鄧興升

（長沙理工大學 交通學院，湖南 長沙410004）

攝影測量技術具有成圖快、效率高、適用于大范圍地形測繪等特點，是快速、高效采集地球數(shù)據(jù)及其變化信息的重要技術手段。攝影測量學是測繪專業(yè)中一門理論抽象、實踐性強、實踐環(huán)節(jié)多的專業(yè)主干課程［1］。實驗是教學活動的重要環(huán)節(jié)，實驗教學和課堂理論教學相輔相成，讓學生加深對理論的認識，同時通過實驗培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和科學嚴謹?shù)淖黠L［2］。測繪工程專業(yè)屬于技術應用型專業(yè)，對學生實踐能力的培養(yǎng)有很高的標準和要求［3］。教學實踐環(huán)節(jié)對專業(yè)學習而言非常重要，但在現(xiàn)實教學環(huán)境中，攝影測量實踐普遍遭遇困難。對于培養(yǎng)面向測繪工程技術人才的工科院校，相對于招生規(guī)模，航測實驗設備不足、型號老舊，受經(jīng)費及場地等資源制約，部分實驗無法開展，且實驗課時相對不足，實驗內容相對較少。應用數(shù)字攝影測量軟件進行實驗比較方便快捷，但在整個操作流程中看不到各種功能的具體實現(xiàn)原理、過程。對于一些關鍵操作步驟，軟件可全自動地完成其過程。因此即使學生熟練使用數(shù)字攝影測量軟件，也不能幫助他們理解、掌握攝影測量基本方法和原理［4］。況且限于條件，數(shù)字攝影測量軟件應用實驗和學生上機實踐也偏少。學生若集中去航測生產(chǎn)單位實習，可去的單位很少，而且生產(chǎn)單位業(yè)務繁忙無暇接待，出于數(shù)據(jù)及設備安全的考慮，只能最大限度地安排學生很短時間的參觀實習。由于科技發(fā)展迅速，即使投入大量資金購買更新設備，仍然難以跟上現(xiàn)代技術的發(fā)展速度 設備大型且昂貴 實踐缺乏設備支撐，學生學習了理論卻難以通過實踐鞏固知識，缺乏實踐導致動手能力低，也不同程度上影響創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。本文針對攝影測量實踐教學中存在的問題，提出了采用虛擬仿真技術進行攝影測量實踐教學模式的創(chuàng)新。

1 虛擬仿真平臺建設及技術手段

虛擬仿真（Virtual Reality，簡稱VR）技術，它是由計算機硬件、軟件以及各種傳感器構成的人工三維信息虛擬環(huán)境，可以逼真地模擬現(xiàn)實世界存在的事物，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90年代初逐漸為各界所關注并在商業(yè)領域得到發(fā)展。虛擬仿真涉及計算機圖形學、人機交互技術、傳感技術、人工智能等多個領域［5］。虛擬仿真技術有許多優(yōu)勢，已普遍應用于訓練、教學領域。隨著計算機、網(wǎng)絡、信息技術等相關領域的發(fā)展，虛擬仿真技術大規(guī)模進入實驗教學是必然的趨勢［6－7］，促使教學觀念發(fā)生巨大的變化。我校已建立虛擬仿真教學實驗室和虛擬仿真Web服務平臺，但仍處于建設初級階段，大量實質性工作仍有待開展。虛擬仿真平臺下攝影測量實踐教學的研究重點是圖像和數(shù)據(jù)分析處理，逐步推進虛擬仿真軟件的研制。通過虛擬仿真技術，將基礎知識和理論形象地表現(xiàn)出來，為學生提供更加直觀的學習體驗環(huán)境，幫助學生更好地理解課程內容，以達到良好的學習效果。

自20世紀90年代以來，計算機模擬正在成為科學和工程等許多領域內解決問題的主流方法，與理論分析、實驗研究一起成為科學研究的三大支柱方法之一，基于模擬的工程和科學已經(jīng)成為國家的核心競爭力［5］。建立虛擬仿真平臺主要采用下述技術手段：

1）基于美國NI公司圖形化編程語言Lab－VIE W的動態(tài)顯示功能和Matlab／Si mulink仿真開發(fā)工具功能而構成仿真平臺［8］，融實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］進行通用仿真；

3）采用VRML編程語言進行場景建模，以3DS MAX輔助建模［10］；

4）通過NET技術結合三維多媒體技術，構成基于Web的虛擬仿真平臺［11］；

5）FLASH平臺與VR技術相結合的方法［12］。

其中美國Matlab／Si mulink應用范圍最廣，它既是一個通用的仿真軟件 也包含專門針對各個行業(yè)的不同工具箱。Matlab提供強大的矩陣運算功能和豐富的工程計算領域工具箱，是應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大，較適合攝影測量圖像與數(shù)據(jù)處理。Si mulink是一個可視化的圖形仿真環(huán)境工具箱，能夠輕松實現(xiàn)系統(tǒng)設計。攝影測量虛擬仿真實驗主要基于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，已實現(xiàn)部分功能模塊。

