張鮮妮

摘 要： 作者結(jié)合國內(nèi)測繪院校攝影測量實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，在分析安徽理工大學(xué)遙感科學(xué)技術(shù)專業(yè)攝影測量實(shí)踐教學(xué)存在的問題的基礎(chǔ)上，依據(jù)師資條件、實(shí)驗(yàn)室硬件條件，構(gòu)建攝影測量實(shí)踐教學(xué)體系。增加攝影測量實(shí)踐教學(xué)學(xué)時，將傳統(tǒng)單一的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)改為課內(nèi)實(shí)驗(yàn)與集中實(shí)踐并行，實(shí)現(xiàn)“兩步走”，即課內(nèi)實(shí)驗(yàn)打基礎(chǔ)，集中實(shí)踐綜合訓(xùn)練。

關(guān)鍵詞： 攝影測量學(xué) 實(shí)踐教學(xué) 全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng) 無人機(jī)

相對于傳統(tǒng)測量方式，攝影測量屬于非接觸式測量，側(cè)重物體幾何信息的提取，攝影測量的發(fā)展歷經(jīng)了三個階段，即模擬攝影測量，解析攝影測量，數(shù)字?jǐn)z影測量，同時隨著機(jī)載POS，無人機(jī)、LIDAR，可量測實(shí)景影像等技術(shù)在攝影測量領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛[1]。社會對攝影測量人才的需求日益增多。因此高等院校測繪類專業(yè)在制定培養(yǎng)方案的時候都設(shè)定攝影測量課程為專業(yè)核心課程，該課程教學(xué)目標(biāo)為學(xué)生通過這門課程學(xué)習(xí)，應(yīng)該系統(tǒng)掌握攝影測量學(xué)的基本理論和方法，應(yīng)該能運(yùn)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題。但是通過大量調(diào)查及文獻(xiàn)分析，國內(nèi)各院校攝影測量課程仍然偏重于傳統(tǒng)理論學(xué)習(xí)，實(shí)踐教學(xué)體系不夠完善，導(dǎo)致學(xué)生只停留在對書本知識的膚淺理解上，動手能力不強(qiáng)，不能很快適應(yīng)工作需求，對學(xué)生工作指導(dǎo)性不大[2]。為了培養(yǎng)學(xué)生扎實(shí)的攝影測量實(shí)踐技能，必須根據(jù)本學(xué)科特點(diǎn)，實(shí)施課程實(shí)踐教學(xué)改革，培養(yǎng)適應(yīng)社會需求的攝影測量人才，是攝影測量實(shí)踐教學(xué)急需解決的問題。本文以安徽理工大學(xué)遙感科學(xué)技術(shù)專業(yè)為例，闡述如何構(gòu)建攝影測量課程實(shí)踐教學(xué)體系。

1.“攝影測量學(xué)”課程特點(diǎn)

攝影測量學(xué)是一門內(nèi)容抽象、邏輯嚴(yán)密、實(shí)用性強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)核心課，它在測繪類專業(yè)課程體系中的地位至關(guān)重要。根據(jù)筆者多年以來的攝影測量學(xué)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合學(xué)生的反饋信息，結(jié)果表明：近70%以上的學(xué)生認(rèn)為課程內(nèi)容太難懂，20%的學(xué)生反映課程學(xué)習(xí)興趣吸引力不大，甚至10%的學(xué)生認(rèn)為課程學(xué)習(xí)很吃力，以至于最終放棄學(xué)習(xí)。攝影測量學(xué)課程特點(diǎn)總結(jié)如下[3]：

