“理虛實(shí)一體化”攝影測(cè)量實(shí)踐教學(xué)的探索與實(shí)踐

李愛霞 何冰

[摘 要]攝影測(cè)量學(xué)是一門理論抽象、實(shí)踐過程銜接性很強(qiáng)的課程。結(jié)合行業(yè)應(yīng)用和虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，提出了包括理論實(shí)踐、虛擬仿真實(shí)踐和真實(shí)場(chǎng)景實(shí)踐的“理虛實(shí)一體化”攝影測(cè)量實(shí)踐教學(xué)模式，并詳細(xì)描述了每個(gè)實(shí)踐的實(shí)施過程。通過該實(shí)踐過程，讓學(xué)生系統(tǒng)性地學(xué)習(xí)了攝影測(cè)量的生產(chǎn)過程，學(xué)生不僅對(duì)攝影測(cè)量課程的理論知識(shí)有了深入的理解，而且對(duì)無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量工作也產(chǎn)生了極大的興趣。

[關(guān)鍵詞]攝影測(cè)量學(xué)；實(shí)踐教學(xué)；理虛實(shí)一體化

攝影測(cè)量學(xué)是以非接觸傳感器獲得影像數(shù)據(jù)為處理對(duì)象，通過對(duì)數(shù)據(jù)的解析計(jì)算來獲得目標(biāo)的幾何和屬性信息的一門課程，該課程實(shí)踐內(nèi)容包含內(nèi)業(yè)和外業(yè)兩部分。其中內(nèi)業(yè)是利用攝影測(cè)量的理論基礎(chǔ)對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而得到數(shù)字高程模型、等高線圖、數(shù)字正射影像、數(shù)字線畫圖等產(chǎn)品；而外業(yè)則包括航空影像的獲取、控制點(diǎn)的布設(shè)及測(cè)量以及影像調(diào)繪等。

傳統(tǒng)的攝影測(cè)量實(shí)踐教學(xué)主要以內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理為主，例如，利用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)VirtuoZo軟件，實(shí)習(xí)過程中大多采用軟件自帶示例數(shù)據(jù)對(duì)影像進(jìn)行模型定向、影像匹配、生成DEM和DOM操作，實(shí)習(xí)內(nèi)容能夠幫助學(xué)生鞏固和加深理解在課堂所學(xué)的理論知識(shí)。但是無(wú)人機(jī)的廣泛應(yīng)用，行業(yè)對(duì)攝影測(cè)量人才的技術(shù)需求變?yōu)闊o(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)的采集、整個(gè)測(cè)區(qū)的數(shù)據(jù)處理、三維模型的建立以及4D產(chǎn)品的生產(chǎn)等。因此，作為攝影測(cè)量技術(shù)人才的主要培養(yǎng)基地，許多高校對(duì)攝影測(cè)量的實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行了改革和探索。葉欣（就職于黑龍江科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院）等通過課內(nèi)實(shí)踐和課外實(shí)踐相結(jié)合的方式，通過鼓勵(lì)學(xué)生參加AOPA無(wú)人機(jī)駕駛資格培訓(xùn)，提高學(xué)生就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力[1]；張卡（就職于南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院）等通過構(gòu)建“空天地”一體化攝影測(cè)量實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容體系，豐富了實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性[2]；張麗（就職于宿遷學(xué)院建筑工程學(xué)院）等構(gòu)建了由基礎(chǔ)到提升的階梯式同化實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，提高了學(xué)生的實(shí)踐教學(xué)技能[3]。

