攝影測量學(xué)課堂教學(xué)軟件研發(fā)初探

詹總謙，彭 敏，馬彩云

（1.武漢大學(xué) 測繪學(xué)院，湖北 武漢 430079）

攝影測量學(xué)課堂教學(xué)軟件研發(fā)初探

詹總謙1，彭 敏1，馬彩云1

（1.武漢大學(xué) 測繪學(xué)院，湖北 武漢 430079）

在分析攝影測量課堂教學(xué)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，針對《攝影測量學(xué)》自身的抽象性難題，以讓學(xué)生充分利用課堂學(xué)習(xí)、更好把握攝影測量基礎(chǔ)知識為目標(biāo)，從教學(xué)實踐出發(fā)，研發(fā)了一套集攝影測量學(xué)理論教學(xué)、動畫演示和系統(tǒng)展示為一體的多樣化攝影測量課堂教學(xué)方案。

攝影測量學(xué)；理論教學(xué)；動畫演示；教學(xué)方案

當(dāng)前，測繪工程專業(yè)使用的攝影測量學(xué)教材主要從理論知識和技術(shù)應(yīng)用方法兩方面進行詳細(xì)講解，盡管教材內(nèi)容由淺入深、章節(jié)安排循序漸進,并且結(jié)合多媒體通過文字、圖像進行輔助，但是課堂教學(xué)的效果往往使學(xué)生僅停留在對基本概念和原理的理解上。學(xué)生對外方位元素、后方-前方交會、相對-絕對定向等一些抽象理論，以及學(xué)攝影測量能解決什么問題、如何解決實際問題缺乏必要的感性認(rèn)識[1-5]。同時，現(xiàn)有的教學(xué)版攝影測量系統(tǒng)僅能夠鍛煉操作技能，并不能幫助學(xué)生理解掌握算法的過程和特性，因此需要研究開發(fā)適合教學(xué)實踐的攝影測量教學(xué)系統(tǒng)[6-7]?；谝陨蟽牲c，本文對如何從學(xué)生角度考慮，研究理論知識講解與軟件演示相結(jié)合的教學(xué)模式進行了探索，同時以Flash、 Matlab軟件為工具，開發(fā)了一款攝影測量課堂教學(xué)軟件，把抽象的攝影測量相關(guān)原理通過動畫的形式具體化、形象化，幫助初學(xué)者更好地理解和把握攝影測量知識。

1 軟件設(shè)計與實現(xiàn)

1.1 軟件總體設(shè)計方案

攝影測量學(xué)課堂教學(xué)軟件是以攝影測量學(xué)理論為基礎(chǔ)，立足于理論與實踐相長教學(xué)，旨在通過形象化展示攝影測量基本原理及技術(shù)功能，為學(xué)生提供一個實用、生動、有效的學(xué)習(xí)平臺。平臺設(shè)計主要包含3個部分：Flash動畫制作、基于Matlab編程的攝影測量數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)處理與動畫協(xié)同展示。

Flash是一個基于矢量的交互性影片格式，集各類媒體元素、動態(tài)效果、用戶交互于一體，通過內(nèi)部對象及其屬性特征表達豐富的語義信息，是Internet上高效傳遞矢量圖形、文本、視頻和聲音的媒體格式，在教學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用[8]。本文的Flash動畫制作主要是用Flash功能模擬航空攝影姿態(tài)及攝影測量解析過程。包含不考慮各影響因素的 “理想航攝”模擬，以及實際工作狀態(tài)下的“實際航攝”模擬兩種情形，同時包含在這兩種情形下的后方交會、前方交會、相對定向、絕對定向的動畫制作等。

基于Matlab編程的攝影測量數(shù)據(jù)處理主要是考慮到Matlab的普及性及其簡單易學(xué)的特點。而實踐也證明，利用Matlab語言進行課程教學(xué)與實驗（如高等數(shù)學(xué)和工程數(shù)學(xué)[9-10]等）均取得了較大的成功。該部分功能主要實現(xiàn)攝影測量中單像空間后方交會、雙像前方交會、立體像對相對定向、絕對定向以及少量像片光束法平差等基礎(chǔ)算法的程序設(shè)計及實驗數(shù)據(jù)分析。

數(shù)據(jù)處理與動畫協(xié)同展示主要是將攝影測量數(shù)據(jù)處理與Flash動畫相結(jié)合，通過數(shù)據(jù)處理的輸入、迭代過程、結(jié)果輸出、精度分析以及動畫演示，促進學(xué)生學(xué)習(xí)理解，提高教學(xué)效果。

1.2 模塊化功能實現(xiàn)

1.2.1 Flash動畫制作

動畫制作應(yīng)該盡可能生動、形象地反映攝影測量的相關(guān)原理，但也要注意課堂的時間限制，采用簡單、直接的動畫描述方式。Flash動畫制作主要包括基本動畫元素設(shè)計和過程模擬兩部分。

