現代攝影測量新技術對攝影測量學課程的影響及對策

摘要：近年來POS、無人機、LIDAR、海量數據處理及并行計算等技術在攝影測量領域應用日趨廣泛。新技術的應用使地球空間數據的采集、處理、表達和應用等各個層面都發生了很大的變化。如何使高校測繪工程專業攝影測量學課程的教學與新技術的發展和應用相適應，本文對課程的體系設計、教材選擇和施教方式等方面進行了分析，并探討了相應的對策。

關鍵詞：攝影測量學；課程改革；課程體系

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2012）04-0067-03

進入21世紀，隨著各種新型傳感器及相關技術的進步，攝影測量的理論與技術也迅速發展，進一步擴展和完善了20世紀90年代開始的全數字攝影測量的實際應用范疇。這種發展變化將對整個攝影測量的教學、科研、生產產生極其深遠的影響。相對于現代攝影測量技術的迅猛發展，高校測繪工程專業的攝影測量學課程從課程體系結構、教材、實習等各個環節都落后于攝影測量技術的發展，如何在新形勢下從課程的體系結構、教材選擇及實踐環節進行改革，是一個值得深入探討的問題。

一、現代攝影測量新技術及發展

1.數字傳感器。隨著全國數字城市、城市地理信息系統的建立和推進，對地球空間數據的數量和現實性都有較高的需求。全數字攝影測量是快速獲取對地觀測數據的有效手段，而數碼航攝儀的應用，使航空攝影測量數據的獲取更加便捷，攝影測量的數據采集方式將從膠片時代向數字時代方向發展。目前，在我國常用的數碼航攝儀有推掃式航攝ADS40/80，框幅是航攝儀DMC、UCD/UCX、RC30、SWDC等，應用已經比較成熟，在很大程度上取代了傳統的航攝儀，雖然與傳統的航攝儀相比，數碼航攝儀存在畸變系數大，航飛前需進行航攝儀參數的檢校，而且其像幅較傳統的膠片式相機小，在同等條件下需要的地面控制點較多等不利因素存在。但是，數碼航攝儀也有它不可比擬的優勢，在采用先進的對地定位手段后，可以減少對地面的依賴，數碼航攝儀在大規模產業化應用方面具有廣闊的前景。

2.機載POS。數字傳感器的發展對攝影測量對地定位技術提出了新的要求。基于DGPS/IMU集成的POS技術可獲取飛機的空間位置和姿態信息，實現航空影像的直接地理定位。目前已推出商用POS系統，從實踐應用看，引入POS觀測值，利用少量地面控制點，甚至不用地面控制點，通過直接定向或集成定向數據處理方法獲取定向結果，與傳統的空中三角測量方法精度相當。

3.無人機低空攝影測量。21世紀初，由于無人機低空攝影測量具有快速、成本低、操作簡單、適合于在危險區域空中監測和救援指揮等特點，已廣泛應用于軍事和民用的相關領域。目前，無人機主要用于土地利用動態監測、礦產資源勘查、地質環境與災害監測、地形圖更新與地籍測量、海洋資源與環境監測以及農業、林業、水利、交通等部門。尤其對車船無法到達地帶的環境監測、有毒地區的污染監測、災情監測及救援指揮等突發事件中，無人機低空攝影測量具有快速響應、實時勘查的獨特優勢。

4.機載激光掃描LIDAR。機載激光掃描系統通過接收反射激光束可以獲取地表、植被及人工建筑物等的高程信息，經處理后可獲得測區的DEM/DSM，這些模型數據可用于國土資源調查、洪水等災害的監測評估及城市三維景觀重建等領域。在這些過程中獲取的DSM可用于后續真正射影像的處理和生成。

5.數據處理技術。目前，在國內應用較多的全數字攝影測量軟件，有武漢適普公司的VirtuoZo和中國測繪研究所的JX4，兩套軟件各有所長，在國內外享有盛譽，在生產單位及科研教學方面得到了廣泛的應用。但就目前的處理來說，對于越來越大范圍的航攝區域來說，數據量劇增，而且需要的處理時間也在縮短，在這種情形下，高性能計算集群、并行處理、網絡技術的發展為數字攝影測量的處理提供了物理基礎，由此產生了DPGrid、Factory Pixel等能處理大數據量的軟件系統和工作站。這些處理軟件基于網絡的方式，能處理超大數據量的衛星影像和無人機數據等，而且在數據處理過程中提出了很多新的概念，如相似性匹配、三維空中三角測量，同時也生產了一些新的產品，如DSM、真正射等。在數據處理技術成熟后，可以較容易的獲取數字表面模型，從而可獲取真正的射影像。機載POS系統在攝影同時準確獲取像片的空間位置和姿態參數，這些參數的獲取給數字攝影測量帶來了深刻的影響，基本上可以免去地面工作，簡化和加速影像定向和定位工作，導致部分攝影測量的算法，甚至是整個作業流程都面臨新的改進。數碼航攝儀沒有壓平誤差、顆粒噪聲等誤差源，其數字影像的質量、匹配的質量、測繪精度多優于膠片影像。當今的航空數碼相機，其相對定向與模型連接的精度可達2~5um，普通的非量測數碼相機用于近景攝影測量時其精度可達到1/10000。