在攝影測(cè)量實(shí)踐教學(xué)過程中，受限于實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地及實(shí)驗(yàn)安全性等問題，航空影像數(shù)據(jù)的獲取往往成為攝影測(cè)量實(shí)踐教學(xué)的難點(diǎn)。一些學(xué)校通過建立模擬航空攝影系統(tǒng)來展示航空影像的獲取過程[4]。但是模擬系統(tǒng)的航高、航向等都是固定的，與實(shí)際飛行環(huán)境還具有很大的區(qū)別。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、信息化水平的不斷提高，虛擬仿真技術(shù)成為當(dāng)前高校開展實(shí)踐教學(xué)工作的重要手段之一[5]。本文利用虛擬仿真技術(shù)彌補(bǔ)航空影像獲取實(shí)踐教學(xué)的不足，構(gòu)建“理虛實(shí)一體”的實(shí)踐教學(xué)模式，借助虛擬仿真平臺(tái)讓學(xué)生了解和“實(shí)踐”外業(yè)航空影像獲取的過程，為實(shí)際操作無(wú)人機(jī)進(jìn)行航空攝影做準(zhǔn)備；并以校園為作業(yè)區(qū)域，模擬真實(shí)項(xiàng)目要求，讓學(xué)生獨(dú)立完成從外業(yè)數(shù)據(jù)采集到內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，使學(xué)生系統(tǒng)地學(xué)習(xí)和掌握攝影測(cè)量的全過程[6]。

一、實(shí)踐教學(xué)改革的必要性

（一）攝影測(cè)量課程是一門理論性很強(qiáng)的課程，課程概念比較抽象、公式推導(dǎo)多、前后銜接緊密。涉及的概念包括：常用坐標(biāo)系的定義、航空攝影的要求、內(nèi)方位元素、外方位元素、相對(duì)定向元素、絕對(duì)定向元素等基本參數(shù)。圍繞影像的處理主要介紹了空間后方交會(huì)、空間前方交會(huì)、內(nèi)定向、相對(duì)定向、絕對(duì)定向、解析空中三角測(cè)量等的解析計(jì)算方法。不僅對(duì)學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求較高，而且由于涉及多個(gè)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換，以及二維到三維的空間表達(dá)，因此對(duì)學(xué)生的空間想象能力要求也比較高。

（二）攝影測(cè)量實(shí)踐中除了包括影像數(shù)據(jù)的處理，外業(yè)控制點(diǎn)的布設(shè)以及航線規(guī)劃也很重要。隨著消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)硬件成本低，操作簡(jiǎn)單，使得無(wú)人機(jī)引入攝影測(cè)量實(shí)踐教學(xué)成為可能。但是無(wú)人機(jī)航空攝影對(duì)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地要求高、易受天氣和環(huán)境的影響，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)學(xué)生人手1臺(tái)。

二、實(shí)踐教學(xué)的設(shè)計(jì)理念

攝影測(cè)量實(shí)踐是依托于“攝影測(cè)量學(xué)”課程而開展的實(shí)踐教學(xué)，“攝影測(cè)量學(xué)”課程的核心在于航空影像的獲取和攝影測(cè)量的基本原理，其中攝影測(cè)量的基本原理是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，該部分所關(guān)聯(lián)的內(nèi)容體系較為復(fù)雜，理論性極強(qiáng)，前后內(nèi)容銜接緊密，僅僅依靠課堂上的理論講解，學(xué)生很難理解，因此針對(duì)課堂理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)實(shí)踐不僅可以提升理論課程的吸引力，還可以提升學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力。但是無(wú)人機(jī)的廣泛應(yīng)用，行業(yè)對(duì)攝影測(cè)量人才的技術(shù)需求變?yōu)闊o(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)的采集和處理。在此背景下，攝影測(cè)量實(shí)踐教學(xué)的設(shè)計(jì)理念是從學(xué)生的發(fā)展和行業(yè)對(duì)人才的需求出發(fā)，以培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力為核心，以提升學(xué)生職業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力為目標(biāo)。

在原有基礎(chǔ)理論實(shí)踐的基礎(chǔ)上，增加程序設(shè)計(jì)實(shí)踐內(nèi)容，例如，給出一張航空影像，然后要求學(xué)生自己量測(cè)影像上的像點(diǎn)位置，編程實(shí)現(xiàn)影像的內(nèi)定向，程序運(yùn)行結(jié)果還可以與軟件操作結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。通過編程由學(xué)生根據(jù)原理公式實(shí)現(xiàn)處理過程，加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解。同時(shí)發(fā)揮虛擬仿真平臺(tái)優(yōu)勢(shì)，以任務(wù)為驅(qū)動(dòng)，讓學(xué)生獨(dú)立完成不同環(huán)境、不同要求的航測(cè)任務(wù)，使學(xué)生全身心地參與到航測(cè)的各個(gè)環(huán)節(jié)，提高學(xué)生的參與度和獨(dú)立思考的能力。

