度计测量温度的过程中,每获得一个数据,各组就可以指定一名同学到台上电脑图表中输入数据,实时呈现在大屏幕上。有了全班同学的无形监督,避免了个别同学对数据的任意篡改。同时,学生在测量温度的间隙也不再无事可干,可通过大屏幕随时观察各组同学测得的实时数据,初步进行分析与思考。全班同学实验完毕,数据也同时输入完毕,一张全班各组数据的柱形图便呈现在大家面前。(图1)

此图充分利用了excel数据处理模块,直观形象地呈现了12组学生的实验数据,使学生面对全班大量的数据不再眼花缭乱,通过图形与具体数据的结合,有助于学生对数据的观察与分析、推理与论证。

2. 借助折线图呈现数据趋势

有时候我们并非需要对所有数据进行呈现与对比分析,而是显现数据变化的趋势。这时,我们就可以借助折线图来达成目标。“热起来了”一课中学生在对数据进行整体分析后发现,衣服不能给身体增加热量,同时发现:裹了衣服温度反而还在降低,那衣服还有作用吗?而这个问题教师有预设,在学生探究活动中事先在其中一个小组增加了一个对比实验,这时就可以把这个小组的对比数据以折线图(图2)呈现,使学生对裹了衣服和没裹衣服的温度变化趋势一目了然,也使学生对保温的概念有一个新的认识:保温并不是能一直保持温度不降,而是减缓热量的散失,使温度降低的速度变慢。

三、利用数据,深入剖析论证

科学获取数据并借助图表直观呈现,其目的是帮助学生建立自己的观点,用事实说话、用证据解释,培养实证精神。因此,在交流研讨环节,教师要组织学生充分利用数据来说话、来解释,使研讨交流成为学生对话的平台,成为学生推理论证的契机,在个体到集体的论证中,思维得到发展,概念得以完善与提升。

1. 自我分析,个体论证

个体论证是本人或本组成员对自己或本组的实验数据分析与解释、交流与分享的过程,是学生基于自己的观点寻求证据进而完善自己观点的过程,有助于学生从证据上升到解释,促进思维的发展。

“热起来了”一课中,全班学生在探究活动前就已经借助生活经验与感受建立了两种不同的观点:“衣服能给身体增加热量”和“衣服不能给身体增加热量”。但这两种观点都建立在学生主观感受的基础上,所以都成立,谁也说服不了谁。于是教师应引导学生要用事实来说话、用证据来解释。“事实”和“证据”就在学生实验中观察到的数据里。因此,研讨交流的首要任务就是要组织学生开展个体论证,要让学生观察图1中自己小组的数据,对起始温度、1分钟后的温度、2分钟后的温度、3分钟后的温度等几个数据作纵向的观察与分析,用数据来佐证自己的观点。在观察分析中,有些小组发现自己数据中的四个温度没有一个上升,说明衣服不能给身体增加热量,与当初的观点一致;而起初持不同观点的小组也发现自己的四个数据没有上升,与当初的观点不一致,从而产生了认知冲突。在这里,是坚持自己原先的观点,还是尊重事实,尊重数据,体现了科学态度与精神的渗透与培养。

2. 全班互动,集体论证

在个体论证的基础上,教师组织学生开展集体论证,让全班同学对其他小组的数据进行比较分析、质疑批驳或解释评价,通过不同观点的相互“交锋”,产生思维碰撞,在实现从个体表征到集体建构的过程中理解科学概念和科学本质。

“热起来了”一课,教师一方面要求学生对自己的数据进行分析论证,另一方面则要求他们对其他小组的实验数据进行观察。这时,有些同学就会关注一些特殊的数据,并提出自己的分析、质疑与推理。在此基础上,教师还应引导学生从全班的角度观察数据,从上升、下降或者基本一致几个方面分析数据。学生很快发现,图1中没有一个小组的温度上升,说明了衣服不能增加热量。同时还发现绝大部分小组数据有下降的现象,这在学生的意料之外,更促使学生去进一步分析原因,去联想生活实际来思考。在相互的交流论证中,知道了温水在不断地向外界散发热量,而衣服只是起到了保温的作用,使温度下降的速度减慢。这样,学生的汇报交流就不再是数据的简单呈现与结果的主观臆断,而是一个不断对话、交流的理性过程,更注重概念建构与思维发展的有效融合。

实验数据的获取与处理篇2

【关键词】中职物理力学实验数据获取分析处理整体法隔离法

【中图分类号】 G712 【文献标识码】 A 【文章编号】 1992-7711（2016）01-033-020

1.研究的背景和意义

1.1物理课程改革的理念

物理课程改革的核心理念是通过突出科学探究来提高学生的科学素养。科学探究是新一轮物理课程改革的突破口，中等职业学校物理课程标准中明确指出：在课程目标上，过程与方法作为三维目标之一单独列出，要求学生经历科学探究过程，认识科学探究的意义，尝试应用科学探究的方法研究物理问题，验证物理规律；在课程内容上，将科学探究列入内容标准，根据科学探究的七个要素，对科学探究能力提出具体要求。

1.2物理学科的特点

物理学是一门以实验为基础的科学，实验不仅是一种验证性的实践活动，更是一种探究性的实践活动。探究性实验作为一种重要的实验形式，同时也是科学探究的一种有效方式。探究性实验能更充分地体现学生学习的主动性、探索性和创造性，探究性物理实验可以在物理实验教学中发挥重要作用。因此实验数据的获得和对实验数据处理就显得特别重要。

1.3物理实验教学的现状

长期以来，传统的物理实验教学存在着三种倾向：其一、表现为重理论轻动手；其二、表现为只动手不动脑；其三、表现为验证多探究少。因此，基于对中等职业学校物理课程改革理念、物理学科特点以及物理实验教学现状的认识，要促进学生科学素养的全面提高，我们要用科学探究思想指导物理实验教学改革，大力开展探究性物理实验的教学，从而充分发挥物理实验的科学探究功能，培养学生的科学探究能力，用科学的教学思想培养学生获得实验数据和对实验数据处理的能力，进一步改进物理实验教学的效果。

2.研究内容和实施步骤

2.1中等职业学校学生对实验数据的获得和对实验数据处理能力现状调查

2014年以来，我们对新一年级学生进行学生生源情况调查，调查结果发现：新生90%左右是农村人口，70%左右是边远黄河滩区和偏远特困区农家子弟。同时进行新生入学摸底考试和问卷调查，结果物理科平均成绩不到30分（满分100分），及格人数不到10%。问卷调查表明，新生的学习习惯不良，缺乏自主学习，与人沟通、合作交流、科学创新的能力，很大一部分同学初中三年都没亲手做过一次物理实验，对基本物理实验仪器的规范操作和使用，对如何有效地获取并优化处理实验数据的手段和方法知道甚少。

2.2物理实验数据的获得和对实验数据处理的实施途径

（1）课堂教学中实施。

（2）课外活动中实施。

（3）实验课上实施。

2.3常见实验数据的获得方法

2.3.1利用测量工具直接测量的基本物理量模块

基本物理量测量仪器力学长度刻度尺、游标卡尺、螺旋测微器时间秒表（停表）、打点计时器质量（力）天平（弹簧秤）

2.3.2常见间接测量的物理量及其测量方法

有些物理量不能由测量仪器直接测量，这时可利用待测量和直接测量的基本物理量之间的关系，将待测物理量的测量转化为基本物理量的测量。

模块待测物理量基本测量方法

力学速度？利用纸带，vm=Sx+Sx+12T；%利用平抛，v=xg2y加速度？利用纸带，逐差法a=&ST2；%利用单摆g=4N2LT2功根据W=&Ex转化为测量m、v3

