“數(shù)字攝影測量”課程教育思考與基礎(chǔ)實習方法探索

許志華，崔希民，楊可明，袁德寶，孫文彬

(中國礦業(yè)大學(北京)地球科學與測繪工程學院，北京 100083)

數(shù)字攝影測量學是攝影測量學的分支學科，基于數(shù)字影像與攝影測量的基本原理，應(yīng)用計算機技術(shù)、數(shù)字影像處理、影像匹配和模式識別等多學科的理論與方法，可提取所攝對象的幾何與物理信息[1]。隨著社會對測繪類人才需求的增大，眾多高校如武漢大學、同濟大學、中國礦業(yè)大學(北京)等都開設(shè)了“數(shù)字攝影測量”課程，并作為測繪類本科生的一門重要的專業(yè)課程。

國內(nèi)外有關(guān)數(shù)字攝影測量的專著已有很多，如《數(shù)字攝影測量學》《數(shù)字攝影測量新技術(shù)》《數(shù)字近景工業(yè)攝影測量理論、方法與應(yīng)用》等，這些論著均在某方面反映了數(shù)字攝影測量的主要內(nèi)容和發(fā)展現(xiàn)狀，但是針對本科生教學，該類著作則存在內(nèi)容過多、信息冗余、缺乏應(yīng)用案例、現(xiàn)勢性較差等問題。張祖勛院士的《數(shù)字攝影測量學》為國內(nèi)高校測繪類學生首選的一本經(jīng)典教材，內(nèi)容涵蓋了從模擬攝影測量經(jīng)歷解析攝影測量到數(shù)字攝影測量的全部內(nèi)容，但缺乏對數(shù)字攝影測量學與計算機視覺學科中的相通、互補內(nèi)容的介紹，如用戶級相機采集影像的畸變、相機自標定方法，以及無人機攝影測量在工程生產(chǎn)中的問題等。然而，隨著計算機視覺理論與數(shù)字攝影測量學科的交叉融合，上述內(nèi)容正引起業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注，相關(guān)理論和技術(shù)的發(fā)展正在影響著行業(yè)生產(chǎn)模式的改變，亟待補充相關(guān)的教學內(nèi)容，與時俱進。

從教學模式上，大多數(shù)高校仍以傳統(tǒng)教學與多媒體教學相結(jié)合為主，而較少涉及啟發(fā)式或探究式的教學方式或涉及的深度不夠；此外，大多數(shù)教師仍不能很好地將教學和科研進行有效結(jié)合，不能很好地將科研中的前沿知識與課程內(nèi)容進行融合，導致學生接收到的知識具有滯后性。在基礎(chǔ)實習環(huán)節(jié)，大多數(shù)高校仍以傳統(tǒng)數(shù)字攝影測量軟件為主，如VirtuoZo，該類軟件對相機要求高，處理復雜[2]。此外，近些年各類新型傳感器，如便攜式傾斜相機、多光譜相機等，日新月異，發(fā)展迅猛；影像獲取平臺，如低空無人機、移動測量車等飛速發(fā)展，使獲取高分辨率多視影像變得廉價、便捷；相應(yīng)的影像處理軟件層出不窮，如Agisoft Photoscan[3]、Pix4D mapper[4]、Sart3D Capture[5]和PixelGrid[6]等，這對數(shù)字攝影測量的基礎(chǔ)實習提出了新的要求，亟需引入新型的實習方案，更好地解決當前數(shù)字攝影測量應(yīng)用中的問題。

綜上，數(shù)字攝影測量課程存在著教學內(nèi)容單一、交叉性不強、探索性較差、基礎(chǔ)實習現(xiàn)勢性不強等問題，易導致教學深度不夠、學生積極性不高，且難以很好地解決實際工程中問題的現(xiàn)象。因此，本文針對筆者所在院校遙感科學與技術(shù)的本科生，將探索數(shù)字攝影測量學的課程教育方法，改進基礎(chǔ)實習內(nèi)容，以此提升學生認知水平和技術(shù)能力，使其更好地適應(yīng)社會需求。

