許志華，崔希民，楊可明，袁德寶，孫文彬

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083)

數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量學(xué)是攝影測(cè)量學(xué)的分支學(xué)科，基于數(shù)字影像與攝影測(cè)量的基本原理，應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字影像處理、影像匹配和模式識(shí)別等多學(xué)科的理論與方法，可提取所攝對(duì)象的幾何與物理信息[1]。隨著社會(huì)對(duì)測(cè)繪類(lèi)人才需求的增大，眾多高校如武漢大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)等都開(kāi)設(shè)了“數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量”課程，并作為測(cè)繪類(lèi)本科生的一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)課程。

國(guó)內(nèi)外有關(guān)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的專(zhuān)著已有很多，如《數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量學(xué)》《數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量新技術(shù)》《數(shù)字近景工業(yè)攝影測(cè)量理論、方法與應(yīng)用》等，這些論著均在某方面反映了數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的主要內(nèi)容和發(fā)展現(xiàn)狀，但是針對(duì)本科生教學(xué)，該類(lèi)著作則存在內(nèi)容過(guò)多、信息冗余、缺乏應(yīng)用案例、現(xiàn)勢(shì)性較差等問(wèn)題。張祖勛院士的《數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量學(xué)》為國(guó)內(nèi)高校測(cè)繪類(lèi)學(xué)生首選的一本經(jīng)典教材，內(nèi)容涵蓋了從模擬攝影測(cè)量經(jīng)歷解析攝影測(cè)量到數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的全部?jī)?nèi)容，但缺乏對(duì)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量學(xué)與計(jì)算機(jī)視覺(jué)學(xué)科中的相通、互補(bǔ)內(nèi)容的介紹，如用戶級(jí)相機(jī)采集影像的畸變、相機(jī)自標(biāo)定方法，以及無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量在工程生產(chǎn)中的問(wèn)題等。然而，隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)理論與數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量學(xué)科的交叉融合，上述內(nèi)容正引起業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注，相關(guān)理論和技術(shù)的發(fā)展正在影響著行業(yè)生產(chǎn)模式的改變，亟待補(bǔ)充相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容，與時(shí)俱進(jìn)。

從教學(xué)模式上，大多數(shù)高校仍以傳統(tǒng)教學(xué)與多媒體教學(xué)相結(jié)合為主，而較少涉及啟發(fā)式或探究式的教學(xué)方式或涉及的深度不夠；此外，大多數(shù)教師仍不能很好地將教學(xué)和科研進(jìn)行有效結(jié)合，不能很好地將科研中的前沿知識(shí)與課程內(nèi)容進(jìn)行融合，導(dǎo)致學(xué)生接收到的知識(shí)具有滯后性。在基礎(chǔ)實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)，大多數(shù)高校仍以傳統(tǒng)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量軟件為主，如VirtuoZo，該類(lèi)軟件對(duì)相機(jī)要求高，處理復(fù)雜[2]。此外，近些年各類(lèi)新型傳感器，如便攜式傾斜相機(jī)、多光譜相機(jī)等，日新月異，發(fā)展迅猛；影像獲取平臺(tái)，如低空無(wú)人機(jī)、移動(dòng)測(cè)量車(chē)等飛速發(fā)展，使獲取高分辨率多視影像變得廉價(jià)、便捷；相應(yīng)的影像處理軟件層出不窮，如Agisoft Photoscan[3]、Pix4D mapper[4]、Sart3D Capture[5]和PixelGrid[6]等，這對(duì)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的基礎(chǔ)實(shí)習(xí)提出了新的要求，亟需引入新型的實(shí)習(xí)方案，更好地解決當(dāng)前數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量應(yīng)用中的問(wèn)題。

綜上，數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量課程存在著教學(xué)內(nèi)容單一、交叉性不強(qiáng)、探索性較差、基礎(chǔ)實(shí)習(xí)現(xiàn)勢(shì)性不強(qiáng)等問(wèn)題，易導(dǎo)致教學(xué)深度不夠、學(xué)生積極性不高，且難以很好地解決實(shí)際工程中問(wèn)題的現(xiàn)象。因此，本文針對(duì)筆者所在院校遙感科學(xué)與技術(shù)的本科生，將探索數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量學(xué)的課程教育方法，改進(jìn)基礎(chǔ)實(shí)習(xí)內(nèi)容，以此提升學(xué)生認(rèn)知水平和技術(shù)能力，使其更好地適應(yīng)社會(huì)需求。

