新形勢(shì)下攝影測(cè)量學(xué)課程教學(xué)改革探討

卞玉霞,宋宏權(quán),王永前,王小亭

(1. 成都信息工程大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610225; 2. 河南大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院，河南 開(kāi)封 475004)

傳統(tǒng)攝影測(cè)量學(xué)是一門(mén)利用光學(xué)像片研究被攝物體的形狀、位置、大小、特性及相互位置關(guān)系的學(xué)科[1]，其經(jīng)歷了模擬攝影測(cè)量和解析攝影測(cè)量階段，現(xiàn)處于數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量發(fā)展階段。隨著攝影測(cè)量技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，我國(guó)各高等院校測(cè)繪及其相關(guān)專(zhuān)業(yè)均開(kāi)設(shè)有攝影測(cè)量課程[2-4]，通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，旨在使學(xué)生掌握攝影測(cè)量的基本知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生掌握利用航攝像片測(cè)繪地形圖、編制專(zhuān)題圖的基本原理和方法，有助于提高學(xué)生利用攝影測(cè)量解決空間數(shù)據(jù)獲取問(wèn)題的能力。

近年來(lái)，隨著數(shù)字地球和智慧城市概念的提出，視頻衛(wèi)星、無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量和計(jì)算機(jī)視覺(jué)的普及與發(fā)展，攝影測(cè)量技術(shù)已經(jīng)從傳統(tǒng)地勢(shì)偵察和地形測(cè)繪方面廣泛應(yīng)用于智慧城市建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域[5-9]。龔健雅院士指出與計(jì)算機(jī)視覺(jué)、人工智能等學(xué)科的進(jìn)一步交叉融合是攝影測(cè)量發(fā)展的必經(jīng)之路[10]。為了促進(jìn)攝影測(cè)量與多學(xué)科的交叉融合，推動(dòng)傳統(tǒng)攝影測(cè)量向智能攝影測(cè)量發(fā)展，本文基于傳統(tǒng)攝影測(cè)量學(xué)理論與方法，引入傾斜攝影測(cè)量與計(jì)算機(jī)視覺(jué)方面的相關(guān)知識(shí)，優(yōu)化和完善攝影測(cè)量教學(xué)內(nèi)容，豐富攝影測(cè)量教學(xué)實(shí)踐，以滿(mǎn)足現(xiàn)代社會(huì)對(duì)創(chuàng)新型和實(shí)踐型攝影測(cè)量人才的需求。

1 教學(xué)探討

近年來(lái)，隨著傾斜攝影測(cè)量應(yīng)用的普及，攝影測(cè)量課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)實(shí)踐已較難滿(mǎn)足現(xiàn)行日趨發(fā)展的行業(yè)對(duì)攝影測(cè)量專(zhuān)業(yè)人才方面的需求。結(jié)合多年攝影測(cè)量學(xué)課程教學(xué)，總結(jié)如下方面的問(wèn)題。

1.1 教學(xué)內(nèi)容

文獻(xiàn)[11—12]提到的《攝影測(cè)量學(xué)》教程雖作過(guò)多次修訂，有關(guān)雙像立體測(cè)圖與像點(diǎn)坐標(biāo)量測(cè)等教材內(nèi)容仍以模擬攝影測(cè)量和解析攝影測(cè)量模式進(jìn)行介紹。20世紀(jì)70年代以來(lái)，數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量得到普及，社會(huì)大眾越來(lái)越依賴(lài)于數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量，而目前攝影測(cè)量學(xué)課程未凸顯數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量教學(xué)內(nèi)容。

全球科技經(jīng)濟(jì)一體化趨勢(shì)推進(jìn)高等院校創(chuàng)新成果的轉(zhuǎn)化，知識(shí)社會(huì)環(huán)境下的創(chuàng)新2.0形態(tài)正推動(dòng)科技創(chuàng)新從“產(chǎn)學(xué)研”向“政產(chǎn)學(xué)研用”，再向“政用產(chǎn)學(xué)研”協(xié)同發(fā)展的轉(zhuǎn)變，攝影測(cè)量教學(xué)內(nèi)容應(yīng)結(jié)合行業(yè)需求和科研發(fā)展與時(shí)俱進(jìn)。隨著無(wú)人機(jī)設(shè)備的普及，傾斜攝影測(cè)量技術(shù)為智慧城市建設(shè)提供了快速、有效的解決途徑，是目前攝影測(cè)量行業(yè)應(yīng)用的熱點(diǎn)。因此，基于無(wú)人機(jī)影像的攝影測(cè)量應(yīng)成為攝影測(cè)量課程教學(xué)的重要內(nèi)容，特別是傾斜攝影測(cè)量技術(shù)。傳統(tǒng)攝影測(cè)量課程主要介紹量測(cè)型航攝儀獲取影像的攝影解析與量測(cè)，對(duì)于非量測(cè)型數(shù)碼設(shè)備獲取的影像如何進(jìn)行測(cè)量未納入攝影測(cè)量的教學(xué)內(nèi)容。

