虛擬仿真平臺(tái)下攝影測(cè)量實(shí)踐教學(xué)模式探索

鄧興升

（長沙理工大學(xué) 交通學(xué)院，湖南 長沙410004）

攝影測(cè)量技術(shù)具有成圖快、效率高、適用于大范圍地形測(cè)繪等特點(diǎn)，是快速、高效采集地球數(shù)據(jù)及其變化信息的重要技術(shù)手段。攝影測(cè)量學(xué)是測(cè)繪專業(yè)中一門理論抽象、實(shí)踐性強(qiáng)、實(shí)踐環(huán)節(jié)多的專業(yè)主干課程［1］。實(shí)驗(yàn)是教學(xué)活動(dòng)的重要環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)和課堂理論教學(xué)相輔相成，讓學(xué)生加深對(duì)理論的認(rèn)識(shí)，同時(shí)通過實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖黠L(fēng)［2］。測(cè)繪工程專業(yè)屬于技術(shù)應(yīng)用型專業(yè)，對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)有很高的標(biāo)準(zhǔn)和要求［3］。教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)對(duì)專業(yè)學(xué)習(xí)而言非常重要，但在現(xiàn)實(shí)教學(xué)環(huán)境中，攝影測(cè)量實(shí)踐普遍遭遇困難。對(duì)于培養(yǎng)面向測(cè)繪工程技術(shù)人才的工科院校，相對(duì)于招生規(guī)模，航測(cè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足、型號(hào)老舊，受經(jīng)費(fèi)及場(chǎng)地等資源制約，部分實(shí)驗(yàn)無法開展，且實(shí)驗(yàn)課時(shí)相對(duì)不足，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相對(duì)較少。應(yīng)用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較方便快捷，但在整個(gè)操作流程中看不到各種功能的具體實(shí)現(xiàn)原理、過程。對(duì)于一些關(guān)鍵操作步驟，軟件可全自動(dòng)地完成其過程。因此即使學(xué)生熟練使用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量軟件，也不能幫助他們理解、掌握攝影測(cè)量基本方法和原理［4］。況且限于條件，數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量軟件應(yīng)用實(shí)驗(yàn)和學(xué)生上機(jī)實(shí)踐也偏少。學(xué)生若集中去航測(cè)生產(chǎn)單位實(shí)習(xí)，可去的單位很少，而且生產(chǎn)單位業(yè)務(wù)繁忙無暇接待，出于數(shù)據(jù)及設(shè)備安全的考慮，只能最大限度地安排學(xué)生很短時(shí)間的參觀實(shí)習(xí)。由于科技發(fā)展迅速，即使投入大量資金購買更新設(shè)備，仍然難以跟上現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展速度 設(shè)備大型且昂貴 實(shí)踐缺乏設(shè)備支撐，學(xué)生學(xué)習(xí)了理論卻難以通過實(shí)踐鞏固知識(shí)，缺乏實(shí)踐導(dǎo)致動(dòng)手能力低，也不同程度上影響創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。本文針對(duì)攝影測(cè)量實(shí)踐教學(xué)中存在的問題，提出了采用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行攝影測(cè)量實(shí)踐教學(xué)模式的創(chuàng)新。

1 虛擬仿真平臺(tái)建設(shè)及技術(shù)手段

虛擬仿真（Virtual Reality，簡稱VR）技術(shù)，它是由計(jì)算機(jī)硬件、軟件以及各種傳感器構(gòu)成的人工三維信息虛擬環(huán)境，可以逼真地模擬現(xiàn)實(shí)世界存在的事物，或創(chuàng)造不存在的事物和環(huán)境。它最早源于美國軍方的作戰(zhàn)模擬系統(tǒng)，20世紀(jì)90年代初逐漸為各界所關(guān)注并在商業(yè)領(lǐng)域得到發(fā)展。虛擬仿真涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)交互技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能等多個(gè)領(lǐng)域［5］。虛擬仿真技術(shù)有許多優(yōu)勢(shì)，已普遍應(yīng)用于訓(xùn)練、教學(xué)領(lǐng)域。隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、信息技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)大規(guī)模進(jìn)入實(shí)驗(yàn)教學(xué)是必然的趨勢(shì)［6－7］，促使教學(xué)觀念發(fā)生巨大的變化。我校已建立虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)室和虛擬仿真Web服務(wù)平臺(tái)，但仍處于建設(shè)初級(jí)階段，大量實(shí)質(zhì)性工作仍有待開展。虛擬仿真平臺(tái)下攝影測(cè)量實(shí)踐教學(xué)的研究重點(diǎn)是圖像和數(shù)據(jù)分析處理，逐步推進(jìn)虛擬仿真軟件的研制。通過虛擬仿真技術(shù)，將基礎(chǔ)知識(shí)和理論形象地表現(xiàn)出來，為學(xué)生提供更加直觀的學(xué)習(xí)體驗(yàn)環(huán)境，幫助學(xué)生更好地理解課程內(nèi)容，以達(dá)到良好的學(xué)習(xí)效果。