1 課程教育思考

1.1 優(yōu)化課程體系，完善教學內(nèi)容

筆者所在院校遙感科學與技術(shù)專業(yè)在數(shù)字攝影測量課程之前已開設(shè)攝影測量學專業(yè)課程。該課程注重航空攝影測量知識，即注重于由相機平臺位置、姿態(tài)信息建立像素坐標與地面坐標之間的投影關(guān)系；而數(shù)字攝影測量可以理解為攝影測量學的逆向過程，即通過多視影像中同名像素之間的關(guān)系恢復相機位置、姿態(tài)及地面三維坐標的過程。雖然上述兩門課程在教學內(nèi)容上具有一定的差異，但兩者之間存在緊密的聯(lián)系，如航空攝影中的共線方程及其相對定向理論可以解決數(shù)字攝影測量學中的冗余影像盲匹配問題[7-8]，以及兩者采用通用的平差模型等。因此，可結(jié)合教學重點突出兩者之間的區(qū)別與聯(lián)系，明確本課程的教學定位、理論特點和應(yīng)用背景，有的放矢，將達到事半功倍的效果。

1.1.1 避免重復教學

在課程設(shè)置中刪掉了攝影測量學3個主要發(fā)展階段直接的區(qū)別和聯(lián)系；刪掉了“內(nèi)定向”章節(jié)，簡化了空中三角測量相關(guān)的理論教學，避免了重復教學的問題。

1.1.2 補充前言知識

面向經(jīng)濟社會發(fā)展需求，瞄準專業(yè)發(fā)展前沿，借鑒國內(nèi)外課程改革成果，補充前言知識，完善教學內(nèi)容。因此，在教學內(nèi)容上增加了用戶級數(shù)碼相機的畸變[9]、模板相機標定[10-11]、計算機視覺理論中的相機自標定原理[12]，闡述了制約數(shù)字攝影測量發(fā)展的關(guān)鍵問題，如紋理特征提取[13]、冗余影像的盲匹配[7-8]、迭代平差[14]等，增強了理論教學的廣度和深度。

此外，計算機視覺理論及算法飛速發(fā)展，開源了大量的數(shù)字攝影測量系統(tǒng)和有益代碼，極大地豐富了數(shù)字攝影測量的教學資源。因此，在教學過程中，可以充分利用計算機視覺方面的素材進行示例說明，并以此為契機構(gòu)建該學科與數(shù)字攝影測量、航空攝影測量等學科的交叉教學模式，并以航空遙感影像、無人機遙感影像為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)進行案例教學。

1.2 構(gòu)建新的教學模式

(1) 提高傳統(tǒng)教學與多媒體教學的效率。充分發(fā)揮教師講授的主導作用，把握教學的重點和難點，在較短的時間內(nèi)有計劃、有目的地傳授給學生，較快達到教學目的；利用多媒體教學的直觀性、多樣性、生動性的特點，激發(fā)學生興趣，提高教學效率。

(2) 大膽嘗試啟發(fā)式教學模式。在多樣的教學方法中，增強教師與學生的互動；確立以學生為主體的觀念，引導學生積極地參與到教學活動中，鼓勵學生大膽提出問題，積極發(fā)表自己的看法[16]。如針對“如何利用新型傳感器數(shù)字攝影測量生產(chǎn)4D產(chǎn)品”展開啟發(fā)式教學，通過教師與學生之間的相互問答，由淺入深，層層切入，達到解決問題的效果。

(3) 探索以課題為驅(qū)動的引導式教學。在傳統(tǒng)教學中，學生對硬性的接受知識存在一定的排斥心理，導致學生對課程的認識深度不夠，甚至厭學或棄學。相反，若能讓學生參與到教師的相關(guān)在研課題中，進行任務(wù)驅(qū)動和知識需求驅(qū)動的教學模式，則能大大激發(fā)學生的積極性和求知欲望，進而引導學生進行開放式和創(chuàng)新式學習。

