基于桌面云實驗室的攝影測量實驗教學模式與實踐

段祝庚，岳 雄

（1. 中南林業科技大學 土木工程學院, 湖南 長沙 410004；2. 武漢兆格信息技術有限公司，湖北 武漢 430223）

隨著測繪科學技術的迅速發展，攝影測量技術逐漸廣泛應用于國家基礎測繪、數字城市建設、生態環境監測、國土資源治理等領域。特別是無人機低空攝影測量技術具有快速高效、機動靈活、運行成本低、分辨率高等特點，已經成為獲取空間信息的重要技術和手段[1-2]。因此，攝影測量技術在測繪生產實踐和教學中占有重要的地位，提高攝影測量生產實踐的作業效率和實驗教學的仿真度，是當前迫切要解決的問題[3]。一方面，攝影測量實驗教學需要與生產實踐緊密接軌，學校培養的學生應具備攝影測量生產實踐前必要的基本技能。而現階段高等學校攝影測量教學，由于教學條件、教學模式的限制，實驗教學往往與生產實踐存在較大的差距，導致學生不能快速適應生產實踐的工作需要[4]。另一方面，長期以來，無論攝影測量生產實踐還是高校的攝影測量實驗教學，攝影測量作業平臺和軟件都是基于單機作業模式，基本與網絡無關[5]。由于攝影測量數據量大、作業流程復雜、工作量重，單機作業模式效率不高。

隨著現代網絡技術和云計算技術的快速發展，云端服務正不斷涌現，云計算技術日趨成熟，正廣泛應用于物聯網、醫藥醫療、制造、金融與能源、電子政務、教育科研、電信等領域[6-8]。云計算具有虛擬化、高可靠性、通用性、低成本、靈活性等特點[9-10]。通過網絡連接遠程服務器進行數據處理和信息共享等服務，可讓用戶共享云端服務器的快速處理能力和各種優質的服務，從而為用戶節約了成本，提高了工作效率[11-12]。應用云計算技術將實現攝影測量生產實踐和實驗教學的網絡化和云化，將改變攝影測量生產實踐和實驗教學的作業模式，實現云開放攝影測量作業[13-14]。本文結合基于桌面云實驗室的攝影測量實驗教學實踐，開展開放式攝影測量實驗教學模式探索，旨在為攝影測量生產實踐和我國高校攝影測量實驗教學提供參考、示范及借鑒。

1 攝影測量云實驗室簡介

攝影測量云實驗室是基于互聯網的桌面云實驗室，實行全在線實訓作業，徹底打破攝影測量作業的時空限制（http://www.gridknow.com/），將教、學、練全面云化，建設一個能為用戶實現“實時、按需下載、全在線、DIY 內容以及共享”（ROADS，real-time、on-demand、all-online、DIY、share）的新型空間信息處理技術學習模式，全面實現全新開放的教學實習方式。

攝影測量云開放實驗系統由云端服務器、安裝在云端的專用軟件、數據及資料和用戶構成。用戶注冊賬號，隨時隨地可以登錄進行學習。攝影測量云開放實驗系統具有硬件、系統、軟件及網絡超融合特點，云端服務器具有超強的并行云計算能力，極大地降低用戶設備及維護成本。

攝影測量云開放實驗系統能提供VirtuoZo攝影測量系統、DPgrid攝影測量系統、空中三角測量、點云數據處理軟件和專業工具軟件等共 41種軟件（截至2019年3月），具有DEM、DOM、DLG生產和實驗教學功能，可處理衛星影像數據、航空攝影影像數據、無人機攝影影像數據及點云數據。VirtuoZo攝影測量系統、DPgrid攝影測量系統、空中三角測量系統這些軟件有教育版和生產版兩種版本。教育版適合于教學，按照攝影測量作業流程分成若干個模塊，各模塊可單獨運行，有利于學生學習和掌握攝影測量各個作業流程原理和技術要點。生產版適合于攝影測量生產作業，它將攝影測量作業流程整合在一起，一體化、自動化程度較高，人工干預較少。系統可根據用戶需要定制軟件。同時，云平臺具備豐富的攝影測量工具、實驗數據及教學資源，無需綁定加密狗和計算機，自動推送更新工具軟件。

2 現階段攝影實驗教學模式存在的問題

傳統的攝影測量實驗教學和攝影測量生產的作業模式均是基于 PC和單機軟件的。目前高校攝影測量課程采用理論教學結合機房實驗實踐方式進行。攝影測量實驗教學采用的商用軟件價格較為昂貴，通常軟件授權是通過“軟件狗”或綁定電腦IP進行，沒有“軟件狗”或者離開授權的電腦，軟件則無法使用。由于軟件授權問題，學生只能到機房進行實驗，固定學習地點，實驗時間也僅局限于實驗課時間。除實驗室機房開放時間外，其他時間無法上機操作，實驗操作時間短，學生作業水平很難滿足生產作業的需要。

