攝影測量學課堂教學軟件研發初探

詹總謙，彭 敏，馬彩云

（1.武漢大學 測繪學院，湖北 武漢 430079）

攝影測量學課堂教學軟件研發初探

詹總謙1，彭 敏1，馬彩云1

（1.武漢大學 測繪學院，湖北 武漢 430079）

在分析攝影測量課堂教學現狀的基礎上，針對《攝影測量學》自身的抽象性難題，以讓學生充分利用課堂學習、更好把握攝影測量基礎知識為目標，從教學實踐出發，研發了一套集攝影測量學理論教學、動畫演示和系統展示為一體的多樣化攝影測量課堂教學方案。

攝影測量學；理論教學；動畫演示；教學方案

當前，測繪工程專業使用的攝影測量學教材主要從理論知識和技術應用方法兩方面進行詳細講解，盡管教材內容由淺入深、章節安排循序漸進,并且結合多媒體通過文字、圖像進行輔助，但是課堂教學的效果往往使學生僅停留在對基本概念和原理的理解上。學生對外方位元素、后方-前方交會、相對-絕對定向等一些抽象理論，以及學攝影測量能解決什么問題、如何解決實際問題缺乏必要的感性認識[1-5]。同時，現有的教學版攝影測量系統僅能夠鍛煉操作技能，并不能幫助學生理解掌握算法的過程和特性，因此需要研究開發適合教學實踐的攝影測量教學系統[6-7]。基于以上兩點，本文對如何從學生角度考慮，研究理論知識講解與軟件演示相結合的教學模式進行了探索，同時以Flash、 Matlab軟件為工具，開發了一款攝影測量課堂教學軟件，把抽象的攝影測量相關原理通過動畫的形式具體化、形象化，幫助初學者更好地理解和把握攝影測量知識。

1 軟件設計與實現

1.1 軟件總體設計方案

攝影測量學課堂教學軟件是以攝影測量學理論為基礎，立足于理論與實踐相長教學，旨在通過形象化展示攝影測量基本原理及技術功能，為學生提供一個實用、生動、有效的學習平臺。平臺設計主要包含3個部分：Flash動畫制作、基于Matlab編程的攝影測量數據處理、數據處理與動畫協同展示。

Flash是一個基于矢量的交互性影片格式，集各類媒體元素、動態效果、用戶交互于一體，通過內部對象及其屬性特征表達豐富的語義信息，是Internet上高效傳遞矢量圖形、文本、視頻和聲音的媒體格式，在教學領域發揮著越來越重要的作用[8]。本文的Flash動畫制作主要是用Flash功能模擬航空攝影姿態及攝影測量解析過程。包含不考慮各影響因素的 “理想航攝”模擬，以及實際工作狀態下的“實際航攝”模擬兩種情形，同時包含在這兩種情形下的后方交會、前方交會、相對定向、絕對定向的動畫制作等。

基于Matlab編程的攝影測量數據處理主要是考慮到Matlab的普及性及其簡單易學的特點。而實踐也證明，利用Matlab語言進行課程教學與實驗（如高等數學和工程數學[9-10]等）均取得了較大的成功。該部分功能主要實現攝影測量中單像空間后方交會、雙像前方交會、立體像對相對定向、絕對定向以及少量像片光束法平差等基礎算法的程序設計及實驗數據分析。

數據處理與動畫協同展示主要是將攝影測量數據處理與Flash動畫相結合，通過數據處理的輸入、迭代過程、結果輸出、精度分析以及動畫演示，促進學生學習理解，提高教學效果。

1.2 模塊化功能實現

1.2.1 Flash動畫制作

動畫制作應該盡可能生動、形象地反映攝影測量的相關原理，但也要注意課堂的時間限制，采用簡單、直接的動畫描述方式。Flash動畫制作主要包括基本動畫元素設計和過程模擬兩部分。

本方案所涉及的基本動畫元素如圖1所示，包括有主背景、飛機、坐標系、航線軌跡、像片邊框示意圖共5個部分。其中，主背景為青山圖，可利用Flash軟件直接導入；飛機是最為復雜的一個動畫元素，包括頂部螺旋槳、機身及尾部螺旋槳，為了更形象化，螺旋槳可動態顯示飛機飛行狀態；坐標系主要包括像平面坐標系、像空間坐標系和地面攝影測量坐標系；航線軌跡分為規則的理想型航線和不規則的常規型航線兩種；像片外邊框的引入是為了更好地詮釋飛機在某一個特定位置拍攝地面的范圍大小。

