基于桌面云實(shí)驗(yàn)室的攝影測量實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式與實(shí)踐

段祝庚，岳 雄

（1. 中南林業(yè)科技大學(xué) 土木工程學(xué)院, 湖南 長沙 410004；2. 武漢兆格信息技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430223）

隨著測繪科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，攝影測量技術(shù)逐漸廣泛應(yīng)用于國家基礎(chǔ)測繪、數(shù)字城市建設(shè)、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、國土資源治理等領(lǐng)域。特別是無人機(jī)低空攝影測量技術(shù)具有快速高效、機(jī)動(dòng)靈活、運(yùn)行成本低、分辨率高等特點(diǎn)，已經(jīng)成為獲取空間信息的重要技術(shù)和手段[1-2]。因此，攝影測量技術(shù)在測繪生產(chǎn)實(shí)踐和教學(xué)中占有重要的地位，提高攝影測量生產(chǎn)實(shí)踐的作業(yè)效率和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的仿真度，是當(dāng)前迫切要解決的問題[3]。一方面，攝影測量實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要與生產(chǎn)實(shí)踐緊密接軌，學(xué)校培養(yǎng)的學(xué)生應(yīng)具備攝影測量生產(chǎn)實(shí)踐前必要的基本技能。而現(xiàn)階段高等學(xué)校攝影測量教學(xué)，由于教學(xué)條件、教學(xué)模式的限制，實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往與生產(chǎn)實(shí)踐存在較大的差距，導(dǎo)致學(xué)生不能快速適應(yīng)生產(chǎn)實(shí)踐的工作需要[4]。另一方面，長期以來，無論攝影測量生產(chǎn)實(shí)踐還是高校的攝影測量實(shí)驗(yàn)教學(xué)，攝影測量作業(yè)平臺(tái)和軟件都是基于單機(jī)作業(yè)模式，基本與網(wǎng)絡(luò)無關(guān)[5]。由于攝影測量數(shù)據(jù)量大、作業(yè)流程復(fù)雜、工作量重，單機(jī)作業(yè)模式效率不高。

隨著現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展，云端服務(wù)正不斷涌現(xiàn)，云計(jì)算技術(shù)日趨成熟，正廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)、醫(yī)藥醫(yī)療、制造、金融與能源、電子政務(wù)、教育科研、電信等領(lǐng)域[6-8]。云計(jì)算具有虛擬化、高可靠性、通用性、低成本、靈活性等特點(diǎn)[9-10]。通過網(wǎng)絡(luò)連接遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和信息共享等服務(wù)，可讓用戶共享云端服務(wù)器的快速處理能力和各種優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，從而為用戶節(jié)約了成本，提高了工作效率[11-12]。應(yīng)用云計(jì)算技術(shù)將實(shí)現(xiàn)攝影測量生產(chǎn)實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的網(wǎng)絡(luò)化和云化，將改變攝影測量生產(chǎn)實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的作業(yè)模式，實(shí)現(xiàn)云開放攝影測量作業(yè)[13-14]。本文結(jié)合基于桌面云實(shí)驗(yàn)室的攝影測量實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐，開展開放式攝影測量實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探索，旨在為攝影測量生產(chǎn)實(shí)踐和我國高校攝影測量實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供參考、示范及借鑒。

1 攝影測量云實(shí)驗(yàn)室簡介

攝影測量云實(shí)驗(yàn)室是基于互聯(lián)網(wǎng)的桌面云實(shí)驗(yàn)室，實(shí)行全在線實(shí)訓(xùn)作業(yè)，徹底打破攝影測量作業(yè)的時(shí)空限制（http://www.gridknow.com/），將教、學(xué)、練全面云化，建設(shè)一個(gè)能為用戶實(shí)現(xiàn)“實(shí)時(shí)、按需下載、全在線、DIY 內(nèi)容以及共享”（ROADS，real-time、on-demand、all-online、DIY、share）的新型空間信息處理技術(shù)學(xué)習(xí)模式，全面實(shí)現(xiàn)全新開放的教學(xué)實(shí)習(xí)方式。

攝影測量云開放實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由云端服務(wù)器、安裝在云端的專用軟件、數(shù)據(jù)及資料和用戶構(gòu)成。用戶注冊賬號(hào)，隨時(shí)隨地可以登錄進(jìn)行學(xué)習(xí)。攝影測量云開放實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有硬件、系統(tǒng)、軟件及網(wǎng)絡(luò)超融合特點(diǎn)，云端服務(wù)器具有超強(qiáng)的并行云計(jì)算能力，極大地降低用戶設(shè)備及維護(hù)成本。