1.2 教學(xué)實(shí)踐

教學(xué)實(shí)踐對(duì)于學(xué)生鞏固理論知識(shí)、鍛煉動(dòng)手能力有著重要的作用，強(qiáng)化教學(xué)實(shí)踐是整個(gè)攝影測(cè)量學(xué)課程教學(xué)的重要環(huán)節(jié)。教學(xué)實(shí)踐應(yīng)以工程實(shí)際應(yīng)用為主，采用實(shí)景模擬的手段進(jìn)行教學(xué)[13]。傳統(tǒng)攝影測(cè)量課程教學(xué)實(shí)踐[3,12-14]主要運(yùn)用量測(cè)型攝影機(jī)獲取的影像制作4D產(chǎn)品，或通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)攝影測(cè)量解析計(jì)算。以上實(shí)踐教學(xué)存在如下問(wèn)題：①缺少對(duì)攝影測(cè)量基礎(chǔ)理論方面的實(shí)踐操作，學(xué)生在未掌握攝影測(cè)量基礎(chǔ)理論前提下較難實(shí)施深層次的教學(xué)實(shí)踐項(xiàng)目；②缺乏實(shí)景模擬，缺少無(wú)人機(jī)航攝外業(yè)工作實(shí)踐訓(xùn)練，而現(xiàn)在行業(yè)對(duì)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)采集方面人才需求量較大。

2 教改探討

2.1 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

迄今為止，攝影測(cè)量發(fā)展已有近200年的歷史，攝影測(cè)量學(xué)從模擬攝影測(cè)量、解析攝影測(cè)量發(fā)展到數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量階段，步入實(shí)時(shí)攝影測(cè)量階段，并朝著智能攝影測(cè)量方向發(fā)展。作為攝影測(cè)量教學(xué)者，需要弱化傳統(tǒng)攝影測(cè)量學(xué)中模擬攝影測(cè)量和解析攝影測(cè)量，重點(diǎn)以數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量為主線(xiàn)，介紹數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的基礎(chǔ)理論，普及傾斜攝影測(cè)量，延伸實(shí)時(shí)攝影測(cè)量等教學(xué)內(nèi)容。

通過(guò)多學(xué)科對(duì)比分析得知，無(wú)論是傳統(tǒng)攝影測(cè)量，還是無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量，或是計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)，其原理均是基于攝站點(diǎn)(相機(jī)曝光點(diǎn))、影像和地面之間的關(guān)系求解被攝物體的幾何和屬性信息。因此，新形勢(shì)下的攝影測(cè)量課程仍需重視傳統(tǒng)攝影測(cè)量方面的基礎(chǔ)理論，強(qiáng)化像坐標(biāo)系和地面坐標(biāo)系之間的關(guān)系，強(qiáng)化攝像機(jī)、像片平面與地面之間的共線(xiàn)條件方程；重視立體視覺(jué)和解析空中三角測(cè)量，梳理運(yùn)用攝影測(cè)量原理制作4D產(chǎn)品。

隨著無(wú)人機(jī)設(shè)備采集數(shù)據(jù)的普及，無(wú)人機(jī)已經(jīng)成為航空攝影的常用平臺(tái)，其相關(guān)理論知識(shí)與傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量有著極大的差異，因此，在攝影測(cè)量教學(xué)過(guò)程中，需要規(guī)整傾斜攝影測(cè)量與傳統(tǒng)攝影測(cè)量的異同，梳理無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的作業(yè)流程和案例應(yīng)用等研究?jī)?nèi)容，以滿(mǎn)足行業(yè)對(duì)攝影測(cè)量人才方面的需求。

為了推動(dòng)實(shí)時(shí)攝影測(cè)量的發(fā)展，運(yùn)用GPS定位技術(shù)和CCD影像技術(shù)實(shí)時(shí)采集地理信息，需要了解和掌握非量測(cè)型數(shù)碼設(shè)備獲取影像的攝影測(cè)量方法。因此，在原有教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，需要研究計(jì)算機(jī)視覺(jué)理論，增添非量測(cè)型航攝儀獲取影像的攝影解析和量測(cè)等知識(shí)，完善攝影測(cè)量教學(xué)內(nèi)容。如圖1所示，圖中①-④為傳統(tǒng)攝影測(cè)量的教學(xué)內(nèi)容，⑤和⑥為新增內(nèi)容。