2 基礎(chǔ)實習新型教學探索

傳統(tǒng)數(shù)字攝影測量基礎(chǔ)實習多采用VirtuoZo專業(yè)軟件[17]，對相機要求高，數(shù)據(jù)處理復雜。隨著無人機等移動平臺的快速發(fā)展，以及數(shù)字攝影測量與計算機視覺學科的交叉融合，基于非量測相機的測繪生產(chǎn)應(yīng)用越來越廣泛，這對基礎(chǔ)實習的教學提出了新的挑戰(zhàn)。對此，筆者基于一種新型數(shù)字攝影測量系統(tǒng)Agisoft PhotoScan和地理信息系統(tǒng)ArcGIS開展基礎(chǔ)實習教學，并摸索和總結(jié)了一套上機操作流程(如圖1所示)，效果較好。該操作流程包括數(shù)據(jù)準備、相機預(yù)標定、特征提取與空三加密、致密點云生成、DSM和DOM生產(chǎn)、點云濾波、三角網(wǎng)構(gòu)建與DEM生產(chǎn)等。

圖1 數(shù)字攝影測量基礎(chǔ)實習技術(shù)流程

2.1 實習數(shù)據(jù)

本文以無人機影像數(shù)據(jù)處理為例，進行數(shù)字攝影測量基礎(chǔ)實習介紹。研究區(qū)位于吉林省長春市九臺區(qū)東部，經(jīng)緯度范圍為44°13′N—44°16′N，126°5′E—126°9′E，地物類型包括植被、裸地、道路和民房，各類地物呈集聚性分布。試驗搭載SONY DSC-WX220數(shù)碼相機，采用固定翼自主飛行模式，共獲取43張影像，分辨率約為2 cm，航向、旁向重疊度分別為70%和50%。

2.2 數(shù)字攝影測量數(shù)據(jù)準備

數(shù)字攝影測量所需數(shù)據(jù)包括：

(1) 多視序列影像：具有一定重疊度的多角度影像集。以無人機影像為例，通常設(shè)置航向重疊度為60%～80%，旁向重疊度為40%～60%，以保證影像匹配的穩(wěn)定性。此外，影像紋理越單一，地物類型越簡單，要求重疊度越高，反之則反。

(2) 飛控數(shù)據(jù)：攝影曝光時刻影像的位置和姿態(tài)信息。其中，位置記錄形式為WGS-84坐標系下的經(jīng)度B、緯度L和高程H；姿態(tài)角為IMU本體坐標系在導航坐標系中的側(cè)滾Φ、俯仰Θ和偏航Ψ。若要獲取地攝坐標系相對于像空間坐標系的外方位角元素(ψ，ω，κ)，需進行坐標變換[15]。

(3) 控制資料：一定數(shù)量(>4)均勻分布在測區(qū)內(nèi)的地面控制點，用于空三加密的絕對定向。

2.3 相機預(yù)標定

利用Agisoft Lens[18]軟件完成相機預(yù)標定。該模塊集成基于格網(wǎng)模板匹配的相機標定方法，通過對比不同視角影像中格網(wǎng)在水平、垂直方向的差異，估計相機的徑向和切向參數(shù)，主要步驟包括：