2.4常用实验误差的控制方法

为了减小由于实验数据而引起的偶然误差，常需要采用以下方法控制实验误差。

（1）多次测量求平均值

这是所有实验必须采取的办法，也是做实验应具有的基本思想。

（2）累积法

一些小量直接测量误差较大，可以累积起来测量，以减小误差。用单摆测定重力加速度的实验中，为了减小周期的测量误差，不是测量完成一次全振动的时间，而是测量完成30～50次全振动的时间。

2.5常用实验数据的处理方法

实验中测得的数据需要很好地记录、表示、分析、计算，然后从中得到实验结论，找出实验规律，这一过程称为实验数据处理。物理实验数据处理的方法一般有列表法、公式法（逐差法）、平均值法、图象法（化曲为直法、图象外推法、图象面积法）、计算机辅助处理数据。

（1）列表法

在记录和处理数据时，常将数据列成表格。数据列表可以简单而又明确的表示出有关物理量之间的关系，有助于找出物理量之间的规律性的联系。列表的要求是写明表的标题或加上必要的说明；%必须交待清楚表中各符号所表示的物理量的意义，并写明单位；表中的数据要正确反映测量结果的有效数字。

（2）逐差法

这就是用打点计时器打出的纸带计算加速度时用到的方法，这种方法充分利用了测量数据，具有较好的取平均的效果。

（3）平均值法

将测定的若干组数相加求和，然后除以测量次数。必须注意，求取平均值时应该按原来测量仪器的准确度决定保留的位数。

（4）作图法

用作图法处理实验数据是物理实验中最常用方法之一。用作图法处理数据的优点是直观、简便，有取平均的效果，由图线的斜率、截距、所包围面积和图线的交点等可以研究物理量之间的变化及其关系，找出规律。作图的规则是：作图一定要用坐标纸.坐标纸的大小要根据测量数据有效数字的多少和结果的需要来定；%要标明坐标轴名、单位，在轴上每隔一定相等的间距按有效数字位数标明数值；图上连线要是光滑曲线（或直线），连线时不一定要通过所有的数据点，而是要使数据点在线的两侧合理的分布；（在图上求直线的斜率时，要选取线上相距较远的两点，不一定要取原来的数据点；）作图时常设法使图线线性化，即化曲为直。

（5）计算机辅助处理数据

当今，信息技术在中等职业学校物理学科中应用日益广泛，学生的信息技术水平日益提高。利用计算机记录数据、处理数据，利用计算机进行数据的图象处理，已经为广大的师生所接受。计算机辅助处理数据是信息技术和物理学科整合的一个重要方面。

（6）有关误差分析的问题

要求认识误差问题在实验中的重要性，了解误差的概念，知道系统误差和偶然误差；知道用多次测量求平均值的方法减小偶然误差；能在某些实验中分析误差的主要来源；不要求计算误差。

3.学生对实验数据的获得和对实验数据处理能力培养途径探究

（1）变演示实验为师生共同完成实验，给学生创造更多的自主动手的机会。

（2）变学生实验为学生自主动手设计实验，培养学生的创新能力。

（3）通过实验专题讲座，拓宽学生思维，规范实验设计程序。

（4）开展课外活动，让学生自己动手进行课外小实验的活动，让每个学生都自己设计一些课外小实验，并亲自动手。

4.学生受力分析处理探究

学生在解决力学问题时，往往采用隔离法或整体法。整体法是从局部到全局的思维过程，是系统论中的整体原理在力学中的应用。通常在分析这一整体对象之外的物体对整体的作用力（外力），不考虑整体内部之间的相互作用力（内力）时，用整体法。隔离法就是把要分析的物体从相关的物体体系中隔离出来，作为研究对象，只分析该研究对象以外的物体对该对象的作用力，不考虑研究对象对其他物体的作用力。在分析系统内各物体（或一个物体的各个部分）间的相互作用时用隔离法。

4.1系统处于平衡状态

整体都处于静止状态或一起匀速运动时，或者系统内一部分处于静止状态，另一部分匀速运动。以上这些情况，整体都平衡，整体内每个物体所受合力为零，整体所受合力也为零。这样，根据整体的平衡条件，就可以确定整体或某一个物体的受力特点。

例1：在粗糙水平面上有一个三角形木块abc，在它的两个粗糙斜面上分别放两个质量m1和m2和木块，m1>m2，如图所示，已知三角形木块和两物体都是静止的，则粗糙水平面对三角形木块（）。A.有摩擦力的作用，摩擦力的方向水平向右；B.有摩擦力的作用，摩擦力的方向水平向左；C.有摩擦力的作用，但摩擦力的方向不能确定，因为m1，m2，θ1，θ2的数值并未给出；D.以上说法都不对。解析：这样类型的问题优先选用整体法，根据整体受力平衡，则很容易判断水平面对三角形木块摩擦力为零，且弹力等于整体的重力之和，所以D正确。

例2：质量m=5Kg的物体置于质量为M=20Kg的粗糙斜面上，斜面的倾角α=370.用一平行于斜面向上、大小为40N的力F推物体，使物体沿斜面M向上作匀速运动，这时M保持静止状态（g=10m/s）。则地面对斜面的摩擦力大小为 N，斜面对地的压力大小为 N.

解析：这种类型通常习惯利用隔离法分析，先分析物块，在对斜面体进行分析，过程比较复杂。如果利用整体法会比较简单，因为整体都处于平衡状态，所以合力为零。根据整体水平方向平衡，可以得到地面对斜面体的摩擦力f=Fcosα=32（N），根据整体竖直方向平衡，得到地面对斜面的支持力N=（M+m）g-Fsinα=226（N）。

4.2系统处于不平衡状态且无相对运动

由于系统内物体间没有相对运动，即整体内每个物体都具有相同的速度和加速度，这时整体所受的合力提供整体运动的加速度。这种情况利用整体法，更容易把握整体的受力情况和整体的运动特点。

例3：光滑水平面上，放一倾角为θ的光滑斜木块，质量为m的光滑物体放在斜面上，如图所示，现对斜面施加力F，若使M与m保持相对静止，F应为多大？

解析：由于斜面光滑，物块只受重力和斜面的弹力，而且和斜面一起运动，则先隔离物块分析受力，计算出加速度a=gtan，方向水平向左，再根据整体法可以求得F=（M+m）gtan.

这是典型整体法与隔离法的综合应用（先隔离后整体）。

4.3系统内部分平衡部分不平衡

这种情况由于系统内物体的运动状态不同，物体间有相对运动，通常习惯用隔离法。若系统内两个物体一个处于平衡，另一个处于不平衡状态时，也可以利用整体法来分析，有时会使问题简化易于理解。

例4：若例3中使M静止不动，F应为多大？

解析：这就是非常典型的系统内部分平衡部分不平衡的问题，物块在光滑的斜面上沿斜面加速下滑，处于不平衡状态，而斜面体在光滑的水平面上由于外力F作用而保持静止不动，及平衡状态。这种类型许多学生都习惯用隔离法分别对物块分析，从而计算出物块和斜面之间的弹力，然后再分析斜面，根据斜面的平衡来确定外力F的大小。

这种类型如果利用整体法来分析要简单得多，这里整体所受的合力就等于处于不平衡的物块所受的合力。当然，这里首先要根据物块受力明确物块的加速度，方向沿斜面向下。

整体受力为：重力（M+m）g、地面的支持力N和外力F

用正交分解法，将加速度分解为水平方向ax=acos=gsincos；竖直方向ay=asin=gsin2，

再根据牛顿第二定律得到：F=max=mgsincos=mgsin2，（M+m）g-N=may=mgsin2

这种方法很显然要比分别隔离来计算要简单方便。

综上所述，在分析多个物体相互作用时，灵活运用整体法和隔离法对问题解决将会带来很大的方便。特别是在教学过程中有意识地培养学生整体法的思维意识，帮助学生能够更加全面地理解力和运动的相互关系，更加有利于学生思维能力的提升。

基金项目：2015年河南省职业教育教学改革立项项目“河南职业院校教师育人能力提升问题研究”（立项号：ZJB15126）阶段性成果。主持人：王凤珍

[ 参考文献 ]

[1]梁昆淼.力学，上册（修订版）.高等教学出版社，1978，12修订第2版，64.