1 課程教育思考

1.1 優(yōu)化課程體系，完善教學(xué)內(nèi)容

筆者所在院校遙感科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)在數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量課程之前已開(kāi)設(shè)攝影測(cè)量學(xué)專(zhuān)業(yè)課程。該課程注重航空攝影測(cè)量知識(shí)，即注重于由相機(jī)平臺(tái)位置、姿態(tài)信息建立像素坐標(biāo)與地面坐標(biāo)之間的投影關(guān)系；而數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量可以理解為攝影測(cè)量學(xué)的逆向過(guò)程，即通過(guò)多視影像中同名像素之間的關(guān)系恢復(fù)相機(jī)位置、姿態(tài)及地面三維坐標(biāo)的過(guò)程。雖然上述兩門(mén)課程在教學(xué)內(nèi)容上具有一定的差異，但兩者之間存在緊密的聯(lián)系，如航空攝影中的共線方程及其相對(duì)定向理論可以解決數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量學(xué)中的冗余影像盲匹配問(wèn)題[7-8]，以及兩者采用通用的平差模型等。因此，可結(jié)合教學(xué)重點(diǎn)突出兩者之間的區(qū)別與聯(lián)系，明確本課程的教學(xué)定位、理論特點(diǎn)和應(yīng)用背景，有的放矢，將達(dá)到事半功倍的效果。

1.1.1 避免重復(fù)教學(xué)

在課程設(shè)置中刪掉了攝影測(cè)量學(xué)3個(gè)主要發(fā)展階段直接的區(qū)別和聯(lián)系；刪掉了“內(nèi)定向”章節(jié)，簡(jiǎn)化了空中三角測(cè)量相關(guān)的理論教學(xué)，避免了重復(fù)教學(xué)的問(wèn)題。

1.1.2 補(bǔ)充前言知識(shí)

面向經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求，瞄準(zhǔn)專(zhuān)業(yè)發(fā)展前沿，借鑒國(guó)內(nèi)外課程改革成果，補(bǔ)充前言知識(shí)，完善教學(xué)內(nèi)容。因此，在教學(xué)內(nèi)容上增加了用戶級(jí)數(shù)碼相機(jī)的畸變[9]、模板相機(jī)標(biāo)定[10-11]、計(jì)算機(jī)視覺(jué)理論中的相機(jī)自標(biāo)定原理[12]，闡述了制約數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題，如紋理特征提取[13]、冗余影像的盲匹配[7-8]、迭代平差[14]等，增強(qiáng)了理論教學(xué)的廣度和深度。

此外，計(jì)算機(jī)視覺(jué)理論及算法飛速發(fā)展，開(kāi)源了大量的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)和有益代碼，極大地豐富了數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的教學(xué)資源。因此，在教學(xué)過(guò)程中，可以充分利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)方面的素材進(jìn)行示例說(shuō)明，并以此為契機(jī)構(gòu)建該學(xué)科與數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量、航空攝影測(cè)量等學(xué)科的交叉教學(xué)模式，并以航空遙感影像、無(wú)人機(jī)遙感影像為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)進(jìn)行案例教學(xué)。

1.2 構(gòu)建新的教學(xué)模式

(1) 提高傳統(tǒng)教學(xué)與多媒體教學(xué)的效率。充分發(fā)揮教師講授的主導(dǎo)作用，把握教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，在較短的時(shí)間內(nèi)有計(jì)劃、有目的地傳授給學(xué)生，較快達(dá)到教學(xué)目的；利用多媒體教學(xué)的直觀性、多樣性、生動(dòng)性的特點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生興趣，提高教學(xué)效率。

(2) 大膽嘗試啟發(fā)式教學(xué)模式。在多樣的教學(xué)方法中，增強(qiáng)教師與學(xué)生的互動(dòng)；確立以學(xué)生為主體的觀念，引導(dǎo)學(xué)生積極地參與到教學(xué)活動(dòng)中，鼓勵(lì)學(xué)生大膽提出問(wèn)題，積極發(fā)表自己的看法[16]。如針對(duì)“如何利用新型傳感器數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量生產(chǎn)4D產(chǎn)品”展開(kāi)啟發(fā)式教學(xué)，通過(guò)教師與學(xué)生之間的相互問(wèn)答，由淺入深，層層切入，達(dá)到解決問(wèn)題的效果。

(3) 探索以課題為驅(qū)動(dòng)的引導(dǎo)式教學(xué)。在傳統(tǒng)教學(xué)中，學(xué)生對(duì)硬性的接受知識(shí)存在一定的排斥心理，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)課程的認(rèn)識(shí)深度不夠，甚至厭學(xué)或棄學(xué)。相反，若能讓學(xué)生參與到教師的相關(guān)在研課題中，進(jìn)行任務(wù)驅(qū)動(dòng)和知識(shí)需求驅(qū)動(dòng)的教學(xué)模式，則能大大激發(fā)學(xué)生的積極性和求知欲望，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行開(kāi)放式和創(chuàng)新式學(xué)習(xí)。