圖1 基本動畫元素設計

過程模擬是對攝影測量學的基本原理[11-12]、關鍵算法等進行動態模擬，主要包括理想航空攝影、實際航空攝影、單像空間后方交會、雙像前方交會、立體像對相對定向、絕對定向等幾個模擬過程。其中，通過航線軌跡和像片重疊的差異性對比分析理想和實際航空攝影的不同；單像空間后方交會則需要交代地面控制點坐標的來源和作用，并且突出物點、像點和投影中心三點共線的攝影測量數學基礎；前方交會體現雙像立體思想；相對定向主要體現兩幅圖像如何借助同名像點光線對相交，實現立體像對相對關系的確定，同時說明基線與模型比例尺之間的關系；絕對定向展示了如何通過空間相似變換的3個過程（平移、旋轉和縮放）將局部模型納入到地面測量坐標系中。

Flash動畫制作完畢之后，可通過Flash軟件發布為swf視頻形式的動畫。

1.2.2 攝影測量數據處理

基于Matlab編程的攝影測量數據處理主要包括數據的讀入、相關算法設計與實現、平差解算過程詳細輸出、結果和精度輸出等。其中，平差過程詳細輸出主要是輸出每次迭代計算的未知數改正數、誤差方程常數項和單位權中誤差等信息，目的是展示算法迭代的收斂性，對學生理解算法和計算過程非常有益。數據處理界面如圖2所示，主要包括導入數據、前方交會、后方交會、相對定向、絕對定向、視頻演示等功能。

1.2.3 Matlab實現攝影測量動畫播放

首先，借助視頻轉換器將swf格式動畫轉換成avi格式，然后在Matlab界面中添加一個ActiveX Control控件，即可方便實現avi視頻格式文件的播放，如圖3。

為了提高教學效果，需要將每個攝影測量關鍵算法的數據處理和動畫演示配合起來使用。如圖2所示，通過界面按鈕“視頻演示”將當前數據處理過程與實際動畫聯系起來。具體實現上，還可以根據數據處理過程和結果的正確與否，通過動畫演示效果的差異進行體現。

2 教學方法淺析

借助動畫進行課堂教學，充分結合了理論知識、數據處理和形象化動畫演示，可以形象地展示《攝影測量學》的基本原理和重要概念。該方法具有以下優點：

圖2 Matlab數據處理界面

圖3 動畫播放器界面展示

1）生動地模擬了攝影測量學中的基本原理與方法，很好地解決了常規教學中難以對攝影測量問題進行形象化描述的難題，對于提高課程教學的生動性和易懂性具有重要的意義。相對于傳統課堂教學中以講授比較抽象的空間關系、復雜的公式推導和繁瑣的操作過程為主的教學方法[4]，動畫教學方法使同學們在享受動畫的同時，又能深刻理解攝影測量學的基本原理和方法。

2）采用Matlab語言編程簡單、直接，具有很好的開放性和移植性，方便后續更多功能的添加，豐富攝影測量學課堂教學軟件的內容。同時，所有開發代碼對學生開放，學生可以通過閱讀和跟蹤調試源代碼，掌握關鍵算法的實現方法和過程。

3）該教學軟件既可用于課堂教學環節，又有利于教師對全部知識進行整合。攝影測量學的教學內容具有層層遞進、環環相扣的特點，因而在課程講授結束時，教師可以選擇利用該軟件進行系統歸納和形象化演示來鞏固和貫通所有關鍵知識點，使學生對攝影測量學具有完整、系統的理解。

由于攝影測量知識面較廣、難度深淺不同，目前的教學軟件功能還不能涵蓋所有攝影測量原理，尤其是在空中三角測量、影像匹配和DEM/DOM制作等方面還需要研究更加有效的展示方法。

與此同時，攝影測量還是一門完備的工程技術，相關軟件系統已經廣泛應用于各類生產實踐。因此，以實際案例數據為例的攝影測量軟件系統展示也有助于學生了解當前攝影測量技術的發展現狀以及利用它來解決實際問題的能力。當然，區別于專業課程集中實習的要求和內容，教學中的系統展示更多的是突出每個關鍵技術的成果和效果，是對動畫形象化展示的有益補充。

3 結 語

以理論知識講解為主，Matlab數據處理和動畫演示為輔的課堂教學方案是從學生角度出發，有效提高攝影測量學教學效果的一種可行方法。它用視頻動畫的形式詳細描述了攝影測量學的基本原理，既保證了理論知識教授和實踐演示的主次地位，又使得實踐演示環節在學生學習理論知識的過程中起到了強化、鞏固、理解的作用。但限于研發和教學時間的原因，軟件仍有很多不足之處。在以后的教學工作中，將結合課堂教學效果，廣泛征求師生意見，對軟件功能和方式進行不斷完善，從而使學生對攝影測量學具有較強的學習興趣和理解能力，達到事半功倍的教學效果。

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P23

B

1672-4623（2016）10-0107-02

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.10.034

詹總謙，博士，副教授，主要從事攝影測量與計算機視覺方面的研究和教學工作。

2016-03-15。

項目來源：國家自然科學基金資助項目（41101418）；武漢大學測繪學院本科專業綜合改革教學研究資助項目（201202）。