二、對課程的影響

攝影測量學是測繪工程專業的一門專業主干課程，該課程覆蓋的知識范圍廣、內容多、概念抽象、數字公式多，而且受學時所限，授課時間較短，給教師教學和學生實習都增加了難度。在現有的教學條件下，現代攝影測量新技術的發展對現有攝影測量學課程教學提出了更高的要求，在很大程度上影響著高等院校測繪工程專業的攝影測量學課程的教學。從課程體系上看，原有的體系結構偏重于對攝影測量的基本原理和理論的闡述和分析，甚至有些課程體系中還包括了解攝影測量的較多內容，在課程體系中過于偏重對傳統理論的講述和理解。在實習實踐環節，目前的軟件主要涉及VirtuoZo和JX4，這些軟件都基于傳統的攝影測量理論進行數據處理，對于使用航空攝影測量方法提取高精度密集數字表面模型和生產正射影像的理論與技術、利用POS數據進行直接地理定位技術與流程、實時空中三角測量等新技術，在傳統的攝影測量軟件中都沒有相應的體現。學生沒有相應的實習軟件或實習環節可以學習新的技術與方法。

三、相應的對策

新技術的發展不但影響著攝影測量的應用，也影響著攝影測量課程的開展。攝影測量新技術不僅在整個課程體系中影響著課程體系內容的安排，而且對于學生對傳統攝影測量的認識理解有著重要的影響。如何在有限的課時內把攝影測量的基本概念和理論講授清楚，同時又能將新技術貫穿于其中，使學生既能很好地掌握攝影測量學的理論與實踐，又能緊跟攝影測量學的發展方向，是值得探討的問題。

1.構建以新技術為核心的課程體系。POS等新技術不僅對攝影測量學課程的內容產生了影響，對整個課程體系的構建也產生了影響。改革課程的體系結構，構建以新技術為核心的課程體系，是新形勢下攝影測量學課程改革的一個重點。改革課程體系，在原有的以傳統攝影測量基礎理論為核心，4D產品生產為主要技術流程的基礎上，應著重加強基本原理及其內在聯系，在原有體系中增加新的技術理論，適量簡化教學推導，強調新技術與傳統技術的融合與異同。優化課程教學體系結構，精選教學內容，重點安排中心投影的幾何知識，突出空三的理論與方法，充分體現航空攝影測量高精度定位技術的發展趨勢，著力強調實踐教學環節，以少而精的原則構建新的課程體系結構：航空攝影、航測外業、航測內業。如在航攝儀部分增加數碼航攝儀知識及對后續處理技術的影響；空三部分對新出現的實時空三進行分析，對POS數據輔助空三的理論與方法進行講解，比較與傳統方法的異同點；加入新的DSM的概念，提取原理及對后續正射影像產品的影響；數字攝影測量部分加強對匹配算法的理解和數字產品的生成。在新的課程體系中突出新技術對攝影測量的影響，包括理論和算法以及生產流程上的影響。

2.改革教學內容及教學方法。為適應當前攝影測量新技術的發展及新的課程體系改革需要，在教學內容上，應著眼于內在理論體系的聯系，加強對基本概念、新的算法、模型的理解和掌握，了解新技術對現有產品生產流程的影響。在增強數學分析嚴謹性的同時適量簡化教學推導，強調對數學公式內在物理意義的理解。

3.改革實踐環節，增強動手能力和創新能力。攝影測量是一門實用性和實踐性極強的課程，實踐環節對學生思維方式和動手能力的培養具有重要作用，是課程教學改革系統工程中重要的一個環節。在現有的實踐環節，目前主要以常規攝影測量軟件VirtuoZo、JX4等為主，對教學中涉及的攝影測量理論與技術進行實踐。對攝影測量新技術如并行計算、網格技術、海量數據處理技術、非量測相機的空三模型、高精度密集數字表面模型自動提取技術、真正射影像自動糾正技術以及POS輔助空中三角測量、自動實時空中三角測量等技術來說，一般的測繪工程專業實驗室很難購進最新的儀器設備和相應的軟件為學生提供相應的實踐環節。因此，在實踐教學中，要以攝影測量產品的生產流程為主線，減少如立體鏡觀察等儀器設備的演示性、驗證性實驗，加強與新技術相關的設計性、綜合性實驗。在條件許可的情況下，可增加專門的課程設計時間，結合實際工程項目，開發軟件平臺進行計算機仿真實驗，將POS直接定位方法、無人機數據處理技術、海量數據并行處理、數字表面模型提取和真正射影像糾正等新方法和新理論融入實踐環節進行課程設計。在實踐條件較好的學校，可增加POS實習參觀、無人機數據處理和海量數據并行處理參觀等環節，促進學生對新技術的感性和理性認識，提高學生的創新能力和解決問題的能力，通過對新技術的了解激發學生的學習興趣，了解新技術發展的前沿動態，掌握新技術與傳統技術的滲透融合及思路和方法。

參考文獻：

[1]吳軍.“攝影測量”教學中學生實踐能力與創新能力的培養[J].桂林電子科技大學學報，2007，（5）：435-437.

[2]鄧安健，陳志超，楊磊庫.測繪工程專業攝影測量學教學改革與實踐[J].地理空間信息，2011，（1）：148-149.

[3]張祖勛.從數字攝影測量工作站（DPW）到數字攝影測量網格（DPGrid）[J].武漢大學學報（信息科學版），2007，（7）：565-571.

[4]袁修孝.“攝影測量基礎”課程的創新教學嘗試[J].測繪信息與工程，2008，（5）：47-49.

基金項目：本研究得到北京市“特色專業”項目和中國地質大學（北京）“卓越工程師培養計劃”項目支持