最后采用無(wú)人機(jī)設(shè)備，以校園為測(cè)區(qū)范圍，模擬真實(shí)項(xiàng)目的全流程進(jìn)行綜合性實(shí)踐，要求學(xué)生以組為單位進(jìn)行無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)的采集和控制點(diǎn)的布設(shè)及坐標(biāo)測(cè)量，并利用攝影測(cè)量相關(guān)軟件進(jìn)行影像數(shù)據(jù)的處理建立三維模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行DOM、DLG、DSM等常用產(chǎn)品的生產(chǎn)。通過整個(gè)實(shí)踐流程，幫助學(xué)生將過去所學(xué)的“散裝”知識(shí)“串”起來，使學(xué)生體會(huì)到各知識(shí)點(diǎn)的協(xié)同效應(yīng)，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際解決問題的能力，以提高學(xué)生職業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

三、“理虛實(shí)一體化”實(shí)踐教學(xué)的構(gòu)建與實(shí)施

根據(jù)攝影測(cè)量實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)理念，本文提出了“理虛實(shí)一體化”實(shí)踐教學(xué)，其中“理”是指理論實(shí)踐，是在理論教學(xué)的過程中穿插軟件操作實(shí)踐和程序設(shè)計(jì)實(shí)踐，幫助學(xué)生理解和鞏固理論知識(shí)，讓學(xué)生初步了解攝影測(cè)量的內(nèi)業(yè)處理過程。“虛”是指虛擬仿真實(shí)踐，該實(shí)踐是彌補(bǔ)理論實(shí)踐階段缺少的外業(yè)數(shù)據(jù)采集的實(shí)踐過程。利用虛擬仿真系統(tǒng)幫助學(xué)生了解無(wú)人機(jī)的組成和操作，并根據(jù)三維場(chǎng)景布局練習(xí)像控點(diǎn)的布設(shè)和影像數(shù)據(jù)采集的過程。借助虛擬仿真實(shí)踐讓學(xué)生了解和“實(shí)踐”外業(yè)航空影像獲取的過程，為實(shí)際操作無(wú)人機(jī)進(jìn)行航空攝影做準(zhǔn)備?！皩?shí)”是指模擬實(shí)際工程任務(wù)的真實(shí)場(chǎng)景實(shí)踐。在虛擬仿真實(shí)踐的基礎(chǔ)上，學(xué)生對(duì)無(wú)人機(jī)的組成和操作具有了一定的了解，在此基礎(chǔ)上以真實(shí)場(chǎng)景為任務(wù)測(cè)區(qū)，以小組為單位利用無(wú)人機(jī)和RTK對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行像控點(diǎn)的布設(shè)和影像數(shù)據(jù)采集，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理，讓學(xué)生了解整個(gè)無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量全過程的同時(shí)加強(qiáng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作的意識(shí)。具體實(shí)施過程如下。

（一）理論實(shí)踐

理論實(shí)踐包括軟件操作和程序設(shè)計(jì)實(shí)踐。其中軟件操作是采用VirtuoZo數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)，根據(jù)課程內(nèi)容了解航空影像中航線、重疊度的作用以及影像內(nèi)定向、相對(duì)定向、絕對(duì)定向、影像匹配等操作以及DEM、DOM、DLG成果，通過一系列操作實(shí)習(xí)，讓學(xué)生能夠?qū)λ鶎W(xué)理論知識(shí)建立知識(shí)圖譜，理解影像處理過程。另外，由于軟件操作過程簡(jiǎn)單，學(xué)生無(wú)法深刻體會(huì)理論知識(shí)的具化過程，將內(nèi)定向、空間后方交會(huì)、相對(duì)定向等操作采用編程的方式實(shí)現(xiàn)，讓學(xué)生深刻地體會(huì)到理論公式在這些操作過程中的應(yīng)用。