攝影測量云開放實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能提供VirtuoZo攝影測量系統(tǒng)、DPgrid攝影測量系統(tǒng)、空中三角測量、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件和專業(yè)工具軟件等共 41種軟件（截至2019年3月），具有DEM、DOM、DLG生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能，可處理衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)、航空攝影影像數(shù)據(jù)、無人機(jī)攝影影像數(shù)據(jù)及點(diǎn)云數(shù)據(jù)。VirtuoZo攝影測量系統(tǒng)、DPgrid攝影測量系統(tǒng)、空中三角測量系統(tǒng)這些軟件有教育版和生產(chǎn)版兩種版本。教育版適合于教學(xué)，按照攝影測量作業(yè)流程分成若干個(gè)模塊，各模塊可單獨(dú)運(yùn)行，有利于學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握攝影測量各個(gè)作業(yè)流程原理和技術(shù)要點(diǎn)。生產(chǎn)版適合于攝影測量生產(chǎn)作業(yè)，它將攝影測量作業(yè)流程整合在一起，一體化、自動(dòng)化程度較高，人工干預(yù)較少。系統(tǒng)可根據(jù)用戶需要定制軟件。同時(shí)，云平臺(tái)具備豐富的攝影測量工具、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及教學(xué)資源，無需綁定加密狗和計(jì)算機(jī)，自動(dòng)推送更新工具軟件。

2 現(xiàn)階段攝影實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式存在的問題

傳統(tǒng)的攝影測量實(shí)驗(yàn)教學(xué)和攝影測量生產(chǎn)的作業(yè)模式均是基于 PC和單機(jī)軟件的。目前高校攝影測量課程采用理論教學(xué)結(jié)合機(jī)房實(shí)驗(yàn)實(shí)踐方式進(jìn)行。攝影測量實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用的商用軟件價(jià)格較為昂貴，通常軟件授權(quán)是通過“軟件狗”或綁定電腦IP進(jìn)行，沒有“軟件狗”或者離開授權(quán)的電腦，軟件則無法使用。由于軟件授權(quán)問題，學(xué)生只能到機(jī)房進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，固定學(xué)習(xí)地點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)間也僅局限于實(shí)驗(yàn)課時(shí)間。除實(shí)驗(yàn)室機(jī)房開放時(shí)間外，其他時(shí)間無法上機(jī)操作，實(shí)驗(yàn)操作時(shí)間短，學(xué)生作業(yè)水平很難滿足生產(chǎn)作業(yè)的需要。

1）軟件使用效益不高。

由于軟件授權(quán)問題，學(xué)校投入巨額資金購買的軟件使用效率普遍不高，僅在有限的實(shí)驗(yàn)室開放時(shí)間可以使用，造成資源很大程度的閑置。同時(shí)，由于學(xué)校資金限制，往往只能購買有限套數(shù)專業(yè)攝影測量軟件，在當(dāng)前高校普遍擴(kuò)招的情況下，軟件數(shù)量難以滿足學(xué)生人數(shù)的需要。另外，攝影測量軟件能處理的數(shù)據(jù)類型有限，通常無法適用于衛(wèi)星影像、航空影像、無人機(jī)影像等不同類型的數(shù)據(jù)，限制了對學(xué)生的能力培養(yǎng)，更無法開展多機(jī)協(xié)同作業(yè)。

攝影測量的工作崗位要求具備一定的實(shí)踐操作能力，這就需要學(xué)生在校期間能深入理解攝影測量理論知識(shí)，掌握作業(yè)流程等基本技能，并通過實(shí)踐來驗(yàn)證理論知識(shí)，讓學(xué)生能快速獲取相關(guān)專業(yè)資料及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，自由選擇實(shí)訓(xùn)內(nèi)容。

2）學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績評價(jià)難。

現(xiàn)階段學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績評價(jià)主要依據(jù)考勤、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)考核等材料進(jìn)行學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績評價(jià)。學(xué)生考勤主要通過學(xué)生簽到、教師點(diǎn)名等形式進(jìn)行，但往往流于形式。實(shí)驗(yàn)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)考核并不能如實(shí)反映學(xué)生對專業(yè)知識(shí)及實(shí)驗(yàn)技能的掌握程度。因此，需要一套全在線考勤的平臺(tái)，一覽學(xué)生在線狀態(tài)、了解學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)長，杜絕他人簽到等問題，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過程監(jiān)控，準(zhǔn)確地評價(jià)學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)效果，全面了解學(xué)生對知識(shí)掌握情況，客觀準(zhǔn)確地評價(jià)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績。

基于云平臺(tái)的開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和傳統(tǒng)的基于PC機(jī)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ皆诮虒W(xué)模式、作業(yè)模塊化、經(jīng)濟(jì)成本、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與教學(xué)資源、作業(yè)成果管理等方面存在顯著差異，如表1所示。

