詹總謙，彭 敏，馬彩云

（1.武漢大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院，湖北 武漢 430079）

攝影測(cè)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(cè)繪學(xué)院，湖北 武漢 430079）

在分析攝影測(cè)量課堂教學(xué)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，針對(duì)《攝影測(cè)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(cè)量基礎(chǔ)知識(shí)為目標(biāo)，從教學(xué)實(shí)踐出發(fā)，研發(fā)了一套集攝影測(cè)量學(xué)理論教學(xué)、動(dòng)畫演示和系統(tǒng)展示為一體的多樣化攝影測(cè)量課堂教學(xué)方案。

攝影測(cè)量學(xué)；理論教學(xué)；動(dòng)畫演示；教學(xué)方案

當(dāng)前，測(cè)繪工程專業(yè)使用的攝影測(cè)量學(xué)教材主要從理論知識(shí)和技術(shù)應(yīng)用方法兩方面進(jìn)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(jìn),并且結(jié)合多媒體通過文字、圖像進(jìn)行輔助，但是課堂教學(xué)的效果往往使學(xué)生僅停留在對(duì)基本概念和原理的理解上。學(xué)生對(duì)外方位元素、后方-前方交會(huì)、相對(duì)-絕對(duì)定向等一些抽象理論，以及學(xué)攝影測(cè)量能解決什么問題、如何解決實(shí)際問題缺乏必要的感性認(rèn)識(shí)[1-5]。同時(shí)，現(xiàn)有的教學(xué)版攝影測(cè)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(shí)踐的攝影測(cè)量教學(xué)系統(tǒng)[6-7]?；谝陨蟽牲c(diǎn)，本文對(duì)如何從學(xué)生角度考慮，研究理論知識(shí)講解與軟件演示相結(jié)合的教學(xué)模式進(jìn)行了探索，同時(shí)以Flash、 Matlab軟件為工具，開發(fā)了一款攝影測(cè)量課堂教學(xué)軟件，把抽象的攝影測(cè)量相關(guān)原理通過動(dòng)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(cè)量知識(shí)。

1 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 軟件總體設(shè)計(jì)方案

攝影測(cè)量學(xué)課堂教學(xué)軟件是以攝影測(cè)量學(xué)理論為基礎(chǔ)，立足于理論與實(shí)踐相長(zhǎng)教學(xué)，旨在通過形象化展示攝影測(cè)量基本原理及技術(shù)功能，為學(xué)生提供一個(gè)實(shí)用、生動(dòng)、有效的學(xué)習(xí)平臺(tái)。平臺(tái)設(shè)計(jì)主要包含3個(gè)部分：Flash動(dòng)畫制作、基于Matlab編程的攝影測(cè)量數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)處理與動(dòng)畫協(xié)同展示。

Flash是一個(gè)基于矢量的交互性影片格式，集各類媒體元素、動(dòng)態(tài)效果、用戶交互于一體，通過內(nèi)部對(duì)象及其屬性特征表達(dá)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(dòng)畫制作主要是用Flash功能模擬航空攝影姿態(tài)及攝影測(cè)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(shí)際工作狀態(tài)下的“實(shí)際航攝”模擬兩種情形，同時(shí)包含在這兩種情形下的后方交會(huì)、前方交會(huì)、相對(duì)定向、絕對(duì)定向的動(dòng)畫制作等。

基于Matlab編程的攝影測(cè)量數(shù)據(jù)處理主要是考慮到Matlab的普及性及其簡(jiǎn)單易學(xué)的特點(diǎn)。而實(shí)踐也證明，利用Matlab語言進(jìn)行課程教學(xué)與實(shí)驗(yàn)（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(shí)現(xiàn)攝影測(cè)量中單像空間后方交會(huì)、雙像前方交會(huì)、立體像對(duì)相對(duì)定向、絕對(duì)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(jì)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。

數(shù)據(jù)處理與動(dòng)畫協(xié)同展示主要是將攝影測(cè)量數(shù)據(jù)處理與Flash動(dòng)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(dòng)畫演示，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)理解，提高教學(xué)效果。

1.2 模塊化功能實(shí)現(xiàn)