(1) 捕捉校準照片：顯示棋盤格圖片，從不同角度等焦距拍攝校準照片(大于等于3張)。

(2) 加載照片：加載待校準照片，軟件支持JPEG、TIFF、PNG、PPM和BMP等圖像格式。

(3) 檢核照片：為了獲得良好的校準，刪除畸變較大、模糊度高的照片。

(4) 相機標定：獲得相機標定結(jié)果報告，包括水平和垂直焦距(分別記為fx和fy，單位為像素)主點坐標(cx，cy)、徑向失真系數(shù)。

2.4 特征提取、匹配與空三加密

獲得相機標定參數(shù)后需進行影像特征提取與匹配。這部分內(nèi)容是數(shù)字攝影測量中的關(guān)鍵內(nèi)容，通過計算點特征的相似度來尋找重疊影像中的同名特征；完成同名特征匹配后，在重疊影像中手動標記地面控制點，并輸入相應(yīng)地面坐標，進而進行空中三角測量，生成測區(qū)的稀疏點云，包含空間位置(X，Y，Z)和彩色信息(R，G，B)。除此之外，還可以獲得相機曝光的位置信息(X，Y，Z)。該步驟可通過PhotoScan的“Align photos”模塊執(zhí)行，該模塊采用了并行技術(shù)，處理速度快；生成點云精度(密度)從低到高分5個等級，相應(yīng)耗時依次增加，試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 稀疏點云生成結(jié)果

2.5 點云加密

重建得到的稀疏點云的密度一般較低，不能很好地表達完備地物信息，需要進行點云加密。PhotoScan軟件中，集成了多目立體視覺算法模塊(patch-based multiple view stereopsos，PMVS)[20]，在稀疏點云的基礎(chǔ)上，通過計算稠密點匹配關(guān)系，構(gòu)建稠密匹配特征點集。在PhotoScan中選擇“Build Dense Clouds”執(zhí)行點云加密步驟，得到試驗結(jié)果如圖3所示。同上，生成點云的精度(密度)從低到高分5個等級，耗時依次增加。

圖3 點云加密結(jié)果

2.6 DSM與DOM生產(chǎn)

數(shù)字表面模型(DSM)是制作正射影像的基礎(chǔ)。在PhotoScan中DSM的生產(chǎn)直接將致密點云生成不規(guī)則三角網(wǎng)格即可，網(wǎng)格中可能包含地表建筑物，橋梁和樹木等高度的地面模型。數(shù)字正射影像(DOM)是在DSM的基礎(chǔ)上成產(chǎn)的另一種數(shù)字化產(chǎn)品，利用DSM可以對拼接后的影像進行數(shù)字微分糾正，消除地形起伏導致的影像畸變。利用“Build DEM”和“Build Orthomosaic”可以生成測區(qū)的DSM和DOM，結(jié)果如圖4、圖5所示。該模塊沒有經(jīng)過點云濾波，構(gòu)建的DEM實為DSM。

圖4 DSM生成結(jié)果

圖5 DOM生成結(jié)果

2.7 DEM生產(chǎn)

針對地學應(yīng)用的多樣性，獲取高精度的三維地形信息，如DEM對于地學應(yīng)用具有重要的作用。與DSM產(chǎn)品相比，DEM刻畫地表，需在DSM的基礎(chǔ)上濾除地物，進而為大尺度的正射影像生產(chǎn)提供地形參考。DEM生產(chǎn)仍以前文中的致密點云為輸入，包括如下操作步驟：

(1) 借助第三方軟件，如CloudCompare[19]等，進行點云濾波處理，獲取三維點云的非地面點與地面點。

(2) 將得到的地面點云導入ArcGIS軟件，通過插值、重采樣等操作后構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)。

(3) 將以上TIN轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)，生成柵格形式的DEM，如圖6所示。

3 結(jié) 語

本文面向全國高校測繪類本科生，總結(jié)了當前數(shù)字攝影測量課程教育存在的主要問題，并對教學方式改革進行思考和建議；探索了一套基于新型數(shù)字攝影測量系統(tǒng)的數(shù)字攝影測量基礎(chǔ)實習技術(shù)流程，并以吉林省長春市九臺區(qū)東部流域的無人機數(shù)字攝影測量為例，詳細闡述了基礎(chǔ)實習的基本步驟，驗證了基礎(chǔ)實習方案的有效性。

圖6 DEM生成結(jié)果