張云生 馬慧云 潘紅播

[摘 要]近年來，人工智能、大數(shù)據(jù)、傳感器技術(shù)的發(fā)展開始倒逼傳統(tǒng)測繪類專業(yè)進行改革升級，尤其是計算機視覺、人工智能領(lǐng)域的研究人員進入攝影測量領(lǐng)域，開發(fā)了自動化程度高的攝影測量軟件，逐漸形成取代傳統(tǒng)攝影測量軟件的趨勢。而傳統(tǒng)的攝影測量實踐教學(xué)以軟件使用為主，無法滿足企業(yè)高層次開發(fā)人才使用的需求，為此，通過探索結(jié)合計算視覺領(lǐng)域的開源庫，采用個人和團隊編寫的方式實現(xiàn)數(shù)字攝影測量學(xué)中的經(jīng)典算法，讓學(xué)生更深入理解算法，以期提高學(xué)生的編程實踐能力。

[關(guān)鍵詞]數(shù)字攝影測量;教學(xué)改革;編程

[基金項目]2017年中南大學(xué)新工科研究與實踐項目“面向新經(jīng)濟的測繪地理信息類專業(yè)轉(zhuǎn)型升級探索與實踐”（2017XGK044）;2017年中南大學(xué)教育教學(xué)改革研究項目“工程教育認證背景下測繪工程專業(yè)達成度評價改革與實踐”（2017jy06）

[作者簡介]張云生（1984—），男，湖南懷化人，博士，中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院副教授，主要從事數(shù)字攝影測量研究。

[中圖分類號] G642[文獻標識碼] A[文章編號] 1674-9324（2020）32-0194-03[收稿日期] 2020-02-05

一、引言

實踐是工程人才培養(yǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”創(chuàng)立了企業(yè)與高校進行產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的人才培養(yǎng)協(xié)同機制，目的是通過此方式解決工程人才培養(yǎng)過程中校企脫節(jié)的問題。為應(yīng)對新一輪產(chǎn)業(yè)變革與科技革命，支撐服務(wù)國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展、“中國制造2025”等一系列國家戰(zhàn)略，我國2017年啟動了“新工科”建設(shè)。新工科的“新”包含三方面含義，即“新興、新型和新生”，其中“新型”指的是對傳統(tǒng)的、現(xiàn)有的（舊）學(xué)科進行轉(zhuǎn)型、改造和升級，包括對內(nèi)涵的拓展、培養(yǎng)目標和標準的轉(zhuǎn)變或提高、培養(yǎng)模式的改革和創(chuàng)新等而形成的新學(xué)科[1]。當前經(jīng)濟形勢下，不斷有新興學(xué)科誕生、發(fā)展，測繪類專業(yè)壁壘降低，BAT（百度、阿里巴巴、騰訊）等大型互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)進入測繪類行業(yè)。如果傳統(tǒng)測繪類專業(yè)不謀求轉(zhuǎn)型升級，將面臨被侵蝕甚至淘汰的局面。因此傳統(tǒng)測繪類專業(yè)的建設(shè)更應(yīng)側(cè)重于借鑒人工智能專業(yè)、云計算、大數(shù)據(jù)等方向的發(fā)展，對傳統(tǒng)專業(yè)內(nèi)涵進行改造升級，拓展課程內(nèi)容等[2]。

攝影測量學(xué)是遙感科學(xué)與技術(shù)、測繪工程專業(yè)的重點課程。攝影測量學(xué)是利用像片研究被攝物體的形狀、位置、大小、特性及相互位置關(guān)系的學(xué)科，可以大致概括為三個問題：幾何問題、對應(yīng)問題、解譯問題。幾何問題是攝影測量基礎(chǔ)部分解決的問題，是目前基本解決的問題;對應(yīng)問題是數(shù)字攝影測量的核心;解譯問題是遙感等相關(guān)課程共同解決的問題。數(shù)字攝影測量是應(yīng)用計算機技術(shù)、數(shù)字影像處理、模式識別等多學(xué)科的理論與方法，提取所攝對象的幾何與物理信息。由于攝影測量學(xué)與計算機視覺在原理、方法和應(yīng)用上都有很多相通的地方，尤其是無人機和街景測量車的出現(xiàn)，讓攝影測量與計算機視覺領(lǐng)域的學(xué)者關(guān)注的對象有了更多的交集[3，4]。