表1 基于PC機(jī)的和基于云開放的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式對比

3 云開放攝影測量實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐及調(diào)查

利用桌面云實(shí)驗(yàn)室提供的桌面平臺(tái)軟件VirtuoZo教育版、DPGrid教育版、Virtuoeat對分別我校測繪工程專業(yè)兩屆學(xué)生和地理信息科學(xué)、土地資源管理兩個(gè)專業(yè)的非測繪專業(yè)學(xué)生進(jìn)行攝影測量實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐，其中測繪工程專業(yè)兩屆學(xué)生共125人，非測繪專業(yè)攝影測量學(xué)為選修課，攝影測量實(shí)驗(yàn)計(jì)劃課時(shí)共計(jì) 24學(xué)時(shí)。主要內(nèi)容包括航攝相片的內(nèi)定向、相對定向、絕對定向?qū)嶒?yàn)，單模型數(shù)據(jù)處理、多模型數(shù)據(jù)處理及拼接技術(shù)、DEM和DOM生成及編輯、立體觀測、立體測圖及編輯、無人機(jī)數(shù)據(jù)處理、空中三角測量加密等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

為了評估云開放攝影測量實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，特制定了評估調(diào)查表。實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式調(diào)查采用匿名全員調(diào)查方式進(jìn)行，分測繪專業(yè)和非測繪專業(yè)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。教學(xué)效果評價(jià)指標(biāo)主要包括實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的累計(jì)作業(yè)時(shí)長、完成質(zhì)量、興趣度和滿意度4個(gè)指標(biāo)。累計(jì)作業(yè)時(shí)長包括課堂計(jì)劃課時(shí)和課余時(shí)間作業(yè)時(shí)間，按實(shí)際作業(yè)時(shí)間統(tǒng)計(jì)，分為＜24 學(xué)時(shí)、24～36 學(xué)時(shí)、36～48學(xué)時(shí)、48～60學(xué)時(shí)、＞60學(xué)時(shí)5個(gè)等級(jí)。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的完成質(zhì)量由指導(dǎo)老師依據(jù)項(xiàng)目完成情況及質(zhì)量報(bào)告評定，分為優(yōu)、良、中、及格和不及格5個(gè)等級(jí)，主要技術(shù)指標(biāo)超限的質(zhì)量報(bào)告直接評定為不及格。興趣度指學(xué)生對攝影測量實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的感興趣程度及主動(dòng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的程度，分為非常感興趣、很感興趣、感興趣、一般和不感興趣5個(gè)等級(jí)，未完成全部實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的評定為不感興趣。滿意度是指對云實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行處理速度、軟件模塊化程度、登錄上機(jī)作業(yè)方便程度、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與教學(xué)資源情況、作業(yè)成果管理方便程度等綜合滿意程度，分為非常滿意、很滿意、滿意、一般和不滿意5個(gè)等級(jí)。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式調(diào)查結(jié)果為（圖1）：所有學(xué)生上機(jī)累計(jì)作業(yè)時(shí)長均超過24學(xué)時(shí)，測繪專業(yè)和非測繪專業(yè)上機(jī)作業(yè)超過48學(xué)時(shí)的學(xué)生分別為117人、27人，占總?cè)藬?shù)93.6%、58.7%，調(diào)查結(jié)果顯示學(xué)生可以充分利用課余時(shí)間登錄系統(tǒng)進(jìn)行上機(jī)作業(yè)，不受實(shí)驗(yàn)計(jì)劃時(shí)間、地點(diǎn)限制，大大增加了學(xué)生實(shí)踐作業(yè)的時(shí)間。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目完成質(zhì)量情況良以上的分別為106人（測繪專業(yè)）、26人（非測繪專業(yè)），優(yōu)良率分別為84.8%、56.5%。興趣度為很感興趣以上的分別為 106人（測繪專業(yè)）、32人（非測繪專業(yè)），占總?cè)藬?shù)的84.8%、69.6%，學(xué)生表現(xiàn)出較高的學(xué)習(xí)興趣。滿意度為很滿意以上的分別為 112人（測繪專業(yè)）、43人（非測繪專業(yè)），占總?cè)藬?shù) 89.6%、93.5%。仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn)：學(xué)生對云實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行處理速度、軟件模塊化程度、登錄上機(jī)作業(yè)方便程度、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與教學(xué)資源情況、作業(yè)成果管理方便程度等表現(xiàn)出極高的滿意度。

圖1 開放攝影測量實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式調(diào)查結(jié)果

4 結(jié)語

在“以學(xué)生為本”的教育理念指導(dǎo)下，探索一套全新的基于桌面云實(shí)驗(yàn)室的攝影測量實(shí)驗(yàn)的開放教學(xué)模式。培養(yǎng)學(xué)生的自主實(shí)踐操作能力，讓學(xué)生能隨時(shí)隨地自由學(xué)習(xí)。有利于實(shí)驗(yàn)教師對學(xué)生進(jìn)行過程控制，有利于實(shí)驗(yàn)老師對學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)效果進(jìn)行評估，有利于學(xué)生熟悉攝影測量作業(yè)流程，提高學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力，讓學(xué)生將攝影測量理論與攝影測量生產(chǎn)實(shí)踐緊密結(jié)合。期望基于桌面云實(shí)驗(yàn)室的攝影測量實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探索和實(shí)踐，能為全國各高校攝影測量實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供示范、參考及借鑒。