[2]漆安慎杜婵英.力学，高等教育出版社.1997，7，1版，222.

[3]中国大百科全书，物理学，Ⅱ.中国大百科全书出版社，1987，7，1版，1236.

[4][英]伊萨克·牛顿.自然哲学之数学原理.陕西人民出版社.2001，1，1版，18.

实验数据的获取与处理篇3

关键词：POS,航空摄影测量,辅助,试验,RC-30

机载POS系统集GPS技术与惯性导航技术于一体, 使准确地获取航摄相机曝光时刻的外方位元素 (G PS测量得到位置参数, 惯性导航系统得到姿态参数) 成为可能, 从而实现了无 (或少量) 地面控制点, 甚至无需空中三角测量加密工序, 即可直接定向测图, 从而大大缩短航空摄影作业周期、提高生产效率、降低成本。因此, POS系统的出现, 将从根本上改变传统航空摄影的方法, 进而引起航空摄影理论与技术的重大飞跃。随着计算机技术的发展及其惯性、GPS器件精度水平的提高, POS无论定位定向精度还是实时数据处理能力都会有质的提高, 将会在航空摄影测绘方面发挥越来越重要的作用。POS系统高精度定位定向技术是POS系统应用的关键技术, 它的研究可以极大的推动POS系统的发展。

1 POS工作原理

IMU惯性测量单元最大优点是不依赖于任何外界信息, 能够进行完全自主的导航。惯性测量单元能够连续长时间的工作, 可以提供多种导航信息如位置、速度、航程、航向, 还可以提供水平及方位基准, 精度较高。但是, 惯性测量单元的精度主要取决于惯性器件 (陀螺仪和加速度计) 的精度, 并且其定位误差随时间积累, 精度逐渐降低, 这对于需要长时间工作的情况是极为不利的。而且其初始对准时间长, 所以想到利用其它定位手段作为参考信息源, 定期或不定期地对惯性测量单元进行综合校正, 对惯性器件的漂移进行补偿。

GPS卫星导航系统具有定位精度高的特点, 而且能够进行全球、全天候、全天时、多维连续定位, 其精度不随时间变化。然而, GPS是非自主式的系统, 不能提供诸如载体姿态等参数, 运动载体上的GPS接收机不易捕获和稳定跟踪卫星信号, 动态环境造成中信噪比下降。这些原因都容易产生周跳。而且由于GPS信号在传播途中的干扰, 使得系统定位精度有所下降, 定位结果较为离散。如上所述, GPS和IMU惯性测量单元各有所长, 具有可互补的特点, 两者的组合不仅具有两个独立系统各自的主要优点, 而且随着组合水平的提高, 它们之间信息传递、融合、使用的加强, 组合系统的总体性能要远优于任一独立系统。组合导航把无线电导航长期精度高与惯性测量短期精度高和不受干扰的优点结合起来, 因而GPS与IMU的组合被认为是目前导航领域最理想的组合方式。

2 试验概况

POSAV510辅助RC30相机在2006年广东地区进行了两次试验飞行。根据试验的目的和技术要求, 结合实际工作的需要选定试验测区。测区内分布有水系河流、城镇市区、山区和主要交通道路等典型地形地貌, 较有利于对设备精度的评估。选择了1:10000和1:40000两个摄影比例尺。如表1所示。

3 试验区控制点的布设

为了对POS的精度作出客观的评估, 在广东某试验区内根据《GB/T13977-921:5000、1:10000地形图航空摄影测量外业规范》、《GB/T13990-92 1:5000、1:10000地形图航空摄影测量内业规范》、《P 0 S/TRACKER系统应用航空摄影试飞方案》技术设计书进行试验区控制点布设。

3.1 A区控制点布设方案

根据《POS/TRACKER系统试验区航空摄影技术设计书》要求, A区范围覆盖6幅 (3x2) 1:50000地形图。依据关于1:50000比例尺成图丘陵地和山地的区域网布点及构架航线的布点要求, A区控制点布设如图1所示。

3.2 B区控制点布设方案

根据《POS/TRACKER系统试验区航空摄影技术设计书》要求, B区范围覆盖2幅 (1*2) 1:10000地形图。关于1:10000比例尺成图平地的区域网布点要求, 同时结合检校场控制点布设要求。B区控制点布设如图2所示。

为了提高量测精度, 在像片上更准确地判别出控制点的位置, 该次试验在B区采用了先布控后飞行的方法。根据控制点周围的环境情况, 对B区100km2内的42个控制点分别用埋石、砸木桩及铁钉的方法将控制点标记到位, 其中大标石6个 (预计作为检校场控制点永久保留) 、小标石11个、木桩19个、铁钉6个。为了使控制点在像片上容易判别, 飞行前对测区100km2内的42个控制点进行标志布设。根据控制点的情况, 采用lm×lm的标志布和刷漆等办法, 在飞机起飞前将标布设到位。

4 基准站布设

为保证POS辅助航空摄影飞行, 需要在测区内布设基准站。考虑到基准站观测数据备份和检核, 根据测区大小和试验为中、小比例尺航摄的特点, 按照GB/T18314与GJB2228-1994规定的GPS基准站选址原则, 结合已知大地测量控制成果, 并经过现场踏勘, 在摄区内布设1个地面GPS基准站。同时为了验证基准站距离对测量精度的影响, 在宝鸡 (距测区约200公里) 和郑州 (距测区约500公里) 地区分别布设长基线和超长基线GPS基准站。

5 航摄飞行

根据《POS/TRACKER系统试验区航空摄影技术设计书》和《POS/TRACKER系统试验区航空摄影实施计划》, 共飞行5架次, 完成了试验区1:10000及1:40000的航摄工作, 获取了1:10000、1:40000有效黑白像片323片, l:10000彩色有效像片133片随后再次完成POS辅助RC30相机B区1:10000飞行。

6 POS外方位元素解算

(l) 偏心角解算。在1:10000黑白影像扫描完毕, 获得检校场像控测量数据以及检校场空三加密数据后, 结合POS原始数据及基准站数据, 利用Pos Pac软件中的Pos GPs、Pos Pro及Cal Qc模块对偏心角进行解算, 获得了305mm镜头进行1:10000飞行时的偏心角。同时解算出152mm镜头进行1:40000飞行时的偏心角。 (2) 像片外方位元素的解算。将获得的偏心角输入Pos Pac软件的Pos PEO模块进行解算, 获得像片的外方位元素EO。

7 空三处理

由于现有的海拉瓦软件和适普软件都不支持POS数据的空三处理, 因此数据后期的空三解算采用了Leica公司的LPS软件。在L P S中建立与E O数据坐标相一致的工程, 进行了直接定向法和POS辅助空三法两种方法的试验。