1）軟件使用效益不高。

由于軟件授權問題，學校投入巨額資金購買的軟件使用效率普遍不高，僅在有限的實驗室開放時間可以使用，造成資源很大程度的閑置。同時，由于學校資金限制，往往只能購買有限套數專業攝影測量軟件，在當前高校普遍擴招的情況下，軟件數量難以滿足學生人數的需要。另外，攝影測量軟件能處理的數據類型有限，通常無法適用于衛星影像、航空影像、無人機影像等不同類型的數據，限制了對學生的能力培養，更無法開展多機協同作業。

攝影測量的工作崗位要求具備一定的實踐操作能力，這就需要學生在校期間能深入理解攝影測量理論知識，掌握作業流程等基本技能，并通過實踐來驗證理論知識，讓學生能快速獲取相關專業資料及實驗數據，自由選擇實訓內容。

2）學生實驗成績評價難。

現階段學生實驗成績評價主要依據考勤、實驗報告、實驗考核等材料進行學生實驗成績評價。學生考勤主要通過學生簽到、教師點名等形式進行，但往往流于形式。實驗報告、實驗考核并不能如實反映學生對專業知識及實驗技能的掌握程度。因此，需要一套全在線考勤的平臺，一覽學生在線狀態、了解學生學習時長，杜絕他人簽到等問題，進行實驗過程監控，準確地評價學生實驗結果和實驗效果，全面了解學生對知識掌握情況，客觀準確地評價學生的實驗成績。

基于云平臺的開放實驗教學模式和傳統的基于PC機的實驗模式在教學模式、作業模塊化、經濟成本、實驗數據與教學資源、作業成果管理等方面存在顯著差異，如表1所示。

表1 基于PC機的和基于云開放的實驗教學模式對比

3 云開放攝影測量實驗教學實踐及調查

利用桌面云實驗室提供的桌面平臺軟件VirtuoZo教育版、DPGrid教育版、Virtuoeat對分別我校測繪工程專業兩屆學生和地理信息科學、土地資源管理兩個專業的非測繪專業學生進行攝影測量實驗教學實踐，其中測繪工程專業兩屆學生共125人，非測繪專業攝影測量學為選修課，攝影測量實驗計劃課時共計 24學時。主要內容包括航攝相片的內定向、相對定向、絕對定向實驗，單模型數據處理、多模型數據處理及拼接技術、DEM和DOM生成及編輯、立體觀測、立體測圖及編輯、無人機數據處理、空中三角測量加密等實驗項目。

為了評估云開放攝影測量實驗教學模式，特制定了評估調查表。實驗教學模式調查采用匿名全員調查方式進行，分測繪專業和非測繪專業進行統計。教學效果評價指標主要包括實驗項目的累計作業時長、完成質量、興趣度和滿意度4個指標。累計作業時長包括課堂計劃課時和課余時間作業時間，按實際作業時間統計，分為＜24 學時、24～36 學時、36～48學時、48～60學時、＞60學時5個等級。實驗項目的完成質量由指導老師依據項目完成情況及質量報告評定，分為優、良、中、及格和不及格5個等級，主要技術指標超限的質量報告直接評定為不及格。興趣度指學生對攝影測量實驗項目的感興趣程度及主動進行實驗的程度，分為非常感興趣、很感興趣、感興趣、一般和不感興趣5個等級，未完成全部實驗項目的評定為不感興趣。滿意度是指對云實驗的運行處理速度、軟件模塊化程度、登錄上機作業方便程度、實驗數據與教學資源情況、作業成果管理方便程度等綜合滿意程度，分為非常滿意、很滿意、滿意、一般和不滿意5個等級。

實驗教學模式調查結果為（圖1）：所有學生上機累計作業時長均超過24學時，測繪專業和非測繪專業上機作業超過48學時的學生分別為117人、27人，占總人數93.6%、58.7%，調查結果顯示學生可以充分利用課余時間登錄系統進行上機作業，不受實驗計劃時間、地點限制，大大增加了學生實踐作業的時間。實驗項目完成質量情況良以上的分別為106人（測繪專業）、26人（非測繪專業），優良率分別為84.8%、56.5%。興趣度為很感興趣以上的分別為 106人（測繪專業）、32人（非測繪專業），占總人數的84.8%、69.6%，學生表現出較高的學習興趣。滿意度為很滿意以上的分別為 112人（測繪專業）、43人（非測繪專業），占總人數 89.6%、93.5%。仔細分析發現：學生對云實驗的運行處理速度、軟件模塊化程度、登錄上機作業方便程度、實驗數據與教學資源情況、作業成果管理方便程度等表現出極高的滿意度。

圖1 開放攝影測量實驗教學模式調查結果

4 結語

在“以學生為本”的教育理念指導下，探索一套全新的基于桌面云實驗室的攝影測量實驗的開放教學模式。培養學生的自主實踐操作能力，讓學生能隨時隨地自由學習。有利于實驗教師對學生進行過程控制，有利于實驗老師對學生實驗結果和實驗效果進行評估，有利于學生熟悉攝影測量作業流程，提高學生實踐動手能力，讓學生將攝影測量理論與攝影測量生產實踐緊密結合。期望基于桌面云實驗室的攝影測量實驗教學模式探索和實踐，能為全國各高校攝影測量實驗教學提供示范、參考及借鑒。