隨著計算機視覺、人工智能領(lǐng)域的研究人員進入攝影測量領(lǐng)域，當前常用的軟件如Pix4Dmapper、Smart3D開發(fā)人員皆為計算機視覺領(lǐng)域的人員。這些軟件自動化程度高，有逐漸取代傳統(tǒng)攝影測量軟件的趨勢。為了培養(yǎng)更多適應(yīng)當前生產(chǎn)需求的人才，不少學(xué)者開展了相關(guān)的教學(xué)改革探索。卞玉霞在改革中重在引入計算機視覺與傾斜攝影測量方面的相關(guān)知識，增加了計算機視覺中基礎(chǔ)矩陣估計、攝像機標定、傾斜攝影和點云建模等內(nèi)容，擴展了攝影測量的前沿知識[5]。許志華等分析了“數(shù)字攝影測量”課程教學(xué)中利用VirtuoZo進行實踐時存在的主要問題，介紹了一種利用Agisoft PhotoScan與AcrGIS從無人機影像生產(chǎn)數(shù)字高程模型、正射影像的實踐流程[6]，該方案使用的PhotoScan軟件起源于計算機視覺領(lǐng)域，軟件自動化程度高，被生產(chǎn)單位廣泛應(yīng)用于小型數(shù)據(jù)生產(chǎn)。王志勇等針對當前數(shù)字攝影測量實踐教學(xué)中存在的與生產(chǎn)實際脫節(jié)、學(xué)生創(chuàng)新實踐能力不強等問題，對數(shù)字攝影測量的實踐教學(xué)進行改革，主要引入Pix4Dmapper、Smart3D等軟件對傳統(tǒng)VirtuoZo進行補充，在傳統(tǒng)4D產(chǎn)品生產(chǎn)基礎(chǔ)上，補充傾斜攝影建模實踐，并且收集了典型試驗數(shù)據(jù)進行試驗，增加了實踐的趣味性和工程背景，有利于提高解決實際工程問題的能力[7]。張榮春等則提出結(jié)合傳統(tǒng)攝影測量學(xué)與新技術(shù)，通過引入計算機視覺、衛(wèi)星攝影測量學(xué)、激光雷達及相機融合等新課程內(nèi)容，探討構(gòu)建開放式攝影測量試驗系統(tǒng)的新思路[8]。徐辛超等則將Matlab引入攝影測量課的教學(xué)中，將學(xué)生分組利用Matlab實現(xiàn)攝影測量課中典型的特征提取、影像匹配、DEM內(nèi)插方法，在編程實踐方面進行了有意義的嘗試[9]。

可見當前的一些實踐改革側(cè)重于引入新的軟硬件，主要培養(yǎng)軟件使用、應(yīng)用工程師，對于創(chuàng)新能力、編程能力的培養(yǎng)則稍顯欠缺。寧津生院士指出“為滿足信息化時代的需求，要注重培養(yǎng)計算機編程能力的培養(yǎng)”，他建議“設(shè)置少而精的計算機課程，打好所有編程的入門基礎(chǔ)，在各專業(yè)課程中融入編程作業(yè)，不斷提升編程能力”[10]。中南大學(xué)遙感科學(xué)與技術(shù)專業(yè)設(shè)置了計算機程序設(shè)計基礎(chǔ)（C++）課程，在此基礎(chǔ)上，開設(shè)了測繪程序設(shè)計基礎(chǔ)課程，結(jié)合測量學(xué)和誤差理論與平差基礎(chǔ)知識進一步提升學(xué)生C++的編程能力，但缺乏圖像處理等方面的編程能力培養(yǎng)。因此本文以中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院數(shù)字攝影測量學(xué)課程教學(xué)為例，反思遙感科學(xué)與技術(shù)專業(yè)核心課數(shù)字攝影測量學(xué)教學(xué)模式，探討新工科背景下課程教學(xué)改革新途徑。

二、改革內(nèi)容

當前的工程教育著重以學(xué)生為中心，著重學(xué)生產(chǎn)出，教學(xué)目標應(yīng)以促進學(xué)生學(xué)業(yè)成功為目標，鼓勵學(xué)生追求卓越與創(chuàng)新。根據(jù)調(diào)研、討論確定的數(shù)字攝影測量課程目標為以下三點：

1.掌握數(shù)字攝影測量核線糾正、特征提取、匹配、數(shù)字高程模型與正射影像的基礎(chǔ)理論與算法，了解常用的數(shù)字攝影測量軟件。

2.具有一定的攝影測量數(shù)據(jù)處理算法代碼實現(xiàn)能力，能發(fā)掘現(xiàn)有經(jīng)典算法的不足，并提出新的方法，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新精神。