直接定向法。在LPS中建立工程, 输入试验区影像, 生成缩小片。在自动完成内定向后, 在Fiducial orientation and Exterior Orientation Parameter Editor直接输入EO解算出的外方位元素, 将其作为确定值, 试验区的立体即可完全恢复, 最终进行精度检测。POS辅助空三法。前期与直接定向法一致, 不过在输入外方位元素后, 将其设为初始值, 再按直接定向法检测出的精度给出一个外方位元素合适的标准方差。进入Orima软件, 通过APM选点, 判读合适的控制点, 进行平差解算, 最后将结果写出。退回到LPS中, 进行精度检测。试验进行了仅有连接点无控制的平差、加入1个控制点的平差、加入4个控制点的平差。

8 POS数据直接定向精度分析研究

在内定向结束后, 输入RC30的POS数据"按照LPS中影像的数据顺序, 依次将其对应的E O数据拷贝到相应的位置, 获得POSEO数据直接定向的结果。

(1) 200X年B区直接定向, 精度已经可以满足1:10000成图要求; (2) 200X年B区直接定向, 平面精度可以满足1:10000成图要求, 但高程精度超限。这是因为我国的外业大地高均为ITRF97或与其相似的框架下的大地高, 而我们所采用的EO数据的大地高是初始WGS84的大地高, 两者之间有固定差, 在引入一个控制点平差后, 高程精度马上符合精度要求。

9 结语

通过该次课题试验精度分析, POS辅助RC3相机航摄, 在成小于1:10000地形图时, 可采用直接定向的方法。在成1:10000或更大比例尺地形图时, 应采用POS辅助空中三角测量的方法。

参考文献

[1]竹林村.几种低空遥感系统对比分析[J].城市勘测, 2009 (3) :65-67.

[2]姬渊, 秦志远, 等.小型无人机遥感平台在摄影测量中的应用研究[J].测绘技术装备, 2008, 10 (4) :46-48.

三维激光扫描地形数据获取处理篇4

利用三维激光扫描技术获取的点云数据建立数字地面模型很关键的一步就是要把地面点和非地面点区分开来, 从而剔除非地面点获取“纯净”的地面点, 这个过程称之为点云滤波。现如今, 许多文献都对点云滤波做出了研究。主要有以下几类:以形态学为基础的滤波方法[1—4], 以拟合为基础的滤波方法[5], 以坡度为基础的滤波方法[6—10], 以扫描线为基础的滤波方法[11—13]。每种方法都有其局限性, 如以形态学为基础的滤波方法滤波结果过分依赖移动窗口大小的选择, 对高程变化较大的区域滤波效果不好;以坡度为基础的滤波方法滤波结果则过度依赖坡度阈值的选择, 而且对每个点的K临近进行查询也相当耗时, 计算量过大。

本文所提出的方法是基于高程统计来进行点云分类。首先对点云高程进行离散化, 然后按照最大类间方差法 (OSTU) 获取最佳分割阈值, 继而对点云数据进行阈值分割, 从而获得地面点云数据。

1点云高程离散化

由点云数据可获取其最大高程值Hmax以及最小高程值Hmin, 通过设定离散化等级L, 可以得到其离散化高程宽度dh,

如果某一点的高程为Hi, 则该点所在离散化高程等级为Li,

然后对点云数据按照离散化等级依次进行统计, 便可以得到点云的高程统计直方图。获取高程统计直方图的目的在于判断是否要进行多阈值分割。通过高程统计直方图可以清楚地看到点云有几类不同高度的目标, 如果目标多于两类则需要进行多阈值逐步分割。

2单阈值分割法

通过观察高程统计直方图, 如果不同高度的目标个数不多于两个, 便可以利用单阈值分割法将点云分为两类。进行单阈值分割时可采用最大类间方差法 (OTSU) 。

最大类间方差法是1979年由日本学者大津 (Nobuyuki Otsu) 提出的, 它是在判决分析最小二乘原理的基础上进一步推导得出的自动选择阈值的二值化方法[14], 所以也简称为大津法 (OTSU) 。这种方法主要用于图像分割, 它是根据图像灰度特性, 将图像分为目标和背景两类。两类的类间方差越大, 说明类的差别越大, 错分的概率也就越小。因此, 当两类的类间方差最大时, 错分的概率也就最小, 此时的分割阈值也就是最佳分割阈值。借助最大类间分割法在图像分割中的思想, 进行点云分割便可以这样做:

设定一阈值将点云分为两类, 然后不断调整, 当两类点云的方差最大时, 此时的阈值就作为分割处理的最佳阈值。其数学表述如下:

设定阈值K, 将点云L分为两类L1、L2。分别计算L1类的概率ω1和均值μ1以及L2类的概率ω2和均值μ2, 则两类点云的数学期望为:

两类的类间方差为:

极大化σ2 (k) 的过程就是自动确定阈值的过程, 最佳阈值Kh为

具体实现步骤如下:

步骤一, 初始化分类阈值K (K为点云离散化等级第Li级所对应的高程值) 。

步骤二, 阈值K将离散化后的点云分为两类, 设为类1和类2。按照式 (4) 计算此时类1与类2间的类间方差。

步骤三, 遍历点云离散化等级Li (0≤Li≤Lmax) , 依次赋予阈值, 分别计算该阈值下的类间方差。取σ2 (K) 最大时的阈值K作为整个高程直方图的最佳分割阈值。

此时, 便可以将小于阈值K的点归类为地面点, 大于阈值K的点归类为非地面点, 直接将非地面点进行删除即可。

3多阈值分割法

如果高程统计直方图表现出多峰现象, 即不同高度的目标有好几个, 此时如果继续用单阈值分割法就会造成误判。点云的多阈值分割法可以看成是单阈值分割法的推广, 它是一个迭代的过程, 对点云逐步进行分割。其流程图如图1所示。

此流程算法的关键之处在于直方图多峰现象的判断。所谓的多峰现象, 也就是直方图中有两个以上的独立峰。经试验验证可采用下列三组条件进行独立峰的判断:

1) 独立峰要具有一定的宽度, 即相邻两波谷的间距≥l。

2) 独立峰要具有一定的面积, 即相邻两波谷和波峰所围成图形的面积≥s。

3) 独立峰要具有一定的峰谷比, 即波峰与其相邻两波谷的比值≥δ。

三阈值l、s、δ根据采集数据的实际情况进行设定, 可多次设定进行对比, 以达到判断多峰现象最佳的目的。

这是个逐步分割的过程, 先分割出高程最低的点群并从原始点云中剔除, 再在剩余点云中再次迭代分割出高程次低的点群, 如此循环便可将原始点云按不同的阈值分割出不同的点群。

4地面点连通规则

原始点云经过多阈值分割后会分成不同层的点群, 一般默认为最下层也就是高程集体表现最低的点群为地面点。除此之外, 地面点还应包括其他各层 (尤其是与最下层相邻的层) 点群中由于地面起伏而凸起的点。

将分割后的点云分层进行观察, 可以发现每层的点群都会表现出连通区域或大或小的“点云块儿”。这些块儿状点云主要是由于建筑物、树木以及地面起伏造成的。显然, 应该剔除由于建筑物或者树木造成的块儿状点云, 保留由于地面起伏造成的块儿状点云。如何进行区分, 要遵循以下规则:

1) 连通区域较小且分散比较开的块儿状点云直接进行剔除, 此类块儿状点云是由于一般建筑物或者树木造成的。

2) 连通区域较大的块儿状点云可能由两种情况造成, 一种是大面积的建筑物 (比如房顶) , 另一种则是地面起伏。前一种情况要剔除, 后一种情况要保留。如何进行区分, 主要依赖于这些块儿状点云与其周边点云高程的落差情况。如果块儿状点云与其周边点云高差相差较大, 则说明该块儿状点云是由于大面积建筑物造成的应该剔除。反之, 则应该保留。由图2和图3可以看出其区别。