本方案所涉及的基本動畫元素如圖1所示，包括有主背景、飛機、坐標(biāo)系、航線軌跡、像片邊框示意圖共5個部分。其中，主背景為青山圖，可利用Flash軟件直接導(dǎo)入；飛機是最為復(fù)雜的一個動畫元素，包括頂部螺旋槳、機身及尾部螺旋槳，為了更形象化，螺旋槳可動態(tài)顯示飛機飛行狀態(tài)；坐標(biāo)系主要包括像平面坐標(biāo)系、像空間坐標(biāo)系和地面攝影測量坐標(biāo)系；航線軌跡分為規(guī)則的理想型航線和不規(guī)則的常規(guī)型航線兩種；像片外邊框的引入是為了更好地詮釋飛機在某一個特定位置拍攝地面的范圍大小。

圖1 基本動畫元素設(shè)計

過程模擬是對攝影測量學(xué)的基本原理[11-12]、關(guān)鍵算法等進行動態(tài)模擬，主要包括理想航空攝影、實際航空攝影、單像空間后方交會、雙像前方交會、立體像對相對定向、絕對定向等幾個模擬過程。其中，通過航線軌跡和像片重疊的差異性對比分析理想和實際航空攝影的不同；單像空間后方交會則需要交代地面控制點坐標(biāo)的來源和作用，并且突出物點、像點和投影中心三點共線的攝影測量數(shù)學(xué)基礎(chǔ)；前方交會體現(xiàn)雙像立體思想；相對定向主要體現(xiàn)兩幅圖像如何借助同名像點光線對相交，實現(xiàn)立體像對相對關(guān)系的確定，同時說明基線與模型比例尺之間的關(guān)系；絕對定向展示了如何通過空間相似變換的3個過程（平移、旋轉(zhuǎn)和縮放）將局部模型納入到地面測量坐標(biāo)系中。

Flash動畫制作完畢之后，可通過Flash軟件發(fā)布為swf視頻形式的動畫。

1.2.2 攝影測量數(shù)據(jù)處理

基于Matlab編程的攝影測量數(shù)據(jù)處理主要包括數(shù)據(jù)的讀入、相關(guān)算法設(shè)計與實現(xiàn)、平差解算過程詳細(xì)輸出、結(jié)果和精度輸出等。其中，平差過程詳細(xì)輸出主要是輸出每次迭代計算的未知數(shù)改正數(shù)、誤差方程常數(shù)項和單位權(quán)中誤差等信息，目的是展示算法迭代的收斂性，對學(xué)生理解算法和計算過程非常有益。數(shù)據(jù)處理界面如圖2所示，主要包括導(dǎo)入數(shù)據(jù)、前方交會、后方交會、相對定向、絕對定向、視頻演示等功能。

1.2.3 Matlab實現(xiàn)攝影測量動畫播放

首先，借助視頻轉(zhuǎn)換器將swf格式動畫轉(zhuǎn)換成avi格式，然后在Matlab界面中添加一個ActiveX Control控件，即可方便實現(xiàn)avi視頻格式文件的播放，如圖3。

為了提高教學(xué)效果，需要將每個攝影測量關(guān)鍵算法的數(shù)據(jù)處理和動畫演示配合起來使用。如圖2所示，通過界面按鈕“視頻演示”將當(dāng)前數(shù)據(jù)處理過程與實際動畫聯(lián)系起來。具體實現(xiàn)上，還可以根據(jù)數(shù)據(jù)處理過程和結(jié)果的正確與否，通過動畫演示效果的差異進行體現(xiàn)。

2 教學(xué)方法淺析

借助動畫進行課堂教學(xué)，充分結(jié)合了理論知識、數(shù)據(jù)處理和形象化動畫演示，可以形象地展示《攝影測量學(xué)》的基本原理和重要概念。該方法具有以下優(yōu)點：

圖2 Matlab數(shù)據(jù)處理界面

圖3 動畫播放器界面展示

1）生動地模擬了攝影測量學(xué)中的基本原理與方法，很好地解決了常規(guī)教學(xué)中難以對攝影測量問題進行形象化描述的難題，對于提高課程教學(xué)的生動性和易懂性具有重要的意義。相對于傳統(tǒng)課堂教學(xué)中以講授比較抽象的空間關(guān)系、復(fù)雜的公式推導(dǎo)和繁瑣的操作過程為主的教學(xué)方法[4]，動畫教學(xué)方法使同學(xué)們在享受動畫的同時，又能深刻理解攝影測量學(xué)的基本原理和方法。

2）采用Matlab語言編程簡單、直接，具有很好的開放性和移植性，方便后續(xù)更多功能的添加，豐富攝影測量學(xué)課堂教學(xué)軟件的內(nèi)容。同時，所有開發(fā)代碼對學(xué)生開放，學(xué)生可以通過閱讀和跟蹤調(diào)試源代碼，掌握關(guān)鍵算法的實現(xiàn)方法和過程。