2 攝影測量虛擬仿真實踐的主要內容

使用數(shù)字攝影測量軟件側重結果而不是過程，無助于學生理解掌握基本原理，因此采用虛擬仿真技術建立實驗環(huán)境的過程中，應能體現(xiàn)關鍵步驟的算法流程，強調結果的同時更注重中間過程實現(xiàn)的可視化。虛擬仿真強調原理與算法的實現(xiàn)過程，可人機交互，模型算法可視，數(shù)據(jù)輸入輸出可控，這與數(shù)字攝影測量軟件有著本質的不同。攝影測量的實驗內容主要包括：像對立體觀察、像點坐標量測、單片空間后方交會、立體像對前方交會、立體像對定向與解析、解析空中三角測量、區(qū)域網(wǎng)平差、核線影像匹配、航片判讀與調繪、4D產(chǎn)品生產(chǎn)、三維景觀圖生成等。在理論教學中，一些較抽象的理論知識如外方位角元素三套轉角、像點位移、像片糾正等，若能采用形象的圖形模擬展示其過程，學生對這些抽象概念的理解無疑會大大增強，并牢固掌握相關知識點。受制于有限的教學硬件設備，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)攝影測量技術特點設計可操作性強的虛擬實踐項目，是虛擬仿真實踐研究的主要目標。

在現(xiàn)代攝影測量技術迅猛發(fā)展的大背景下，為了使測繪專業(yè)攝影測量課程的實踐教學與新技術的發(fā)展和應用相適應，還需深層次地探討實踐課程的體系設計、實習實踐環(huán)節(jié)和施教方式等問題，并提出相應的實施方案。在教學內容組織、實驗項目選擇上，有明確的針對性和明確的培養(yǎng)目標。隨著測繪科學與技術的蓬勃發(fā)展，攝影測量有許多創(chuàng)新性研究成果，例如無人飛機攝影測量技術、近景大傾角攝影技術、微波雷達技術等。為了開闊學生的視野，培養(yǎng)學生的研究創(chuàng)新能力，可將實踐內容進行適當?shù)臄U展，讓學生能夠跟蹤攝影測量技術發(fā)展的前沿水平，其目的在于培養(yǎng)應用型和研究型復合人才，為以后從事工作和科研打下堅實的基礎，使本科畢業(yè)從事工作的學生具有較強的科研能力 攝影測量虛擬仿真實驗項目的建設與實施，最終要落實到虛擬仿真軟件的研發(fā)和相關課件的建設，以及在教學實踐中逐步應用、改進，并趨于完善。

3 攝影測量虛擬仿真實踐教學的意義

攝影測量技術應用領域非常廣泛，其用途雖以地形測量為主，但已擴展到許多領域。在災害風險監(jiān)測與管理方面，災害監(jiān)測、風險區(qū)劃、損失評估、災害管理和輔助決策的全過程均需要攝影測量技術；在資源調查與管理方面：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查都離不開攝影測量技術的支持［13］。在大數(shù)據(jù)時代，百分之八十的數(shù)據(jù)來源于空間［14］，除大飛機攝影測量數(shù)據(jù)外，無人機和近景攝影測量技術可提供高分辨率、多視角的影像數(shù)據(jù)，為攝影測量技術拓寬了更大的發(fā)展空間。攝影測量的發(fā)展變化對教學、科研、生產(chǎn)均產(chǎn)生了深遠的影響，而實踐環(huán)節(jié)是制約攝影測量教學效果的瓶頸，脫離生產(chǎn)實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平臺，在該平臺下進行攝影測量實踐教學模式創(chuàng)新研究，其研究意義體現(xiàn)在全面提升實踐教學質量，擺脫空有理論教學而實踐環(huán)節(jié)不足的窘境，鞏固理論知識教學效果，培養(yǎng)提高學生實踐動手能力和學習興趣，提高學生的綜合設計、研究創(chuàng)新和工程實踐能力。

4 結束語

攝影測量虛擬仿真實踐教學模式研究，是一項長期的綜合系統(tǒng)工程，沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗可供參考，需經(jīng)過漫長的摸索和不懈的努力，任務還十分艱巨。在虛擬仿真實踐平臺的建設過程中，需結合測繪工程專業(yè)的特點，踏實地制定實踐建設規(guī)劃，逐步推進實踐教學虛擬仿真軟件的研發(fā)，不斷使用、改進、完善仿真軟件，逐漸在理論與實踐教學中推廣應用。強化虛擬仿真實踐教育，注重工程實際應用，更新實驗教學內容，引導學生自主結合理論與實踐進行學習，提高創(chuàng)新能力，為培養(yǎng)高素質的“卓越測繪師”奠定扎實的基礎。實踐表明，一個好的實驗模式能在教學中取得良好的效果，學生表現(xiàn)出很大的積極性和熱情，主動去圖書館、資料室、互聯(lián)網(wǎng)查閱資料，大部分學生反映學習的目標性強了，理論知識的掌握更加深刻 有條理 自學能力和創(chuàng)新能力也得到了提高。

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