1.1基本概念多，公式推導(dǎo)多。

整個課程涉及的專業(yè)基本概念多，如像方坐標(biāo)系、物方坐標(biāo)系、內(nèi)方位元素、外方位元素、內(nèi)定向、相對定向、絕對定向、共線條件方程、影像匹配等，內(nèi)容抽象，不易理解。貫穿整個課程的公式推導(dǎo)較多，對學(xué)生的數(shù)學(xué)功底要求較高，如共線條件方程、共面條件方程、相對定向元素解算、絕對定向元素解算，光束法解算等，綜合運(yùn)用高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、測量平差、GPS原理等多門學(xué)科知識，尤其高等數(shù)學(xué)中的微積分、泰勒級數(shù)展開式、線性代數(shù)中的矩陣運(yùn)算和測量平差中的最小二乘等。

1.2空間關(guān)系復(fù)雜，空間立體感強(qiáng)。

攝影測量的實(shí)質(zhì)是“由平面到立體”，即由二維的像點(diǎn)坐標(biāo)如何計算三維的地面點(diǎn)坐標(biāo)。這個過程涉及多個坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換，空間關(guān)系較為復(fù)雜，涉及不同原點(diǎn)的坐標(biāo)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)、縮放、平移，以及同原點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)、縮放等。要求學(xué)生具備較強(qiáng)的空間想象能力[4]。

1.3學(xué)科交叉性強(qiáng)。

攝影測量學(xué)是一門重要的對地觀測技術(shù)，涉及的交叉學(xué)科比較多，如數(shù)學(xué)、物理、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、數(shù)字圖像處理技術(shù)、模式識別、人工智能、計算機(jī)圖形學(xué)等多種空間信息技術(shù)，因此要加強(qiáng)各學(xué)科之間的聯(lián)系。攝影測量學(xué)的課程特點(diǎn)要求學(xué)生具備扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，否則會嚴(yán)重影響學(xué)習(xí)效率。

1.4理論與實(shí)踐并重。

通過對比各測繪類院校攝影測量教學(xué)方案，受制于師資力量、實(shí)驗(yàn)條件，攝影測量實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時較少，實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容落后，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安排不夠系統(tǒng)，使得學(xué)生不能很好地將理論與實(shí)踐結(jié)合起來，大量抽象理論知識很難在腦子里得到消化。

筆者近幾年攝影測量教學(xué)結(jié)果表明：數(shù)學(xué)基礎(chǔ)薄弱是同學(xué)們學(xué)習(xí)這門課程的最大障礙；內(nèi)容抽象、空間關(guān)系復(fù)雜的課程特點(diǎn)也是造成學(xué)習(xí)障礙的另一原因；此外實(shí)踐教學(xué)體系的不完整，是制約學(xué)生學(xué)習(xí)這門課程的主要瓶頸。

2.攝影測量實(shí)踐教學(xué)改革

針對攝影測量學(xué)課程的特點(diǎn)，結(jié)合當(dāng)下社會對攝影測量實(shí)踐人才的需求，筆者結(jié)合本校遙感科學(xué)與技術(shù)專業(yè)特點(diǎn)實(shí)施攝影測量實(shí)踐教學(xué)改革。

安徽理工大學(xué)遙感科學(xué)與技術(shù)專業(yè)開辦于2011年，至今已有4年，該專業(yè)培養(yǎng)方向有兩個：遙感技術(shù)應(yīng)用、攝影測量。專業(yè)培養(yǎng)方案中攝影測量課程為專業(yè)核心課程，總學(xué)時64學(xué)時，其中有8學(xué)時為課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，與課堂教學(xué)結(jié)合在一起。由于學(xué)時有限，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有：反光立體鏡立體像對觀察（2學(xué)時），單片空間后方交會編程實(shí)驗(yàn)（4學(xué)時），基于遙感軟件的正射影像糾正（2學(xué)時）。