（二）虛擬仿真實(shí)踐

虛擬仿真實(shí)踐利用南方測(cè)繪公司開發(fā)的無(wú)人機(jī)虛擬仿真軟件進(jìn)行實(shí)踐操作。主要進(jìn)行兩個(gè)方面的學(xué)習(xí)，一是無(wú)人機(jī)的認(rèn)識(shí)和操作，該軟件以大疆精靈4為原型，采用三維建模軟件，將無(wú)人機(jī)從各個(gè)系統(tǒng)、零部件結(jié)構(gòu)、模擬操作環(huán)境等比例真實(shí)還原。學(xué)生通過該平臺(tái)可以了解無(wú)人機(jī)的主要硬件組成，并且能夠正確組裝無(wú)人機(jī)，并對(duì)無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)進(jìn)行控制操作。二是借助虛擬仿真平臺(tái)，學(xué)生可以了解無(wú)人機(jī)飛行高度與影像比例尺的關(guān)系、航線規(guī)劃的要求、航拍的風(fēng)力影響和時(shí)間影響、航線規(guī)劃的要求、控制點(diǎn)的布設(shè)及測(cè)量等內(nèi)容，使學(xué)生對(duì)無(wú)人機(jī)航空攝影的全過程有一個(gè)基本的了解，在學(xué)生熟悉軟件操作的基礎(chǔ)上，學(xué)生根據(jù)教師給出的測(cè)區(qū)范圍及測(cè)圖要求進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)踐操作，虛擬平臺(tái)針對(duì)操作過程給出評(píng)價(jià)，教師針對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行講解。

（三）真實(shí)場(chǎng)景實(shí)踐

該實(shí)踐過程分為外業(yè)和內(nèi)業(yè)兩個(gè)內(nèi)容，其中外業(yè)是以小組為單位，利用大疆精靈4無(wú)人機(jī)系統(tǒng)和RTK以校園部分區(qū)域?yàn)槿蝿?wù)測(cè)區(qū)進(jìn)行像控點(diǎn)的布設(shè)和影像采集。影像數(shù)據(jù)的內(nèi)業(yè)處理則包括：1.外業(yè)原始數(shù)據(jù)整理：重疊度的計(jì)算、影像清晰度的檢查等；2.影像數(shù)據(jù)空三計(jì)算和三維模型的生成：利用ContextCapture軟件對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行空三加密、控制點(diǎn)刺點(diǎn)、生成三維模型、生成正射影像等處理；3.三維模型的修飾及單體化建模：利用大勢(shì)智慧公司的魔方軟件對(duì)三維模型進(jìn)行碎片刪除、水面修整、道路置平、單體化建模等操作；4.DLG線畫圖制作：利用SmartGIS軟件根據(jù)三維模型進(jìn)行房屋、道路、水體、綠地等地物的采集，同時(shí)將像控點(diǎn)作為控制點(diǎn)圖層展繪于線畫圖中，并于DOM影像進(jìn)行配準(zhǔn)，將線畫圖疊加到正射影像上。

四、實(shí)踐教學(xué)的效果評(píng)價(jià)與反思

（一）教學(xué)效果評(píng)價(jià)

實(shí)踐結(jié)果以報(bào)告形式提交，根據(jù)實(shí)習(xí)報(bào)告中反饋的信息可以看出：通過實(shí)踐操作能夠幫助學(xué)生鞏固在課堂上學(xué)到的基本理論知識(shí)，加深對(duì)攝影測(cè)量基本理論的理解。尤其是模擬工程任務(wù)的真實(shí)場(chǎng)景實(shí)踐，讓學(xué)生熟悉了攝影測(cè)量的基本流程和處理方法，發(fā)現(xiàn)了理論知識(shí)在實(shí)際中的應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)提升了處理問題和團(tuán)隊(duì)協(xié)作的能力。

學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力得到了提高，浙江水利水電學(xué)院測(cè)繪與市政工程學(xué)院學(xué)生連續(xù)在2022年和2023年的全國(guó)大學(xué)生測(cè)繪學(xué)科創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)智能大賽——無(wú)人機(jī)航測(cè)虛擬仿真比賽中取得優(yōu)異成績(jī)；在大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目中也積極申報(bào)攝影測(cè)量三維建模相關(guān)的項(xiàng)目。真實(shí)場(chǎng)景實(shí)踐是從2021年開始實(shí)施的，在2022屆畢業(yè)設(shè)計(jì)選題中與無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量和三維建模題目相關(guān)的學(xué)生有7人，而在2021屆只有1名學(xué)生的畢業(yè)題目與無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量有關(guān)。