5非地面点滤波处理

按照上述规则分别对各层数据进行分析对比, 剔除非地面点, 将剩余点进行连通即可得到想要的地面点云。但是此时的点云数据还存在误判性, 比如一些低矮的植物, 由于其分层后的点群与其周边其他点的高程差也不大, 所以很容易将此种类型的点云误分到地面点中去。为减小这种误判性, 可采用趋势面拟合法对连通后的点云进行非地面点滤波处理。

趋势面拟合法的基本思想是利用底层已确定的点云数据建立二次曲面, 然后对其余各层中连通的地面点进行高程拟合, 最后比较真实值与拟合值的高程差, 将高程差超过阈值的点进行删除。

一般地设定二次曲面函数为:

式 (6) 中, x、y、z为点的三维坐标, a0、a1、a2、a3、a4、a5为待求曲面函数的系数。

首先, 通过n个已知的地面点 (n≥6) 对式 (6) 建立误差方程, 然后按照最小二乘原理求解系数ai (i=0, 1, 2, 3, 4, 5) [15], 最后利用求解出来的二次曲面分别对其余各层的地面点进行高程拟合, 并计算拟合值与真实值zj的差值Δ, 若Δ大于阈值ε则将该点删除掉, 否则保留。

6试验分析

本次试验所采用的仪器是奥地利Riegl公司生产的VZ—400型三维激光扫描仪, 其仪器参数如表1所示。

本次试验区域为某教学楼前的一片空地, 为便于分析研究选取其中一块儿具有代表性的区域 (约为20 m×10 m) , 如图4、图5中。

从图中可以清楚地看到地面上除了高低不一的独立树还有一些土坎 (图中点云中有些空白区域正是由于土坎对扫描脉冲的遮挡所造成的) , 如前文所述独立树是要剔除的而土坎则是要保留的。

具体实现步骤如下:

1) 对点云高程进行离散化, 统计高程直方图。

此区域扫描的点云数量为10 091Table 2 Threshold segmentation个点, 高程范围是22.831~29.213m。将离散化等级设置为500级, 其高程离散化直方图如图6所示。

2) 对离散化的点云进行多阈值OTSU分割, 计算得出的最佳分割阈值如表2所示。

按照分割阈值对点云进行分层处理, 得到的结果如图7~图12所示。

3) 对除底层外其他各层的点云进行地面点连通判断。

底层点云默认为地面点, 第三层由于点云的连通区域较小且该层平均高程与底层点云相差较大故可直接删去。第二层点云虽然连通区域也不大但由于其极有可能包含地面起伏的点 (如土坎等) 故需单独进行判断。分别统计第二层点云以及该层周边点云 (这些点存在于第一层中) 的高程, 计算高差。设定阈值为1 m, 若高差超过1 m, 则视为非地面点, 否则保留为地面点。最后, 连通底层和第二层中的地面点, 结果如图13、图14所示。

4) 对上步得到的地面点利用趋势面拟合法再次进行非地面点滤波, 可得到最终的地面点云如图15、图16所示。

综上可得每步操作后的点云数据对比如表3所示。

7结论

实验数据的获取与处理篇5

1 LIDAR数据滤波的原理

滤波的基本原理是基于邻近激光脚点间的高程突变 (局部不连续) , 一般不是由地形的陡然起伏所引起, 更为可能的是较高点位于某些地物。即使高程突变是由地形变化所引起的, 就一个区域来讲, 其表现形态也不会相同, 陡坎只引起某个方向的高程突变, 而房屋所引起的高程突变在四个方向都会形成阶跃边界。在同一区域, 一定范围大小内地形表面激光脚点的高程和邻近地物 (房屋, 树木, 电线杆等) 激光脚点高程变化显著, 在房屋边界处更为明显。局部高程不连续的外围轮廓就反映了房屋的形状。当激光扫描到枝叶繁茂的参天大树时, 激光脚点间的高程也会出现局部不连续的情况, 但其表现形态却与前者有显著差异。

两临近点间的距离越近, 两点高差越大, 较高点位于地形表面的可能性就越小, 因此, 判断某点是否位于地形表面时, 要顾及该点到参考地形表面点的距离, 随着两点间距离的增加, 判断的阈值 (threshold) 也应放宽, 主要是为了同时考虑地形起伏产生的高程变化。两地面点间的距离越远, 自然高差 (地形变化形成的高差) 就会越大。

2 现有的滤波方法

大部分激光扫描点滤波算法的思想基于如下假设:临近激光脚点间的局部不连续 (高程突变) 一般不是由地形的起伏所造成, 而是突变点位于非地面之上。高程突变的表现形态也不相同, 例如陡坎只引起某个方向的高程突变, 而房屋所引起的高程突变在四个方向都会形成阶跃边界。当激光束投射到植被上时, 激光点间的高程也会出现局部不连续的情况, 但其表现形态与前者有显著的差异。两邻近点间距离越近, 两点高差越大, 较高点位于地形表面的可能性就越小。因此, 判断某点是否位于地形表面时, 要顾及该点到参考地形表面点的距离, 随着两点间距离的增加, 判断的阈值也应放宽。考虑到地形起伏产生的高程变化, 两地面点之间的距离越远, 可能出现的高差会越大。目前用于机载LIDAR数据滤波的方法概括来讲大致可以分为形态学滤波法, 移动窗口法, 线性预测法, 基于地形坡度滤波, 移动曲面拟合滤波方法, 三角网迭代法, 基于数据分割等几种方法。

3 基于移动曲面拟合滤波算法的滤波实验

本文采用移动曲面拟合滤波算法进行多次实验, 包括平坦地形、水域、城区、山区等。实验区选择我国湖北省武汉市地区, 该区域地物比较丰富, 有开阔地、道路、居民住宅、大型建筑物、树、森林和河流等。地形坡度在城市地区较平缓, 部分地区为山区或小土墩。LIDAR数据由Leica公司的ALS50Ⅱ型航空激光雷达系统装载在运-5型飞机上获得, 相对航高1400m, 激光间距大约为2m。

3.1 实验数据

为了便于直观的显示滤波效果, 搜集了该地区的航空影像作为参考 (如图2) 。实验区主要以工矿厂房为主, 包含了4条互相交叉的高级公路和一小部分住宅。在实验区的西北方, 有2个小型的人工湖泊, 在西南方和东北方各有一座小山。原始点云数据 (如图3) 。

3.2 滤波实验结果

首先将获取的原始点云数据*.LAS格式使用LIDARVIEWER软件转换为TXT文本格式, 将转出的TXT文件使用移动曲面拟合算法滤波处理。获得新的TXT文本。本文采取直接将TXT文本数据转化为SHP, 即可生成3维效果图。

3.3 实验分析

从以上效果可以看出 (图4) , 移动曲面拟合滤波算法能够很好的过滤掉地面上的建筑物, 原来在实验区内部的建筑物点已经全部滤掉, 原建筑物部分的地面表现为空白, 从点云分布图可以看出是因为该区域点已经被滤掉的缘故。除建筑物外, 移动曲面滤波算法还过滤掉了地面的以及道路两旁的树木, 公路现已经表现为条带的面状物;西边的2个小型人工湖泊和河流表现为洼地, 西南部的和东北部的山地效果较为明显, 可以明显的看到地势的起伏。东部的大片建筑物和树木已经完全过滤, 可以看到路基两侧较过滤之前平滑, 和滤波阈值的选取有直接关系。阈值的大小, 需要根据不同地区多次实验, 方可找到合适的阈值。