自20世紀(jì)90年代以來，計(jì)算機(jī)模擬正在成為科學(xué)和工程等許多領(lǐng)域內(nèi)解決問題的主流方法，與理論分析、實(shí)驗(yàn)研究一起成為科學(xué)研究的三大支柱方法之一，基于模擬的工程和科學(xué)已經(jīng)成為國家的核心競(jìng)爭力［5］。建立虛擬仿真平臺(tái)主要采用下述技術(shù)手段：

1）基于美國NI公司圖形化編程語言Lab－VIE W的動(dòng)態(tài)顯示功能和Matlab／Si mulink仿真開發(fā)工具功能而構(gòu)成仿真平臺(tái)［8］，融實(shí)例顯示和仿真分析為一體；

2）采用國產(chǎn)仿真語言Si mu Log（Si mulation Log）［9］進(jìn)行通用仿真；

3）采用VRML編程語言進(jìn)行場(chǎng)景建模，以3DS MAX輔助建模［10］；

4）通過NET技術(shù)結(jié)合三維多媒體技術(shù)，構(gòu)成基于Web的虛擬仿真平臺(tái)［11］；

5）FLASH平臺(tái)與VR技術(shù)相結(jié)合的方法［12］。

其中美國Matlab／Si mulink應(yīng)用范圍最廣，它既是一個(gè)通用的仿真軟件 也包含專門針對(duì)各個(gè)行業(yè)的不同工具箱。Matlab提供強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算功能和豐富的工程計(jì)算領(lǐng)域工具箱，是應(yīng)用最廣泛的仿真軟件，其處理數(shù)據(jù)和圖像的能力十分強(qiáng)大，較適合攝影測(cè)量圖像與數(shù)據(jù)處理。Si mulink是一個(gè)可視化的圖形仿真環(huán)境工具箱，能夠輕松實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。攝影測(cè)量虛擬仿真實(shí)驗(yàn)主要基于Matlab／Si mulink仿真工具研發(fā)，以Matlab編寫算法程序，以Si mulink搭建數(shù)據(jù)處理流程框架，已實(shí)現(xiàn)部分功能模塊。

2 攝影測(cè)量虛擬仿真實(shí)踐的主要內(nèi)容

使用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量軟件側(cè)重結(jié)果而不是過程，無助于學(xué)生理解掌握基本原理，因此采用虛擬仿真技術(shù)建立實(shí)驗(yàn)環(huán)境的過程中，應(yīng)能體現(xiàn)關(guān)鍵步驟的算法流程，強(qiáng)調(diào)結(jié)果的同時(shí)更注重中間過程實(shí)現(xiàn)的可視化。虛擬仿真強(qiáng)調(diào)原理與算法的實(shí)現(xiàn)過程，可人機(jī)交互，模型算法可視，數(shù)據(jù)輸入輸出可控，這與數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量軟件有著本質(zhì)的不同。攝影測(cè)量的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括：像對(duì)立體觀察、像點(diǎn)坐標(biāo)量測(cè)、單片空間后方交會(huì)、立體像對(duì)前方交會(huì)、立體像對(duì)定向與解析、解析空中三角測(cè)量、區(qū)域網(wǎng)平差、核線影像匹配、航片判讀與調(diào)繪、4D產(chǎn)品生產(chǎn)、三維景觀圖生成等。在理論教學(xué)中，一些較抽象的理論知識(shí)如外方位角元素三套轉(zhuǎn)角、像點(diǎn)位移、像片糾正等，若能采用形象的圖形模擬展示其過程，學(xué)生對(duì)這些抽象概念的理解無疑會(huì)大大增強(qiáng)，并牢固掌握相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。受制于有限的教學(xué)硬件設(shè)備，基于虛擬仿真方式，以數(shù)據(jù)獲取、處理流程、算法模型、程序、繪圖為主，根據(jù)攝影測(cè)量技術(shù)特點(diǎn)設(shè)計(jì)可操作性強(qiáng)的虛擬實(shí)踐項(xiàng)目，是虛擬仿真實(shí)踐研究的主要目標(biāo)。

