論攝影測量學實踐教學內容體系的構建

張鮮妮

摘 要： 作者結合國內測繪院校攝影測量實踐教學經驗，在分析安徽理工大學遙感科學技術專業攝影測量實踐教學存在的問題的基礎上，依據師資條件、實驗室硬件條件，構建攝影測量實踐教學體系。增加攝影測量實踐教學學時，將傳統單一的課內實驗改為課內實驗與集中實踐并行，實現“兩步走”，即課內實驗打基礎，集中實踐綜合訓練。

關鍵詞： 攝影測量學 實踐教學 全數字攝影測量系統 無人機

相對于傳統測量方式，攝影測量屬于非接觸式測量，側重物體幾何信息的提取，攝影測量的發展歷經了三個階段，即模擬攝影測量，解析攝影測量，數字攝影測量，同時隨著機載POS，無人機、LIDAR，可量測實景影像等技術在攝影測量領域的應用越來越廣泛[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在制定培養方案的時候都設定攝影測量課程為專業核心課程，該課程教學目標為學生通過這門課程學習，應該系統掌握攝影測量學的基本理論和方法，應該能運用所學知識解決實際問題。但是通過大量調查及文獻分析，國內各院校攝影測量課程仍然偏重于傳統理論學習，實踐教學體系不夠完善，導致學生只停留在對書本知識的膚淺理解上，動手能力不強，不能很快適應工作需求，對學生工作指導性不大[2]。為了培養學生扎實的攝影測量實踐技能，必須根據本學科特點，實施課程實踐教學改革，培養適應社會需求的攝影測量人才，是攝影測量實踐教學急需解決的問題。本文以安徽理工大學遙感科學技術專業為例，闡述如何構建攝影測量課程實踐教學體系。

1.“攝影測量學”課程特點

攝影測量學是一門內容抽象、邏輯嚴密、實用性強的專業基礎核心課，它在測繪類專業課程體系中的地位至關重要。根據筆者多年以來的攝影測量學教學經驗，結合學生的反饋信息，結果表明：近70%以上的學生認為課程內容太難懂，20%的學生反映課程學習興趣吸引力不大，甚至10%的學生認為課程學習很吃力，以至于最終放棄學習。攝影測量學課程特點總結如下[3]：

1.1基本概念多，公式推導多。

整個課程涉及的專業基本概念多，如像方坐標系、物方坐標系、內方位元素、外方位元素、內定向、相對定向、絕對定向、共線條件方程、影像匹配等，內容抽象，不易理解。貫穿整個課程的公式推導較多，對學生的數學功底要求較高，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，綜合運用高等數學、線性代數、測量平差、GPS原理等多門學科知識，尤其高等數學中的微積分、泰勒級數展開式、線性代數中的矩陣運算和測量平差中的最小二乘等。

1.2空間關系復雜，空間立體感強。

攝影測量的實質是“由平面到立體”，即由二維的像點坐標如何計算三維的地面點坐標。這個過程涉及多個坐標系之間的轉換，空間關系較為復雜，涉及不同原點的坐標系統的旋轉、縮放、平移，以及同原點的旋轉、縮放等。要求學生具備較強的空間想象能力[4]。

1.3學科交叉性強。

攝影測量學是一門重要的對地觀測技術，涉及的交叉學科比較多，如數學、物理、數據庫系統、數字圖像處理技術、模式識別、人工智能、計算機圖形學等多種空間信息技術，因此要加強各學科之間的聯系。攝影測量學的課程特點要求學生具備扎實的理論基礎，否則會嚴重影響學習效率。

1.4理論與實踐并重。

通過對比各測繪類院校攝影測量教學方案，受制于師資力量、實驗條件，攝影測量實驗教學學時較少，實踐教學內容落后，實驗內容安排不夠系統，使得學生不能很好地將理論與實踐結合起來，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結果表明：數學基礎薄弱是同學們學習這門課程的最大障礙；內容抽象、空間關系復雜的課程特點也是造成學習障礙的另一原因；此外實踐教學體系的不完整，是制約學生學習這門課程的主要瓶頸。

2.攝影測量實踐教學改革

針對攝影測量學課程的特點，結合當下社會對攝影測量實踐人才的需求，筆者結合本校遙感科學與技術專業特點實施攝影測量實踐教學改革。

安徽理工大學遙感科學與技術專業開辦于2011年，至今已有4年，該專業培養方向有兩個：遙感技術應用、攝影測量。專業培養方案中攝影測量課程為專業核心課程，總學時64學時，其中有8學時為課內實驗，與課堂教學結合在一起。由于學時有限，實驗內容有：反光立體鏡立體像對觀察（2學時），單片空間后方交會編程實驗（4學時），基于遙感軟件的正射影像糾正（2學時）。