2 基礎(chǔ)實(shí)習(xí)新型教學(xué)探索

傳統(tǒng)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量基礎(chǔ)實(shí)習(xí)多采用VirtuoZo專(zhuān)業(yè)軟件[17]，對(duì)相機(jī)要求高，數(shù)據(jù)處理復(fù)雜。隨著無(wú)人機(jī)等移動(dòng)平臺(tái)的快速發(fā)展，以及數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量與計(jì)算機(jī)視覺(jué)學(xué)科的交叉融合，基于非量測(cè)相機(jī)的測(cè)繪生產(chǎn)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，這對(duì)基礎(chǔ)實(shí)習(xí)的教學(xué)提出了新的挑戰(zhàn)。對(duì)此，筆者基于一種新型數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)Agisoft PhotoScan和地理信息系統(tǒng)ArcGIS開(kāi)展基礎(chǔ)實(shí)習(xí)教學(xué)，并摸索和總結(jié)了一套上機(jī)操作流程(如圖1所示)，效果較好。該操作流程包括數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、相機(jī)預(yù)標(biāo)定、特征提取與空三加密、致密點(diǎn)云生成、DSM和DOM生產(chǎn)、點(diǎn)云濾波、三角網(wǎng)構(gòu)建與DEM生產(chǎn)等。

圖1 數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量基礎(chǔ)實(shí)習(xí)技術(shù)流程

2.1 實(shí)習(xí)數(shù)據(jù)

本文以無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)處理為例，進(jìn)行數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量基礎(chǔ)實(shí)習(xí)介紹。研究區(qū)位于吉林省長(zhǎng)春市九臺(tái)區(qū)東部，經(jīng)緯度范圍為44°13′N(xiāo)—44°16′N(xiāo)，126°5′E—126°9′E，地物類(lèi)型包括植被、裸地、道路和民房，各類(lèi)地物呈集聚性分布。試驗(yàn)搭載SONY DSC-WX220數(shù)碼相機(jī)，采用固定翼自主飛行模式，共獲取43張影像，分辨率約為2 cm，航向、旁向重疊度分別為70%和50%。

2.2 數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量所需數(shù)據(jù)包括：

(1) 多視序列影像：具有一定重疊度的多角度影像集。以無(wú)人機(jī)影像為例，通常設(shè)置航向重疊度為60%～80%，旁向重疊度為40%～60%，以保證影像匹配的穩(wěn)定性。此外，影像紋理越單一，地物類(lèi)型越簡(jiǎn)單，要求重疊度越高，反之則反。

(2) 飛控?cái)?shù)據(jù)：攝影曝光時(shí)刻影像的位置和姿態(tài)信息。其中，位置記錄形式為WGS-84坐標(biāo)系下的經(jīng)度B、緯度L和高程H；姿態(tài)角為IMU本體坐標(biāo)系在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的側(cè)滾Φ、俯仰Θ和偏航Ψ。若要獲取地?cái)z坐標(biāo)系相對(duì)于像空間坐標(biāo)系的外方位角元素(ψ，ω，κ)，需進(jìn)行坐標(biāo)變換[15]。

(3) 控制資料：一定數(shù)量(>4)均勻分布在測(cè)區(qū)內(nèi)的地面控制點(diǎn)，用于空三加密的絕對(duì)定向。

2.3 相機(jī)預(yù)標(biāo)定

利用Agisoft Lens[18]軟件完成相機(jī)預(yù)標(biāo)定。該模塊集成基于格網(wǎng)模板匹配的相機(jī)標(biāo)定方法，通過(guò)對(duì)比不同視角影像中格網(wǎng)在水平、垂直方向的差異，估計(jì)相機(jī)的徑向和切向參數(shù)，主要步驟包括：

(1) 捕捉校準(zhǔn)照片：顯示棋盤(pán)格圖片，從不同角度等焦距拍攝校準(zhǔn)照片(大于等于3張)。

(2) 加載照片：加載待校準(zhǔn)照片，軟件支持JPEG、TIFF、PNG、PPM和BMP等圖像格式。

(3) 檢核照片：為了獲得良好的校準(zhǔn)，刪除畸變較大、模糊度高的照片。

(4) 相機(jī)標(biāo)定：獲得相機(jī)標(biāo)定結(jié)果報(bào)告，包括水平和垂直焦距(分別記為fx和fy，單位為像素)主點(diǎn)坐標(biāo)(cx，cy)、徑向失真系數(shù)。