通過以上實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容可以看出，實(shí)踐教學(xué)存在以下主要問題：（1）實(shí)踐學(xué)時少。培養(yǎng)方案安排中攝影測量實(shí)踐教學(xué)主要采用課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，總學(xué)時為8學(xué)時，顯而易見，少量學(xué)時解決一個“多繁廣”的課程問題，幾乎是無解的。因此必須進(jìn)行培養(yǎng)方案修正，增加實(shí)踐教學(xué)學(xué)時是迫在眉睫、刻不容緩的。（2）實(shí)踐內(nèi)容少。內(nèi)容少主要受培養(yǎng)方案學(xué)時的限制及攝影測量實(shí)驗(yàn)室硬件條件的限制。因此，在有限經(jīng)費(fèi)的支持下，應(yīng)大力改善攝影測量實(shí)驗(yàn)室硬軟件條件。

近幾年，在安徽省高等學(xué)校振興計劃的支持下，學(xué)校加大力度進(jìn)行攝影測量與遙感實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，先后購買了多旋翼、固定翼無人機(jī)各一臺，VirtuoZo數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)6臺，20套反光立體眼鏡，若干對立體像對，以及正版遙感圖像處理軟件ENVI等。實(shí)驗(yàn)條件較之前得到了很大改善。因此新形勢下，結(jié)合培養(yǎng)目標(biāo)構(gòu)建了攝影測量實(shí)踐教學(xué)體系。在原來8學(xué)時的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，增加4周集中實(shí)踐。將傳統(tǒng)單一的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)改為課內(nèi)實(shí)驗(yàn)與集中實(shí)踐并行，實(shí)行“兩步走”，即課內(nèi)實(shí)驗(yàn)打基礎(chǔ)，集中實(shí)踐強(qiáng)化訓(xùn)練。

具體實(shí)踐內(nèi)容安排如圖1所示。

2.1課內(nèi)實(shí)驗(yàn)

（1）反光鏡立體像對觀察，目的是讓學(xué)生體會立體視覺產(chǎn)生的四個基本條件，培養(yǎng)立體感覺。

（2）攝影測量坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換。攝影測量解析的基本任務(wù)離不開攝影測量坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，但是學(xué)生在課堂中對于這部分內(nèi)容，只通過單一的多媒體講授，學(xué)生被動接受，很難理解點(diǎn)位在不同坐標(biāo)系下的描述，以及坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生通過老師給予的數(shù)據(jù)，進(jìn)行自主編程實(shí)驗(yàn)，能夠達(dá)到深入理解課堂教學(xué)內(nèi)容。

（3）單片空間后方交會編程。學(xué)生任選一種自己較為熟悉的語言，在老師指導(dǎo)下，根據(jù)提供的數(shù)據(jù)，求出單張相片的六個外方位元素即三個角元素，三個線元素。單片空間后方交會問題本身是一個很復(fù)雜的問題，要解決這個問題必須綜合運(yùn)用，高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、測量平差最小二乘理論知識。若只是通過單一的課程被動學(xué)習(xí)，要想吃透這部分理論是很困難的。實(shí)驗(yàn)過程中，通過學(xué)生自主實(shí)踐，編程本身就需要學(xué)生吃透理論，因此很好地進(jìn)行理論與實(shí)踐完美結(jié)合。學(xué)生動手能力得到提高，理論知識得到深入理解。

（4）數(shù)字影像匹配。這部分內(nèi)容來源于攝影測量課程第五章數(shù)字?jǐn)z影測量，數(shù)字?jǐn)z影測量是攝影測量發(fā)展的最新階段，數(shù)字?jǐn)z影測量的核心內(nèi)容就是數(shù)字影像匹配，這部分實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的主要是讓學(xué)生熟悉數(shù)字影像匹配的過程，加深數(shù)字圖像影像匹配算法的理解。

2.2集中實(shí)踐

新形勢下，依據(jù)實(shí)驗(yàn)室及師資條件，安排為期四周的攝影測量集中實(shí)踐。實(shí)踐內(nèi)容主要分為兩大塊，即4D產(chǎn)品生成，無人機(jī)數(shù)據(jù)采集及內(nèi)業(yè)圖像處理。這部分實(shí)驗(yàn)的目的是強(qiáng)化學(xué)生攝影測量實(shí)踐處理能力，熟悉整個攝影測量數(shù)據(jù)處理的全過程，為走上未來崗位打下堅實(shí)基礎(chǔ)。