通過該實(shí)踐模式的培養(yǎng)，使學(xué)生對(duì)無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量工作產(chǎn)生了濃厚的興趣。根據(jù)畢業(yè)就業(yè)反饋意見，有部分學(xué)生在畢業(yè)時(shí)就考取了無(wú)人機(jī)駕駛證，已有多人從事無(wú)人機(jī)航測(cè)工作，學(xué)生到工作單位后能快速地參與到無(wú)人機(jī)外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)影像數(shù)據(jù)處理的工作當(dāng)中。

（二）實(shí)踐教學(xué)反思

1.理論實(shí)踐的必要性

攝影測(cè)量理論比較成熟，攝影測(cè)量軟件大多是以面向生產(chǎn)為主，對(duì)影像數(shù)據(jù)的處理主要包括解析空三、添加控制點(diǎn)和三維建模幾個(gè)步驟，操作比較簡(jiǎn)單。因此，在理論教學(xué)過程中進(jìn)行理論實(shí)踐可以讓學(xué)生對(duì)理論的應(yīng)用有一個(gè)感性認(rèn)識(shí)，同時(shí)程序設(shè)計(jì)的訓(xùn)練可以加深學(xué)生對(duì)基本原理的理解。

2.虛擬仿真不能完全代替真實(shí)場(chǎng)景實(shí)踐

無(wú)人機(jī)虛擬仿真平臺(tái)彌補(bǔ)了攝影測(cè)量外業(yè)實(shí)踐內(nèi)容的缺失，而且通過虛擬仿真平臺(tái)學(xué)生可以詳細(xì)地了解無(wú)人機(jī)的硬件組成及操控過程，可以直觀學(xué)習(xí)航高對(duì)影像分辨率的影響，重疊度在航線規(guī)劃中的作用等。但是與虛擬環(huán)境相比真實(shí)工作場(chǎng)景具有許多不可控因素，例如，飛行過程中電池電量不足、天氣的變化、控制點(diǎn)的布設(shè)等都需要學(xué)生具有一定的應(yīng)變能力。另外，攝影測(cè)量的實(shí)踐內(nèi)容具有較強(qiáng)的連續(xù)性，虛擬仿真平臺(tái)只有航拍的模擬影像數(shù)據(jù)，不能滿足攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的需要。因此，虛擬仿真教學(xué)不能完全取代真實(shí)工作場(chǎng)景的訓(xùn)練。

結(jié)束語(yǔ)

本文從學(xué)生的發(fā)展和行業(yè)對(duì)人才的需求出發(fā)，以培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力為核心，以提升學(xué)生職業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力為目標(biāo)的實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)理念，提出了“理虛實(shí)一體化”實(shí)踐教學(xué)過程，通過加強(qiáng)三個(gè)階段的實(shí)踐教學(xué)，讓學(xué)生構(gòu)建自己對(duì)攝影測(cè)量基礎(chǔ)理論的認(rèn)知，學(xué)會(huì)如何“動(dòng)腦”和“動(dòng)手”，加深對(duì)課堂所學(xué)理論知識(shí)的理解，大大激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)攝影測(cè)量學(xué)的熱情，使學(xué)生對(duì)攝影測(cè)量的用途也有了一定的感性認(rèn)識(shí)，并初步培養(yǎng)了學(xué)生的生產(chǎn)能力。

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作者簡(jiǎn)介：李愛霞（1977— ），女，漢族，河南鶴壁人，浙江水利水電學(xué)院測(cè)繪與市政工程學(xué)院，副教授，博士。

研究方向：攝影測(cè)量、遙感技術(shù)應(yīng)用教學(xué)與科研。

何冰（1989— ），女，漢族，湖北荊門人，浙江水利水電學(xué)院測(cè)繪與市政工程學(xué)院，講師，博士。

研究方向：地球參考框架。

基金項(xiàng)目：浙江省普通本科高校“十四五”教學(xué)改革項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：jg20220637）；教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：220803776241944）；浙江省產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目“高新技術(shù)下的測(cè)繪工程專業(yè)課程體系改革”。