3.4 综合评价

移动曲面拟合法滤波, 算法简单明了。运算速度快, 自适应性强, 滤波性能基本上不受地形条件和地物数量的限制。但算法要求保证一定的数据密度, 以保证趋势面更新较快, 更新的过程实际上就是滤波趋势面自适应地形起伏的过程。当然算法还要保持局部第行数据的离散分布, 避免数据点的畸形分布 (比如数据几乎共线) 。对于当前的机载激光扫描系统来说, 数据采集密度已经不存在问题, 绝大多数系统提供的数据密度都能保证在1points/m2以上。

移动曲面拟合算法实现过程中的另一关键之处是阈值的选取, 这里的曲面拟合算法实质是基于一种外推的算法, 在数学上外推的精度要远远低于内插的精度, 所以阈值的设置不宜过大, 这样会积累外推的误差, 导致曲面无法移动。解决的办法是可以进行多次滤波。

4 数字高程模型的创建

DEM是对一个地区的地表高程变化的表示, 可以采用多种方式表达。地形表面的特征决定了地形表面表达的难度, 因而在影响最终DEM表面的各种因素中扮演了重要的角色。随着计算机应用技术和GIS技术的发展, 人们通常采用数字地面模型主要有三种基本形式:规则格网、不规则三角网和数字等高线。滤波后的点云数据可以认定为一个地面特征点的集合, 本文采取了不规则三角网的表示方法来表示D E M数据。将滤波后的点云先生成三角网进而生成高程模型 (DEM) 。利用TIN来验证试验结果将更加直观 (如图5) 。

虽然DEM的空间分辨率的最终影响因素是生成DEM的LIDAR数据中激光脚点的密度;但是若已经存在的DEM的分辨率不能满足应用要求, 则可通过重采样来补充采样点数量和密度上的不足, 以达到提高空间分辨率的目的。本文并未进行内插处理, 因为激光脚点的密度已经足够。将滤波后生成的TIN栅格化, 即可得到数字高程模型。

参考文献

[1]张瑞菊, 王晏民, 李德仁.快速处理大数据量三维激光扫描数据的技术研究[J]测绘科学, 2006 (5) .

航摄内业处理中DSM获取实验研究篇6

数据滤波和分类主要取决于所用的扫描技术、测区的地形复杂程度和数据点的密度。地形平坦, 地物覆盖稀疏, 对滤波算法性能要求不高, 数据点的空间分布不要求很密。如果测区地形复杂, 地物覆盖密集, 就要求滤波算法能根据具体的地形条件自适应的调整, 对数据点的空间分布也又一定的要求, 保证一定的数据密度。

机载激光雷达的数据采集具有一定的盲目性, 这就给数据的滤波和分类带来一定的困难。特别是对度复杂地形条件测区的数据进行滤波和分类尤其困难, 地形的陡然起伏形成地形表面不连续同由地物引起的表面模型的不连续很难区分。为此必须设计一个算法对数据进行智能化的滤波和分类处理, 这个算法应满足如下要求: (1) 进行滤波时尽可能保留重要的地形特征信息。譬如山谷, 沟坎等; (2) 尽量减少滤波误差。

1 LIDAR数据滤波的原理

2 移动曲面拟合滤波算法

该算法的基本思想是基于如下假设:可以假设地形表面是一个复杂的空间曲面, 任何一个复杂的空间曲面在其局部面元可以利用一个简单的二次曲面去拟合, 当局部面元小到一定程度, 甚至可以将该局部面元近似表达成一个平面。基于上述假设, 首先将离散点数据进行二维排序, 然后在区域内找彼此相互靠近的最低的三个点作为初始地面点, 既初始拟合面。然后将临近的备选点的平面坐标带入平面方程, 既可计算出备选点的拟合高程值, 拟合高程值同该点的观测高程之差如果超过给定的阀值, 就认为该激光点不在地面上而被过滤, 否则就接受该点为地面点。当拟合点数为6时, 保持点数不变, 新增一个地面点, 就丢掉一个最老点, 这样直到结束。该方法的优点是对原始数据不需要重采样, 也不需要预先剔除粗差, 保证了原始数据精度不被破坏。另外一个优点是该算法运算速度较快, 但是该算法要求地面连续, 激光点必须保持一定的密度, 并且阀值的选取必须反复进行, 直至找到最佳的值。

3 基于移动曲面拟合滤波算法的滤波实验

3.1 实验数据

为了便于直观的显示滤波效果, 搜集了该地区的航空影像作为参考, 如图3。实验区主要以工矿厂房为主, 包含了4条互相交叉的高级公路和一小部分住宅。在实验区的西北方, 有2个小型的人工湖泊, 在西南方和东北方各有一座小山。

3.2 滤波实验结果

首先将获取的原始点云数据*.LAS格式使用LIDARVIEWER软件转换为TXT文本格式, 将转出的TXT文件使用移动曲面拟合算法滤波处理。获得新的TXT文本。该文采取直接将T X T文本数据转化为S H P, 即可生成3维效果图。

3.3 实验分析

从以上效果可以看出, 移动曲面拟合滤波算法能够很好的过滤掉地面上的建筑物, 原来在实验区内部的建筑物点已经全部滤掉, 原建筑物部分的地面表现为空白, 从点云分布图可以看出是因为该区域点已经被滤掉的缘故。除建筑物外, 移动曲面滤波算法还过滤掉了地面的以及道路两旁的树木, 公路现已经表现为条带的面状物;西边的2个小型人工湖泊和河流表现为洼地, 西南部的和东北部的山地效果较为明显, 可以明显的看到地势的起伏。东部的大片建筑物和树木已经完全过滤, 可以看到路基两侧较过滤之前平滑, 和滤波阈值的选取有直接关系。阈值的大小, 需要根据不同地区多次实验, 方可找到合适的阈值。

3.4 综合评价

4 数字高程模型的创建

DEM是对一个地区的地表高程变化的表示, 可以采用多种方式表达。地形表面的特征决定了地形表面表达的难度, 因而在影响最终DEM表面的各种因素中扮演了重要的角色。随着计算机应用技术和GIS技术的发展, 人们通常采用数字地面模型主要有三种基本形式:规则格网、不规则三角网和数字等高线。

4.1 规则格网模型

规则格网通常是正方形、矩形或三角形, 它将区域分割为规则的格网单元, 每个对应于一个高程值。在计算机实现中可用一个二维数组或数学上的一个二维矩阵表示, 每个格网单元或数组的一个元素对应一个高程值;规则格网很容易地用计算机进行处理, 特别是栅格数据结构的地理信息系统。

4.2 不规则三角网 (TIN) 模型

若将按地形特征采集的点按一定规则连接成覆盖整个区域且互不重叠的许多三角形, 构成一个不规则三角网TIN表示的DEM, 通常称为三角网DEM或TIN。区域中任意点落在三角面的顶点、边上或三角形内。如果点不在顶点上, 该点的高程值可通过线性内插方法得到 (在边上用边的两个顶点的高程, 在三角形内则用三个顶点的高程) 。所以TIN是一种三维空间的分段线性模型, 在整个区域内连续但不可微。

滤波后的点云数据可以认定为一个地面特征点的集合, 该文采取了不规则三角网的表示方法来表示D E M数据。将滤波后的点云先生成三角网进而生成高程模型 (DEM) 。利用TIN来验证试验结果将更加直观, 如图2。

摘要：该文基于笔者多年从事航空摄影数据处理的相关工作经验, 以基于LIDAR数据的数字高程模型获取为研究对象, 论文首先对现有各种滤波算法进行了综合评价, 指出了现有方法的不足, 在此基础上结合该文数据特点和应用选择了移动曲面拟合算法进行了滤波实验, 在分析了各种插值算法的基础上, 采用了不规则三角网创建地表模型, 取得一定的滤波效果。全文是笔者长期工作实践基础上的理论升华, 相信对从事相关工作的同行能有所裨益。

关键词：LIDAR,滤波,移动曲面,实验

参考文献

[1]张瑞菊, 王晏民, 李德仁.快速处理大数据量三维激光扫描数据的技术研究[J].测绘科学, 2006 (5) :93-94, 68.