在現(xiàn)代攝影測(cè)量技術(shù)迅猛發(fā)展的大背景下，為了使測(cè)繪專業(yè)攝影測(cè)量課程的實(shí)踐教學(xué)與新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用相適應(yīng)，還需深層次地探討實(shí)踐課程的體系設(shè)計(jì)、實(shí)習(xí)實(shí)踐環(huán)節(jié)和施教方式等問題，并提出相應(yīng)的實(shí)施方案。在教學(xué)內(nèi)容組織、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目選擇上，有明確的針對(duì)性和明確的培養(yǎng)目標(biāo)。隨著測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)的蓬勃發(fā)展，攝影測(cè)量有許多創(chuàng)新性研究成果，例如無人飛機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)、近景大傾角攝影技術(shù)、微波雷達(dá)技術(shù)等。為了開闊學(xué)生的視野，培養(yǎng)學(xué)生的研究創(chuàng)新能力，可將實(shí)踐內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄U(kuò)展，讓學(xué)生能夠跟蹤攝影測(cè)量技術(shù)發(fā)展的前沿水平，其目的在于培養(yǎng)應(yīng)用型和研究型復(fù)合人才，為以后從事工作和科研打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，使本科畢業(yè)從事工作的學(xué)生具有較強(qiáng)的科研能力 攝影測(cè)量虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)與實(shí)施，最終要落實(shí)到虛擬仿真軟件的研發(fā)和相關(guān)課件的建設(shè)，以及在教學(xué)實(shí)踐中逐步應(yīng)用、改進(jìn)，并趨于完善。

3 攝影測(cè)量虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)的意義

攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，其用途雖以地形測(cè)量為主，但已擴(kuò)展到許多領(lǐng)域。在災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)與管理方面，災(zāi)害監(jiān)測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃、損失評(píng)估、災(zāi)害管理和輔助決策的全過程均需要攝影測(cè)量技術(shù)；在資源調(diào)查與管理方面：土地資源、礦產(chǎn)資源、水資源、森林資源、農(nóng)業(yè)資源、海洋資源等資源的調(diào)查都離不開攝影測(cè)量技術(shù)的支持［13］。在大數(shù)據(jù)時(shí)代，百分之八十的數(shù)據(jù)來源于空間［14］，除大飛機(jī)攝影測(cè)量數(shù)據(jù)外，無人機(jī)和近景攝影測(cè)量技術(shù)可提供高分辨率、多視角的影像數(shù)據(jù)，為攝影測(cè)量技術(shù)拓寬了更大的發(fā)展空間。攝影測(cè)量的發(fā)展變化對(duì)教學(xué)、科研、生產(chǎn)均產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，而實(shí)踐環(huán)節(jié)是制約攝影測(cè)量教學(xué)效果的瓶頸，脫離生產(chǎn)實(shí)際的純理論教育是沒有意義和生命力的［15］。虛擬仿真是新興的技術(shù)平臺(tái)，在該平臺(tái)下進(jìn)行攝影測(cè)量實(shí)踐教學(xué)模式創(chuàng)新研究，其研究意義體現(xiàn)在全面提升實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量，擺脫空有理論教學(xué)而實(shí)踐環(huán)節(jié)不足的窘境，鞏固理論知識(shí)教學(xué)效果，培養(yǎng)提高學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力和學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)、研究創(chuàng)新和工程實(shí)踐能力。

4 結(jié)束語

攝影測(cè)量虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)模式研究，是一項(xiàng)長期的綜合系統(tǒng)工程，沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗(yàn)可供參考，需經(jīng)過漫長的摸索和不懈的努力，任務(wù)還十分艱巨。在虛擬仿真實(shí)踐平臺(tái)的建設(shè)過程中，需結(jié)合測(cè)繪工程專業(yè)的特點(diǎn)，踏實(shí)地制定實(shí)踐建設(shè)規(guī)劃，逐步推進(jìn)實(shí)踐教學(xué)虛擬仿真軟件的研發(fā)，不斷使用、改進(jìn)、完善仿真軟件，逐漸在理論與實(shí)踐教學(xué)中推廣應(yīng)用。強(qiáng)化虛擬仿真實(shí)踐教育，注重工程實(shí)際應(yīng)用，更新實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生自主結(jié)合理論與實(shí)踐進(jìn)行學(xué)習(xí)，提高創(chuàng)新能力，為培養(yǎng)高素質(zhì)的“卓越測(cè)繪師”奠定扎實(shí)的基礎(chǔ)。實(shí)踐表明，一個(gè)好的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ侥茉诮虒W(xué)中取得良好的效果，學(xué)生表現(xiàn)出很大的積極性和熱情，主動(dòng)去圖書館、資料室、互聯(lián)網(wǎng)查閱資料，大部分學(xué)生反映學(xué)習(xí)的目標(biāo)性強(qiáng)了，理論知識(shí)的掌握更加深刻 有條理 自學(xué)能力和創(chuàng)新能力也得到了提高。

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