1.2.1 Flash動(dòng)畫制作

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

本方案所涉及的基本動(dòng)畫元素如圖1所示，包括有主背景、飛機(jī)、坐標(biāo)系、航線軌跡、像片邊框示意圖共5個(gè)部分。其中，主背景為青山圖，可利用Flash軟件直接導(dǎo)入；飛機(jī)是最為復(fù)雜的一個(gè)動(dòng)畫元素，包括頂部螺旋槳、機(jī)身及尾部螺旋槳，為了更形象化，螺旋槳可動(dòng)態(tài)顯示飛機(jī)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(cè)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(jī)在某一個(gè)特定位置拍攝地面的范圍大小。

圖1 基本動(dòng)畫元素設(shè)計(jì)

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

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

1.2.2 攝影測(cè)量數(shù)據(jù)處理

基于Matlab編程的攝影測(cè)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(jì)與實(shí)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(jì)算的未知數(shù)改正數(shù)、誤差方程常數(shù)項(xiàng)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(duì)學(xué)生理解算法和計(jì)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(huì)、后方交會(huì)、相對(duì)定向、絕對(duì)定向、視頻演示等功能。

1.2.3 Matlab實(shí)現(xiàn)攝影測(cè)量動(dòng)畫播放

首先，借助視頻轉(zhuǎn)換器將swf格式動(dòng)畫轉(zhuǎn)換成avi格式，然后在Matlab界面中添加一個(gè)ActiveX Control控件，即可方便實(shí)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(gè)攝影測(cè)量關(guān)鍵算法的數(shù)據(jù)處理和動(dòng)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(shí)際動(dòng)畫聯(lián)系起來。具體實(shí)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(dòng)畫演示效果的差異進(jìn)行體現(xiàn)。

2 教學(xué)方法淺析

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

圖2 Matlab數(shù)據(jù)處理界面

圖3 動(dòng)畫播放器界面展示

1）生動(dòng)地模擬了攝影測(cè)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(duì)攝影測(cè)量問題進(jìn)行形象化描述的難題，對(duì)于提高課程教學(xué)的生動(dòng)性和易懂性具有重要的意義。相對(duì)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(dòng)畫教學(xué)方法使同學(xué)們?cè)谙硎軇?dòng)畫的同時(shí)，又能深刻理解攝影測(cè)量學(xué)的基本原理和方法。

2）采用Matlab語言編程簡(jiǎn)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(cè)量學(xué)課堂教學(xué)軟件的內(nèi)容。同時(shí)，所有開發(fā)代碼對(duì)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(shí)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(duì)全部知識(shí)進(jìn)行整合。攝影測(cè)量學(xué)的教學(xué)內(nèi)容具有層層遞進(jìn)、環(huán)環(huán)相扣的特點(diǎn)，因而在課程講授結(jié)束時(shí)，教師可以選擇利用該軟件進(jìn)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(shí)點(diǎn)，使學(xué)生對(duì)攝影測(cè)量學(xué)具有完整、系統(tǒng)的理解。

由于攝影測(cè)量知識(shí)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(cè)量原理，尤其是在空中三角測(cè)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(shí)，攝影測(cè)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(shí)踐。因此，以實(shí)際案例數(shù)據(jù)為例的攝影測(cè)量軟件系統(tǒng)展示也有助于學(xué)生了解當(dāng)前攝影測(cè)量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀以及利用它來解決實(shí)際問題的能力。當(dāng)然，區(qū)別于專業(yè)課程集中實(shí)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(gè)關(guān)鍵技術(shù)的成果和效果，是對(duì)動(dòng)畫形象化展示的有益補(bǔ)充。

3 結(jié) 語

以理論知識(shí)講解為主，Matlab數(shù)據(jù)處理和動(dòng)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(cè)量學(xué)教學(xué)效果的一種可行方法。它用視頻動(dòng)畫的形式詳細(xì)描述了攝影測(cè)量學(xué)的基本原理，既保證了理論知識(shí)教授和實(shí)踐演示的主次地位，又使得實(shí)踐演示環(huán)節(jié)在學(xué)生學(xué)習(xí)理論知識(shí)的過程中起到了強(qiáng)化、鞏固、理解的作用。但限于研發(fā)和教學(xué)時(shí)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(duì)軟件功能和方式進(jìn)行不斷完善，從而使學(xué)生對(duì)攝影測(cè)量學(xué)具有較強(qiáng)的學(xué)習(xí)興趣和理解能力，達(dá)到事半功倍的教學(xué)效果。

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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(cè)量與計(jì)算機(jī)視覺方面的研究和教學(xué)工作。

2016-03-15。

項(xiàng)目來源：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41101418）；武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院本科專業(yè)綜合改革教學(xué)研究資助項(xiàng)目（201202）。