实验数据的获取与处理篇7

关键词：物理实验,数据处理,PHP,SQL

大学物理实验是理工科学生必修的一门实践性课程,在该课程中,每做一个实验都需要测量、记录和处理数据,在填写完成后上交实验报告。处理实验数据通常包含以下工作:

1)检测测量数据。如判断实验数据记录的正误,判断实验数据的好坏等。

2)根据有关公式计算实验测量值。

3)写出误差分析公式,并计算误差。

目前多数学校处理实验数据的方式是以手工计算为主。为了保证测量值的可靠性,通常每个值都需要测量较多的数据,再加上间接测量值的计算公式比较复杂,致使花费在数据处理的工作量比较大。就大学生而言,数值计算已不成为主要的训练内容,而应该把时间放到分析测量结果上。为此,本文基于PHP和SQL程序设计语言,设计出大学物理实验数据处理系统,实现实验数据处理和实验报告提交的自动化和网络化。

1 系统的需求分析

系统主要由学生、老师和管理员三类人员使用,针对日常的大学物理实验,报告主要功能应包括:

1)学生对物理实验数据的输入、处理、管理以及实验报告填写、管理。

2)教师能能够安排课程并对学生实验的数据和报告的浏览、评价。

3)管理员对系统成员的管理。

该系统的性能要求主要体现在两方面:正确性和安全性。正确性是指实验数据处理要严格按误差理论及有效数字正确的方式来处理。安全性是指要保证每位学生提交的实验数据的安全性,以防他人篡改。

2 系统设计

2.1 系统体系结构设计

根据系统的功能需求,该系统划分为三个主要模块:学生模块、教师模块、管理员模块,如图1所示。学生模块包含数据处理、实验报告、查看成绩、用户信息管理等子模块;教师模块包含课程安排、批改报告、查看成绩、用户信息管理等子模块。管理员则对应管理成员信息。

2.2 数据库设计

本系统关键的几张数据库表包括:

1)学校各学院班级的信息表。

2)学生用户信息表:包含学号、姓名、性别、密码、学院、班级、联系方式。

3)教师用户信息表:包含教工号、密码、性别、联系方式。

4)管理员用户信息表:包含用户ID、密码、性别、联系方式。

5)实验名称表:包含实验类别、实验名称。

6)实验数据表:包含实验名称、实验使用者、数据处理状态、实验数据。

7)实验报告表:包含实验名称、实验使用者、报告处理状态、报告内容、实验数据、实验成绩。

8)课程安排表:包含实验名称、申请教师、学期、学院、班级、课程状态。

3 功能实现

3.1 系统登陆与注册的实现

登陆界面主要包含三个输入文本域,分别是用户名,密码,验证码。若用户尚未注册,在此页面中提供注册链接。在注册页面,首先是身份选择,不同的身份,填写的内容也不一相同。选择身份后将进入相应注册页面。

3.2 学生实验数据处理功能的实现

以光学实验“用牛顿环测量透镜曲率半径”为例,该实验的实验数据包含测量环的起始环数、截止环数以及各个环的位移。为了方便操作,用户先将起始环和截止环输入到相应的文本框中,再点击“确定”按钮。在系统将自动输出用户输入所需的文本框提供用户输入相应的位移值。例如某用户测的是从21环到30环的数据。用户在起始环数输入21,在截止环数输入30,点击“确定”按钮,页面将会刷新而且制出21环到30环左右位移可输入文本框供用户填写。填完表中的数据后,用户就可以点击“提交”按钮进行下一步的计算,同时系统会对数据是否符合格式要求做出判断。数据输入界面如图2所示,处理结果显示界面如图3所示。

3.3 学生实验数据管理功能的实现

在管理数据页面中,用户可以对保存过的实验数据进行管理操作。系统将储存的数据根据所在状态分为“未上交的数据”,“待批改的数据”,“已批改的数据”三类划分,不同的分类拥有不同的管理操作权限。

在本系统具有上交和退还实验数据功能。对于未上交的实验报告用户可以上交,但是每个实验只能上交一份。上交发现有错可以退还,但一经批改后就只能查看,无法再退还和删除。

3.4 学生实验填写报告功能的实现

在本系统中,实验报告的子模块为用户提供填写实验报告的功能。实验报告项目的设立是根据广西民族大学实验报告的纸质版来设立。在实验报告填写内容框中,用户可以常规输入之外,还可以进行输入特殊字符,公式输入,粘贴等高级操作。用户只需把相应的内容填写完整,再点击“保存”按钮,系统就将内容保存到数据库中。

3.5 学生实验管理报告功能的实现

在本系统中,实验报告的子页面管理报告页面为用户提供管理实验报告。管理项目与数据管理类似,仅在此增多了打印实验报告一项。用户可以根据需要通过联网打印实验报告。

3.6 学生实验成绩查询功能的实现

在本系统中,成绩查询页面为用户提供实验成绩查询。用户可以根据学期来选择查询相应的成绩,系统对符合条件的数据进行统计并输出显示到新页面。当用户在该学期所有实验报告成绩评出后,系统就会在平均分一栏显示该学期的平均分,否则留空,如图4所示。

3.7 学生用户信息管理功能的实现

用户可以在用户管理页面对自己的资料进行修改管理。对于学生和教师用户,该用户身份和学号均不可更改,密码需要输入旧密码进行确认后方可修改。

3.8 教师实验课程安排功能的实现

教师用户只有开设了课程才可以对相应的实验报告进行批改等操作。在课程安排页面用户可实现此功能,如图5所示。

3.9 教师实验课程管理功能的实现

教师用户提交课程安排后,课程信息将储存到数据库并反馈给试验管理员,教师用户所安排的课程必须得到实验管理员的审批后方生效。教师用户对课程安排可以进行删除操作。

3.1 0 教师实验报告评分功能的实现

教师用户可以选择相应的学期、学院、班级、实验项目进行评分。

3.1 1 教师实验成绩查询功能的实现

教师用户的成绩查询和学生用户的成绩查询类似,只是教师用户成绩查询是针对班级的查询,学生用户的查询是针对个人的。

3.1 2 教师用户信息管理功能的实现

教师用户信息管理页面和学生用户信息管理页面类似,其功能效果是一致的。

4 结论

本系统以PHP语言为主,结合SQL、javascript等多种语言为辅来实现代码编写,具有良好的互交性和可靠性。而且本系统拥有完整的框架,独立的数据库以及独立的处理页面。既可独立使用,也可以整合到其他主系统中结合使用。实际运行结果表明,该系统能较好解决大学物理实验对数据处理的需求。

参考文献

[1]罗兴垅,罗颖.实验教学研究Matlab软件在物理实验数据处理中的应用[J].赣南师范学院学报,2004(3).

[2]牛原,肖霖,成正维.大学物理实验数据处理系统[J].大学物理实验,2008(1).