3）該教學(xué)軟件既可用于課堂教學(xué)環(huán)節(jié)，又有利于教師對全部知識進行整合。攝影測量學(xué)的教學(xué)內(nèi)容具有層層遞進、環(huán)環(huán)相扣的特點，因而在課程講授結(jié)束時，教師可以選擇利用該軟件進行系統(tǒng)歸納和形象化演示來鞏固和貫通所有關(guān)鍵知識點，使學(xué)生對攝影測量學(xué)具有完整、系統(tǒng)的理解。

由于攝影測量知識面較廣、難度深淺不同，目前的教學(xué)軟件功能還不能涵蓋所有攝影測量原理，尤其是在空中三角測量、影像匹配和DEM/DOM制作等方面還需要研究更加有效的展示方法。

與此同時，攝影測量還是一門完備的工程技術(shù)，相關(guān)軟件系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各類生產(chǎn)實踐。因此，以實際案例數(shù)據(jù)為例的攝影測量軟件系統(tǒng)展示也有助于學(xué)生了解當(dāng)前攝影測量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀以及利用它來解決實際問題的能力。當(dāng)然，區(qū)別于專業(yè)課程集中實習(xí)的要求和內(nèi)容，教學(xué)中的系統(tǒng)展示更多的是突出每個關(guān)鍵技術(shù)的成果和效果，是對動畫形象化展示的有益補充。

3 結(jié) 語

以理論知識講解為主，Matlab數(shù)據(jù)處理和動畫演示為輔的課堂教學(xué)方案是從學(xué)生角度出發(fā)，有效提高攝影測量學(xué)教學(xué)效果的一種可行方法。它用視頻動畫的形式詳細(xì)描述了攝影測量學(xué)的基本原理，既保證了理論知識教授和實踐演示的主次地位，又使得實踐演示環(huán)節(jié)在學(xué)生學(xué)習(xí)理論知識的過程中起到了強化、鞏固、理解的作用。但限于研發(fā)和教學(xué)時間的原因，軟件仍有很多不足之處。在以后的教學(xué)工作中，將結(jié)合課堂教學(xué)效果，廣泛征求師生意見，對軟件功能和方式進行不斷完善，從而使學(xué)生對攝影測量學(xué)具有較強的學(xué)習(xí)興趣和理解能力，達到事半功倍的教學(xué)效果。

[1] 王淑璇.關(guān)于高職攝影測量課程教學(xué)的相關(guān)探討[J].課程教育研究,2015(31):247-248

[2] 葉勤,程效軍,陳鷹,等.關(guān)于攝影測量與遙感雙語教學(xué)的實踐與思考[J].測繪通報, 2006(2):70-73

[3] 鄧興升.虛擬仿真平臺下攝影測量實踐教學(xué)模式探索[J].測繪工程,2015(9):74-76

[4] 付建紅,袁修孝,季順平.攝影測量基礎(chǔ)課程設(shè)計探討[J].測繪信息與工程,2009,34(5):48-50

[5] 袁修孝.問題教學(xué)法在攝影測量學(xué)教學(xué)中的嘗試[J].測繪通報,2010(10):75-77

[6] 張榮春,李浩,楊彪,等.攝影測量教學(xué)實驗系統(tǒng)的研究與開發(fā)[J].測繪科學(xué),2012, 37(4):23-24

[7] 劉慶群,李浩,楊彪.近景攝影測量教學(xué)軟件系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].測繪與空間地理信息, 2014(2):177-179

[8] 劉菲,孟祥增.Flash動畫的內(nèi)容特征分析與圖像信息提取研究[J].現(xiàn)代教育技術(shù),2009,19(12):91-94

[9] 唐世星,張紅玉,柯鳳琴.MATLAB在高等數(shù)學(xué)教學(xué)中的幾種應(yīng)用[J].承德石油高等專科學(xué)校學(xué)報,2007,9(3):50-53

[10] 于鳳敏,于南翔,吳慧蓮.MATLAB在工程數(shù)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].重慶郵電大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）,2007(S1):176-177

[11] 李德仁,鄭肇葆.解析攝影測量學(xué)[M].北京:測繪出版社,1992

[12] 王佩軍,徐亞明.攝影測量學(xué)（測繪工程專業(yè)）[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2010

P23

B

1672-4623（2016）10-0107-02

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.10.034

詹總謙，博士，副教授，主要從事攝影測量與計算機視覺方面的研究和教學(xué)工作。

2016-03-15。

項目來源：國家自然科學(xué)基金資助項目（41101418）；武漢大學(xué)測繪學(xué)院本科專業(yè)綜合改革教學(xué)研究資助項目（201202）。