通過以上實踐教學內容可以看出，實踐教學存在以下主要問題：（1）實踐學時少。培養方案安排中攝影測量實踐教學主要采用課內實驗，總學時為8學時，顯而易見，少量學時解決一個“多繁廣”的課程問題，幾乎是無解的。因此必須進行培養方案修正，增加實踐教學學時是迫在眉睫、刻不容緩的。（2）實踐內容少。內容少主要受培養方案學時的限制及攝影測量實驗室硬件條件的限制。因此，在有限經費的支持下，應大力改善攝影測量實驗室硬軟件條件。

近幾年，在安徽省高等學校振興計劃的支持下，學校加大力度進行攝影測量與遙感實驗室建設，先后購買了多旋翼、固定翼無人機各一臺，VirtuoZo數字攝影測量系統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。實驗條件較之前得到了很大改善。因此新形勢下，結合培養目標構建了攝影測量實踐教學體系。在原來8學時的課內實驗基礎上，增加4周集中實踐。將傳統單一的課內實驗改為課內實驗與集中實踐并行，實行“兩步走”，即課內實驗打基礎，集中實踐強化訓練。

具體實踐內容安排如圖1所示。

2.1課內實驗

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

（2）攝影測量坐標系統轉換。攝影測量解析的基本任務離不開攝影測量坐標系統的轉換，但是學生在課堂中對于這部分內容，只通過單一的多媒體講授，學生被動接受，很難理解點位在不同坐標系下的描述，以及坐標系之間的轉換關系。實驗過程中，學生通過老師給予的數據，進行自主編程實驗，能夠達到深入理解課堂教學內容。

（3）單片空間后方交會編程。學生任選一種自己較為熟悉的語言，在老師指導下，根據提供的數據，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雜的問題，要解決這個問題必須綜合運用，高等數學、線性代數、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習，要想吃透這部分理論是很困難的。實驗過程中，通過學生自主實踐，編程本身就需要學生吃透理論，因此很好地進行理論與實踐完美結合。學生動手能力得到提高，理論知識得到深入理解。

（4）數字影像匹配。這部分內容來源于攝影測量課程第五章數字攝影測量，數字攝影測量是攝影測量發展的最新階段，數字攝影測量的核心內容就是數字影像匹配，這部分實驗教學的目的主要是讓學生熟悉數字影像匹配的過程，加深數字圖像影像匹配算法的理解。

2.2集中實踐

新形勢下，依據實驗室及師資條件，安排為期四周的攝影測量集中實踐。實踐內容主要分為兩大塊，即4D產品生成，無人機數據采集及內業圖像處理。這部分實驗的目的是強化學生攝影測量實踐處理能力，熟悉整個攝影測量數據處理的全過程，為走上未來崗位打下堅實基礎。

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

（2）無人機數據采集及內業圖像處理。安徽理工大學攝影測量實驗室現有多旋翼與固定翼各一臺，測繪任務，選一比較空曠的地區，無人機航拍的基本步驟如下：架設彈射架、架設電臺、記錄當天作業日志、姿態角度調整、無人機起飛、飛行監測、無人機降落、數據導出、內業圖像處理。

通過集中實踐，學生熟悉4D產品的生產流程，能夠熟練運用VituoZo全數字攝影測量系統，以及熟悉無人機航拍基本流程，并進行無人機圖像處理。為走上社會崗位打下一定基礎，同時動手操作過程中實現對課本理論知識的進一步深化理解，而不是死記硬背。

3.結語

攝影測量學是一門理論與實踐并重的學科，其實踐教學部分對于培養學生較強的攝影測量實踐技能、實現從理論知識學習到實踐應用的過程有關鍵意義，本文結合國內測繪院校攝影測量實踐教學經驗，在分析安徽理工大學遙感科學技術專業攝影測量實踐教學存在問題的基礎上，依據師資條件、實驗室硬件條件，構建了攝影測量實踐教學體系。對攝影測量實踐教學改革進行了初步探索，在一定程度上能夠改善目前學生的攝影測量學習狀態，但是隨著空間信息技術的發展，攝影測量教學還必須緊跟時代潮流，教學改革之路還需要在無數教師的帶領下不斷前進。

參考文獻：

[1]葉勤，關澤群，邵永社，程效軍，楊世渝.測繪工程專業攝影測量學實驗教學改革探索[J].測繪通報，2010（6）：74-77.

[2]王淑晴，彭軍還，李淑慧.現代攝影測量新技術對攝影測量學課程的影響及對策[J].專題研討，2011（5）：66-68.

[3]成曉倩，韓瑞梅，王雙亭.攝影測量學的教學改革探討與實踐[J].測繪科學，2015，40（1）：126-128.

[4]牛全福，黨星海，張秀霞，等.測繪工程專業攝影測量學課程教學改革探討[J].地理空間信息，2015，13（5）：177-180.