另外，在介紹傳統(tǒng)攝影測(cè)量教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，應(yīng)分專(zhuān)題介紹攝影測(cè)量在行業(yè)中的應(yīng)用。專(zhuān)題介紹傳統(tǒng)攝影測(cè)量中如何利用量測(cè)型攝影機(jī)制作4D產(chǎn)品；專(zhuān)題介紹傾斜攝影測(cè)量中如何利用無(wú)人機(jī)影像、地面測(cè)量車(chē)或街景采集車(chē)進(jìn)行建筑物三維建模；專(zhuān)題介紹如何利用手機(jī)、相機(jī)等設(shè)備進(jìn)行圖像識(shí)別、工業(yè)等小范圍場(chǎng)景的三維建?；蛘邤?shù)據(jù)更新。

2.2 豐富教學(xué)實(shí)踐

攝影測(cè)量課程涉及大量圖形與圖像的表達(dá)內(nèi)容，該內(nèi)容重在培養(yǎng)學(xué)生空間想象力及空間變換的思維過(guò)程[15]。鑒于攝影測(cè)量課程本身的理論抽象性[3,12-14]，為了讓學(xué)生更好地學(xué)習(xí)和掌握攝影測(cè)量基礎(chǔ)理論和實(shí)踐技能，課程應(yīng)開(kāi)設(shè)相關(guān)配套手工實(shí)驗(yàn)課，設(shè)置手工制作航攝模型實(shí)踐環(huán)節(jié)，模擬攝影測(cè)量的空間關(guān)系，如圖2所示，讓學(xué)生在實(shí)踐過(guò)程中了解攝影測(cè)量解析的空間關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生的空間思維能力。

新形勢(shì)下，有必要基于非量測(cè)型無(wú)人機(jī)影像、數(shù)碼相機(jī)或手機(jī)采集的地面影像進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)，經(jīng)費(fèi)允許的情況下，開(kāi)設(shè)無(wú)人機(jī)航攝演示環(huán)節(jié)，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)攝影測(cè)量外業(yè)進(jìn)行實(shí)踐環(huán)節(jié)，在實(shí)訓(xùn)過(guò)程中分析測(cè)區(qū)的地理環(huán)境、布設(shè)控制點(diǎn)坐標(biāo)、空中攝影、補(bǔ)測(cè)和調(diào)繪。在空中管制或高校經(jīng)費(fèi)不預(yù)算的情況下，建議在教學(xué)實(shí)踐中利用沙盤(pán)模型[16-17]設(shè)計(jì)特定的地形和地貌，模擬無(wú)人機(jī)影像采集過(guò)程，達(dá)到教學(xué)示范和訓(xùn)練的目標(biāo)。

結(jié)合傳統(tǒng)攝影測(cè)量教學(xué)實(shí)踐內(nèi)容，增添手工制作航攝模型和無(wú)人機(jī)外業(yè)演示等實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。具體地設(shè)計(jì)如表1所示的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

表1 課程教學(xué)實(shí)踐項(xiàng)目

3 結(jié) 語(yǔ)

隨著無(wú)人機(jī)、云數(shù)據(jù)和人工智能的發(fā)展，攝影測(cè)量與遙感已成為地理信息系統(tǒng)技術(shù)中重要的數(shù)據(jù)采集方式，社會(huì)大眾對(duì)攝影測(cè)量人才需求量越來(lái)越大、對(duì)人才的技能水平要求越來(lái)越高。針對(duì)攝影測(cè)量學(xué)課程的改革和創(chuàng)新是學(xué)科發(fā)展的需要，也是社會(huì)發(fā)展的需求。為了推動(dòng)智能攝影測(cè)量的發(fā)展，在傳統(tǒng)攝影測(cè)量教學(xué)的基礎(chǔ)上，將無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量和計(jì)算機(jī)視覺(jué)等知識(shí)融入攝影測(cè)量教學(xué)內(nèi)容；增設(shè)攝影測(cè)量空間模型手工制作環(huán)節(jié)，并在條件允許的情況下，開(kāi)設(shè)無(wú)人機(jī)外業(yè)數(shù)據(jù)采集等教學(xué)實(shí)踐項(xiàng)目，重視理論與實(shí)踐聯(lián)系。本課程教學(xué)改革探討意在完善攝影測(cè)量課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)實(shí)踐，把攝影測(cè)量前沿知識(shí)傳授和學(xué)生能力培養(yǎng)結(jié)合起來(lái)，在提高教學(xué)質(zhì)量的同時(shí)，培養(yǎng)出滿(mǎn)足社會(huì)要求的高質(zhì)量人才。