虛擬仿真平臺下攝影測量實踐教學模式探索

鄧興升

（長沙理工大學 交通學院，湖南 長沙410004）

攝影測量技術具有成圖快、效率高、適用于大范圍地形測繪等特點，是快速、高效采集地球數據及其變化信息的重要技術手段。攝影測量學是測繪專業中一門理論抽象、實踐性強、實踐環節多的專業主干課程［1］。實驗是教學活動的重要環節，實驗教學和課堂理論教學相輔相成，讓學生加深對理論的認識，同時通過實驗培養學生的創新意識和科學嚴謹的作風［2］。測繪工程專業屬于技術應用型專業，對學生實踐能力的培養有很高的標準和要求［3］。教學實踐環節對專業學習而言非常重要，但在現實教學環境中，攝影測量實踐普遍遭遇困難。對于培養面向測繪工程技術人才的工科院校，相對于招生規模，航測實驗設備不足、型號老舊，受經費及場地等資源制約，部分實驗無法開展，且實驗課時相對不足，實驗內容相對較少。應用數字攝影測量軟件進行實驗比較方便快捷，但在整個操作流程中看不到各種功能的具體實現原理、過程。對于一些關鍵操作步驟，軟件可全自動地完成其過程。因此即使學生熟練使用數字攝影測量軟件，也不能幫助他們理解、掌握攝影測量基本方法和原理［4］。況且限于條件，數字攝影測量軟件應用實驗和學生上機實踐也偏少。學生若集中去航測生產單位實習，可去的單位很少，而且生產單位業務繁忙無暇接待，出于數據及設備安全的考慮，只能最大限度地安排學生很短時間的參觀實習。由于科技發展迅速，即使投入大量資金購買更新設備，仍然難以跟上現代技術的發展速度 設備大型且昂貴 實踐缺乏設備支撐，學生學習了理論卻難以通過實踐鞏固知識，缺乏實踐導致動手能力低，也不同程度上影響創新能力的培養。本文針對攝影測量實踐教學中存在的問題，提出了采用虛擬仿真技術進行攝影測量實踐教學模式的創新。

1 虛擬仿真平臺建設及技術手段

虛擬仿真（Virtual Reality，簡稱VR）技術，它是由計算機硬件、軟件以及各種傳感器構成的人工三維信息虛擬環境，可以逼真地模擬現實世界存在的事物，或創造不存在的事物和環境。它最早源于美國軍方的作戰模擬系統，20世紀90年代初逐漸為各界所關注并在商業領域得到發展。虛擬仿真涉及計算機圖形學、人機交互技術、傳感技術、人工智能等多個領域［5］。虛擬仿真技術有許多優勢，已普遍應用于訓練、教學領域。隨著計算機、網絡、信息技術等相關領域的發展，虛擬仿真技術大規模進入實驗教學是必然的趨勢［6－7］，促使教學觀念發生巨大的變化。我校已建立虛擬仿真教學實驗室和虛擬仿真Web服務平臺，但仍處于建設初級階段，大量實質性工作仍有待開展。虛擬仿真平臺下攝影測量實踐教學的研究重點是圖像和數據分析處理，逐步推進虛擬仿真軟件的研制。通過虛擬仿真技術，將基礎知識和理論形象地表現出來，為學生提供更加直觀的學習體驗環境，幫助學生更好地理解課程內容，以達到良好的學習效果。

自20世紀90年代以來，計算機模擬正在成為科學和工程等許多領域內解決問題的主流方法，與理論分析、實驗研究一起成為科學研究的三大支柱方法之一，基于模擬的工程和科學已經成為國家的核心競爭力［5］。建立虛擬仿真平臺主要采用下述技術手段：

1）基于美國NI公司圖形化編程語言Lab－VIE W的動態顯示功能和Matlab／Si mulink仿真開發工具功能而構成仿真平臺［8］，融實例顯示和仿真分析為一體；

2）采用國產仿真語言Si mu Log（Si mulation Log）［9］進行通用仿真；

3）采用VRML編程語言進行場景建模，以3DS MAX輔助建模［10］；

4）通過NET技術結合三維多媒體技術，構成基于Web的虛擬仿真平臺［11］；

5）FLASH平臺與VR技術相結合的方法［12］。

其中美國Matlab／Si mulink應用范圍最廣，它既是一個通用的仿真軟件 也包含專門針對各個行業的不同工具箱。Matlab提供強大的矩陣運算功能和豐富的工程計算領域工具箱，是應用最廣泛的仿真軟件，其處理數據和圖像的能力十分強大，較適合攝影測量圖像與數據處理。Si mulink是一個可視化的圖形仿真環境工具箱，能夠輕松實現系統設計。攝影測量虛擬仿真實驗主要基于Matlab／Si mulink仿真工具研發，以Matlab編寫算法程序，以Si mulink搭建數據處理流程框架，已實現部分功能模塊。