实验数据的获取与处理篇8

在中国大洋协会“十五”采矿海试系统中,多金属结核中试采矿系统设计是该项目的重要任务,而采矿系统的测控实验系统则是其中的一个重要组成部分。创建测控实验系统的目的是为了验证采矿系统运动学动力学有限元程序和ADAMS程序的正确性和可靠性。在研究、拟定多金属结核中试采矿模拟实验方案的基础之上,选取一组实验方案进行了动力学模拟,得出了一些具有参考价值的重要数据。在模拟实验中采集到的原始数据对虚拟课题研究者来说是不直观、没有明确物理意义的,必须把它们恢复成一定的物理量形式,并尽可能形象地给出它们的变化规律,以便数据使用者能一目了然地看出他们所要了解的东西,这是数据处理的首要任务。

此外,在模拟实验过程中,由于系统本身的原因、外界的干扰、噪声的影响,会或多或少地在实验数据中引入一定的误差,如系统误差、随机误差和粗大误差等,本系统中影响较大的是随机误差。数据处理的另一个重要任务就是采取各种方法(例如,剔除奇异项、滤波等)最大限度地消除这些误差[1,2]。图1反映了测试系统数据后处理系统的设计思想。

2 实验数据后处理平台功能及界面设计

根据前面的数据后处理思想,设计了测试系统数据后处理平台,其主要功能如下:

(1)剔除实验数据的奇异项,减小随机误差的干扰;

(2)加权平滑滤波,有效消除白噪声;

(3)绘制处理前后的实验数据,供虚拟研究者参考;

(4)自动显示本次实验数据中的最大值、最小值和变化差值等数据特性;

(5)查看已有的实验数据表,并且可以进行编辑;

(6)用户选择是否保存本次实验数据,选“是”则保存数据进入数据库,选“否”则放弃。

同时,在Delphi平台上设计了数据后处理平台界面[3],如图2所示。

3 实验数据后处理系统设计研究

实验数据后处理是多金属结核中试采矿模拟实验系统的一个重要研究内容。本节以软管系统受力特性模拟实验数据为例,对数据后处理进行详细分析与研究。

在模拟实验中,用软钢尺模拟真实软管,软管下端连接模拟集矿机,上端固定,软管下端贴电阻应变片。电机驱动模拟集矿机沿X方向运动,数据采集卡实时采集模拟软管下端的弯曲应变。

利用多金属结核中试采矿模拟实验系统获取的原始数据是数据采集卡采集到的各个时刻对应的电压值e,它的物理意义不明确,必须根据一定公式转化成应力。根据应变片的双臂半桥工作方式,应变与输出电压之间转换公式、应变应力转换公式如下:

式中:e0为桥路输出电压;U为供桥电压,U=2V;KS为应变片灵敏系数,KS=2;ε0为应变值;σ为应力;E为弹性模量。

3.1 检拾数据中的奇异项及其计算机程序实现

测量数据在传输过程中,由于强干扰或意外情况,可能出现有较大误差的数据点。错误的数据点混在大量正确数据之中,却不真正代表被测物理参数的实际值。这些数据点被称为奇异点或奇异项,奇异项的存在使数据处理误差大大增大。为尽可能减小数据处理误差,在数据处理之前,必须把奇异项检拾起来,同时在该点位置上补上一个合适的值[4]。

任何一个物理量的变化总是从大到小或从小到大平滑变化的。也就是说,任何物理量的变化有它本身的连续性。可以根据物理量的连续特性用预测的方法来检拾奇异项。

采用一阶差分方法可以检拾奇异项。当数据采样频率大于物理量变化的最高频率时,一阶差分的预测方法具有足够的精度。本系统的实验数据变化较缓慢,采样频率为20Hz,采用一阶差分方法检拾奇异项完全满足数据处理精度的要求。一阶差分方程表达式为:

式中:为在t时刻预测值;xt-1为t时刻前一个采样点的值;xt-2为t时刻前两个采样点的值。

用t时刻的预测值和t时刻的实际数据值进行比较,来判断t时刻的实际数据值是否为奇异项。其判断准则为,给定一个误差限,即给定一个误差窗口W,若t时刻的实际数据值为xt,当时,则认为此采样值不符合正常变化规律,是奇异项。根据数据采集系统的采样频率和物理量的变化特性决定误差窗口W的大小。本数据采集系统的误差窗口W=0.7。

用Pascal语言计算机程序实现检拾奇异项,其流程图如图3所示。

3.2 平滑滤波及其计算机程序实现

叠加在数据上的噪音,在很多情况下可以近似认为是白噪音。白噪音具有一个很重要的统计特性,即它的统计平均值为零。根据概率论,一个平稳的随机过程的统计平均值可以从随机过程一个样本的时域平均求得[4]。即:

式中:n(t)为随机噪声的一个样本;T0为观测时间;E[n(t)]为对n(t)取平均值。

当n(t)进行等间隔采样时,其离散序列的均值可表示为:

如果n(t)是随机白噪声的一个样本,那么显然有:

在实际工程领域,取无穷多个采样点是不可实现的。但只要N的数目足够大,就可以近似地用有限个观察点N的算术平均值来逼近统计平均值。假设数据采集系统采得的数据由两部分组成:

式中:x(t)为处理前的数据;s(t)为有用数据;n(t)为随机噪声。

上式用离散值形式可表示为:

有用值xk在N次测量中基本保持不变,而随机噪声n(t)是变化的。在求取平均值之后,n(t)的值会因为误差的随机性互相抵消一部分,使得随机噪声对信号的影响减小。随着N值的增加,将趋向于零。因此,利用时域平均可以平滑噪声,即平滑滤波[4]。

平滑滤波有很多种方法,例如单纯移动平均滤波,加权移动平均滤波等。单纯移动平均滤波有很大缺陷。因为在实际工程领域,数据的有用值往往是有变化的。单纯移动平均滤波不但对噪声进行了平滑,而且也对数据的变化部分进行了平滑,从而引入了由于数据处理本身所产生的方法误差。这个误差随N值的增大而增大。单纯移动平均滤波一般无法达到很好的滤波效果。加权移动平均滤波在平均区段内各点的权值不同。平滑处理中心点附近的数据权值大。越偏离中心,权值越小。这样可以减小滤波方法对数据本身的平滑作用,从而减少了处理方法自身所引起的方法误差。

本文的实验数据可认为是白噪声,经过研究,选用加权移动平均方法对实验数据进行滤波处理。

现假设权系数为,平滑后第k点的数据表示为:

式中L及V为加权系数的上下限。平滑处理后,噪声的平均方差为:

式中:r=l-k;W(p)为归一化系数,

基于使平滑后的数据以最小均方差逼近原始数据的思想,利用最小二乘法求取加权系数。逐点移动x0点的位置,就可以对所有数据进行平滑滤波处理。点数越多,滤波效果越好。但是点数的增加同样会增大计算量,效率不高。经过综合考虑,采用七点加权平滑滤波。平滑公式、数据前三点和后三点计算公式为:

用Pascal语言计算机程序实现平滑滤波算法,其流程图如图4所示。

图5是数据处理前后对比曲线,从图中可以看出,进行数据后处理的数据曲线更加真实地反映物理量的变化趋势和特性,更加有利于实验数据的分析。

4 小结

进行数据后处理的数据曲线更加真实反映物理量的变化趋势和特性,有助于虚拟课题研究者的计算机仿真结果对比研究。数据后处理系统的设计方法具有形象直观、低成本、高效率的特点,可以推广到其它工程领域,因而具有一定的参考价值和广阔的应用前景。

参考文献

[1]吴正毅.测试技术与测试信号处理[M].北京:清华大学出版社,1991.

[2]严普强,黄长艺.机械工程测试技术基础[M].北京:机械工业出版社,1985.