（1）4D產(chǎn)品生成。全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)（VirtuoZo）是適普軟件有限公司與武漢大學(xué)遙感學(xué)院共同研制的全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)，屬世界同類產(chǎn)品的五大名牌之一。利用數(shù)字影像或掃描的數(shù)字化影像完成攝影測量作業(yè)。由計算機(jī)視覺代替人眼的立體量測與識別。從原始資料、中間成果及最后產(chǎn)品等都以數(shù)字形式呈現(xiàn)，克服傳統(tǒng)攝影測量的缺點(diǎn)，可生產(chǎn)多種類型的數(shù)字產(chǎn)品，如數(shù)字高程模型（DEM）、數(shù)字正射影像（DOM）、數(shù)字線劃圖（DLG）、景觀圖等，并為各種工程設(shè)計提供所需的三維信息、為各種信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫提供空間信息。VirtuoZo的主要軟件模塊包括：定向參數(shù)解算、空中三角測量、相對定向、絕對定向、內(nèi)定向、影像匹配、數(shù)字高程模型生成、數(shù)字正射影像制作、等高線生成、制作景觀圖、DEM透視圖、等高線疊加正射影像、數(shù)字測圖、文字注記、圖廓整飾等。作業(yè)方式為自動化與人工干預(yù)。其數(shù)據(jù)處理基本流程如圖2所示：

（2）無人機(jī)數(shù)據(jù)采集及內(nèi)業(yè)圖像處理。安徽理工大學(xué)攝影測量實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有多旋翼與固定翼各一臺，測繪任務(wù)，選一比較空曠的地區(qū)，無人機(jī)航拍的基本步驟如下：架設(shè)彈射架、架設(shè)電臺、記錄當(dāng)天作業(yè)日志、姿態(tài)角度調(diào)整、無人機(jī)起飛、飛行監(jiān)測、無人機(jī)降落、數(shù)據(jù)導(dǎo)出、內(nèi)業(yè)圖像處理。

通過集中實(shí)踐，學(xué)生熟悉4D產(chǎn)品的生產(chǎn)流程，能夠熟練運(yùn)用VituoZo全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)，以及熟悉無人機(jī)航拍基本流程，并進(jìn)行無人機(jī)圖像處理。為走上社會崗位打下一定基礎(chǔ)，同時動手操作過程中實(shí)現(xiàn)對課本理論知識的進(jìn)一步深化理解，而不是死記硬背。

3.結(jié)語

攝影測量學(xué)是一門理論與實(shí)踐并重的學(xué)科，其實(shí)踐教學(xué)部分對于培養(yǎng)學(xué)生較強(qiáng)的攝影測量實(shí)踐技能、實(shí)現(xiàn)從理論知識學(xué)習(xí)到實(shí)踐應(yīng)用的過程有關(guān)鍵意義，本文結(jié)合國內(nèi)測繪院校攝影測量實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，在分析安徽理工大學(xué)遙感科學(xué)技術(shù)專業(yè)攝影測量實(shí)踐教學(xué)存在問題的基礎(chǔ)上，依據(jù)師資條件、實(shí)驗(yàn)室硬件條件，構(gòu)建了攝影測量實(shí)踐教學(xué)體系。對攝影測量實(shí)踐教學(xué)改革進(jìn)行了初步探索，在一定程度上能夠改善目前學(xué)生的攝影測量學(xué)習(xí)狀態(tài)，但是隨著空間信息技術(shù)的發(fā)展，攝影測量教學(xué)還必須緊跟時代潮流，教學(xué)改革之路還需要在無數(shù)教師的帶領(lǐng)下不斷前進(jìn)。

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