2 攝影測量虛擬仿真實踐的主要內容

使用數字攝影測量軟件側重結果而不是過程，無助于學生理解掌握基本原理，因此采用虛擬仿真技術建立實驗環境的過程中，應能體現關鍵步驟的算法流程，強調結果的同時更注重中間過程實現的可視化。虛擬仿真強調原理與算法的實現過程，可人機交互，模型算法可視，數據輸入輸出可控，這與數字攝影測量軟件有著本質的不同。攝影測量的實驗內容主要包括：像對立體觀察、像點坐標量測、單片空間后方交會、立體像對前方交會、立體像對定向與解析、解析空中三角測量、區域網平差、核線影像匹配、航片判讀與調繪、4D產品生產、三維景觀圖生成等。在理論教學中，一些較抽象的理論知識如外方位角元素三套轉角、像點位移、像片糾正等，若能采用形象的圖形模擬展示其過程，學生對這些抽象概念的理解無疑會大大增強，并牢固掌握相關知識點。受制于有限的教學硬件設備，基于虛擬仿真方式，以數據獲取、處理流程、算法模型、程序、繪圖為主，根據攝影測量技術特點設計可操作性強的虛擬實踐項目，是虛擬仿真實踐研究的主要目標。

在現代攝影測量技術迅猛發展的大背景下，為了使測繪專業攝影測量課程的實踐教學與新技術的發展和應用相適應，還需深層次地探討實踐課程的體系設計、實習實踐環節和施教方式等問題，并提出相應的實施方案。在教學內容組織、實驗項目選擇上，有明確的針對性和明確的培養目標。隨著測繪科學與技術的蓬勃發展，攝影測量有許多創新性研究成果，例如無人飛機攝影測量技術、近景大傾角攝影技術、微波雷達技術等。為了開闊學生的視野，培養學生的研究創新能力，可將實踐內容進行適當的擴展，讓學生能夠跟蹤攝影測量技術發展的前沿水平，其目的在于培養應用型和研究型復合人才，為以后從事工作和科研打下堅實的基礎，使本科畢業從事工作的學生具有較強的科研能力 攝影測量虛擬仿真實驗項目的建設與實施，最終要落實到虛擬仿真軟件的研發和相關課件的建設，以及在教學實踐中逐步應用、改進，并趨于完善。

3 攝影測量虛擬仿真實踐教學的意義

攝影測量技術應用領域非常廣泛，其用途雖以地形測量為主，但已擴展到許多領域。在災害風險監測與管理方面，災害監測、風險區劃、損失評估、災害管理和輔助決策的全過程均需要攝影測量技術；在資源調查與管理方面：土地資源、礦產資源、水資源、森林資源、農業資源、海洋資源等資源的調查都離不開攝影測量技術的支持［13］。在大數據時代，百分之八十的數據來源于空間［14］，除大飛機攝影測量數據外，無人機和近景攝影測量技術可提供高分辨率、多視角的影像數據，為攝影測量技術拓寬了更大的發展空間。攝影測量的發展變化對教學、科研、生產均產生了深遠的影響，而實踐環節是制約攝影測量教學效果的瓶頸，脫離生產實際的純理論教育是沒有意義和生命力的［15］。虛擬仿真是新興的技術平臺，在該平臺下進行攝影測量實踐教學模式創新研究，其研究意義體現在全面提升實踐教學質量，擺脫空有理論教學而實踐環節不足的窘境，鞏固理論知識教學效果，培養提高學生實踐動手能力和學習興趣，提高學生的綜合設計、研究創新和工程實踐能力。

4 結束語

攝影測量虛擬仿真實踐教學模式研究，是一項長期的綜合系統工程，沒有現成的經驗可供參考，需經過漫長的摸索和不懈的努力，任務還十分艱巨。在虛擬仿真實踐平臺的建設過程中，需結合測繪工程專業的特點，踏實地制定實踐建設規劃，逐步推進實踐教學虛擬仿真軟件的研發，不斷使用、改進、完善仿真軟件，逐漸在理論與實踐教學中推廣應用。強化虛擬仿真實踐教育，注重工程實際應用，更新實驗教學內容，引導學生自主結合理論與實踐進行學習，提高創新能力，為培養高素質的“卓越測繪師”奠定扎實的基礎。實踐表明，一個好的實驗模式能在教學中取得良好的效果，學生表現出很大的積極性和熱情，主動去圖書館、資料室、互聯網查閱資料，大部分學生反映學習的目標性強了，理論知識的掌握更加深刻 有條理 自學能力和創新能力也得到了提高。

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