2.4 特征提取、匹配與空三加密

獲得相機(jī)標(biāo)定參數(shù)后需進(jìn)行影像特征提取與匹配。這部分內(nèi)容是數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量中的關(guān)鍵內(nèi)容，通過(guò)計(jì)算點(diǎn)特征的相似度來(lái)尋找重疊影像中的同名特征；完成同名特征匹配后，在重疊影像中手動(dòng)標(biāo)記地面控制點(diǎn)，并輸入相應(yīng)地面坐標(biāo)，進(jìn)而進(jìn)行空中三角測(cè)量，生成測(cè)區(qū)的稀疏點(diǎn)云，包含空間位置(X，Y，Z)和彩色信息(R，G，B)。除此之外，還可以獲得相機(jī)曝光的位置信息(X，Y，Z)。該步驟可通過(guò)PhotoScan的“Align photos”模塊執(zhí)行，該模塊采用了并行技術(shù)，處理速度快；生成點(diǎn)云精度(密度)從低到高分5個(gè)等級(jí)，相應(yīng)耗時(shí)依次增加，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 稀疏點(diǎn)云生成結(jié)果

2.5 點(diǎn)云加密

重建得到的稀疏點(diǎn)云的密度一般較低，不能很好地表達(dá)完備地物信息，需要進(jìn)行點(diǎn)云加密。PhotoScan軟件中，集成了多目立體視覺(jué)算法模塊(patch-based multiple view stereopsos，PMVS)[20]，在稀疏點(diǎn)云的基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算稠密點(diǎn)匹配關(guān)系，構(gòu)建稠密匹配特征點(diǎn)集。在PhotoScan中選擇“Build Dense Clouds”執(zhí)行點(diǎn)云加密步驟，得到試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。同上，生成點(diǎn)云的精度(密度)從低到高分5個(gè)等級(jí)，耗時(shí)依次增加。

圖3 點(diǎn)云加密結(jié)果

2.6 DSM與DOM生產(chǎn)

數(shù)字表面模型(DSM)是制作正射影像的基礎(chǔ)。在PhotoScan中DSM的生產(chǎn)直接將致密點(diǎn)云生成不規(guī)則三角網(wǎng)格即可，網(wǎng)格中可能包含地表建筑物，橋梁和樹(shù)木等高度的地面模型。數(shù)字正射影像(DOM)是在DSM的基礎(chǔ)上成產(chǎn)的另一種數(shù)字化產(chǎn)品，利用DSM可以對(duì)拼接后的影像進(jìn)行數(shù)字微分糾正，消除地形起伏導(dǎo)致的影像畸變。利用“Build DEM”和“Build Orthomosaic”可以生成測(cè)區(qū)的DSM和DOM，結(jié)果如圖4、圖5所示。該模塊沒(méi)有經(jīng)過(guò)點(diǎn)云濾波，構(gòu)建的DEM實(shí)為DSM。

圖4 DSM生成結(jié)果

圖5 DOM生成結(jié)果

2.7 DEM生產(chǎn)

針對(duì)地學(xué)應(yīng)用的多樣性，獲取高精度的三維地形信息，如DEM對(duì)于地學(xué)應(yīng)用具有重要的作用。與DSM產(chǎn)品相比，DEM刻畫(huà)地表，需在DSM的基礎(chǔ)上濾除地物，進(jìn)而為大尺度的正射影像生產(chǎn)提供地形參考。DEM生產(chǎn)仍以前文中的致密點(diǎn)云為輸入，包括如下操作步驟：

(1) 借助第三方軟件，如CloudCompare[19]等，進(jìn)行點(diǎn)云濾波處理，獲取三維點(diǎn)云的非地面點(diǎn)與地面點(diǎn)。

(2) 將得到的地面點(diǎn)云導(dǎo)入ArcGIS軟件，通過(guò)插值、重采樣等操作后構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)。

(3) 將以上TIN轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)，生成柵格形式的DEM，如圖6所示。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文面向全國(guó)高校測(cè)繪類(lèi)本科生，總結(jié)了當(dāng)前數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量課程教育存在的主要問(wèn)題，并對(duì)教學(xué)方式改革進(jìn)行思考和建議；探索了一套基于新型數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量基礎(chǔ)實(shí)習(xí)技術(shù)流程，并以吉林省長(zhǎng)春市九臺(tái)區(qū)東部流域的無(wú)人機(jī)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量為例，詳細(xì)闡述了基礎(chǔ)實(shí)習(xí)的基本步驟，驗(yàn)證了基礎(chǔ)實(shí)習(xí)方案的有效性。

圖6 DEM生成結(jié)果