3.能夠根據(jù)4D產(chǎn)品的需求，選擇合適的硬件和軟件設(shè)備，制定顧及社會環(huán)境的解決方案。

以上三個課程目標支撐的學(xué)生畢業(yè)要求，包括以下四點：

1.了解遙感科學(xué)與技術(shù)專業(yè)相應(yīng)的軟硬件的使用原理和方法，并理解其局限性。

2.掌握面向基礎(chǔ)測繪、環(huán)境監(jiān)測等復(fù)雜遙感工程基本設(shè)計、開發(fā)方法與技術(shù)，并且能了解影響技術(shù)方案的各種因素。

3.能夠通過文獻檢索，調(diào)研比較當前工藝和方法，分析復(fù)雜工程問題，為制定合理解決方案服務(wù)。

4.掌握基本的創(chuàng)新方法、具有較強的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，具有革新工程工藝流程的意識。

課程的理論教學(xué)和實踐教學(xué)都應(yīng)以學(xué)生課程目標的達成為落腳點，支撐畢業(yè)要求的達成，尤其是要注意非技術(shù)能力的培養(yǎng)。通過課堂視頻輔助、PPT理論講解，學(xué)生可以大致理解算法步驟。但僅通過課堂講解，學(xué)生分析解決問題、創(chuàng)新、表達溝通的能力得不到有效的培養(yǎng)。鑒于此，為了讓學(xué)生更深入理解數(shù)字攝影測量核心算法，結(jié)合本專業(yè)學(xué)生已經(jīng)開設(shè)的C++課程，在實踐教學(xué)過程中進行了一系列改革。共設(shè)計了5次編程試驗，內(nèi)容如表1所示，建議學(xué)生采用VS2017完成。個人編寫的4次試驗由每個同學(xué)單獨完成，第5次試驗分組進行，每組3個同學(xué)。個人編寫部分，在課外完成后，安排一次課堂試驗進行答疑，然后提交報告和源代碼，教師根據(jù)報告和源代碼評價學(xué)生達成情況。團隊編寫部分由教師給定項目題目和提供測試數(shù)據(jù)，學(xué)生組隊后根據(jù)興趣、編程基礎(chǔ)選擇題目，組長安排組員課下查找補充資料、明確分工、設(shè)計程序框架、完成代碼編寫與測試，并撰寫多媒體講稿。在此基礎(chǔ)上，每組同學(xué)利用多媒體進行交流匯報，教師旁聽和提問，并根據(jù)匯報答辯情況對學(xué)生達成情況進行評價。

以上實驗涉及大量的圖像讀寫和圖像操作，直接用C++編寫這些內(nèi)容較為復(fù)雜，因此本試驗引入OpenCV開源庫解決這些問題。OpenCV是英特爾開源的跨平臺計算機視覺庫，易于配置，具備C++、Python接口，對研究和商業(yè)用途均免費。最新攝影測量軟件如Pix4D等都吸收了OpenCV的開發(fā)成果，也被當前很多深度學(xué)習(xí)開源庫作為圖像處理的第三方庫。通過引入OpenCV進行圖像讀寫、彩色與灰度影像的轉(zhuǎn)換、結(jié)果可視化，可以降低編程的難度，讓學(xué)生側(cè)重于數(shù)字攝影測量本身算法的編寫。

三、教學(xué)效果

通過交流反饋以及閱讀學(xué)生的試驗報告感想部分，發(fā)現(xiàn)很多學(xué)生都提到了在課堂上以為聽懂了公式，但之后通過編程實踐才能深入理解算法的核心，建立起公式與影像像素間的聯(lián)系。學(xué)生在算法實現(xiàn)基礎(chǔ)上，對一些閾值或者其他參數(shù)進行了調(diào)整，利用標準影像和不同實際影像進行測試，加深了對參數(shù)所表達的意義的理解。通過閉卷考試的縱向?qū)Ρ?，也發(fā)現(xiàn)核線排列、最小二乘匹配算法整體掌握情況相比往年有所好轉(zhuǎn)。

在團隊編寫的過程中，部分學(xué)生還自行查找文獻，搜索相關(guān)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，試圖實現(xiàn)超出教材學(xué)習(xí)的知識內(nèi)容，比如實現(xiàn)DEM內(nèi)插時，每個點內(nèi)插都和周圍的點相關(guān)，教材上的算法過程只說明了要搜索每個點周圍小于給定半徑R內(nèi)的點，但沒有說明這些點怎么搜索。因此點少時，直接比較每個點到當前點的距離可以獲得半徑范圍內(nèi)的點，該算法直觀，但點數(shù)目較多時，效率低下。針對此搜索問題，有個別同學(xué)探索了一種改進方法，即先將所有的點分配到XY平面格網(wǎng)中，然后再采用類似于影像鄰域點的方法搜索周圍格網(wǎng)，將格網(wǎng)內(nèi)的點取出后，再比較實際距離獲得R內(nèi)的點。通過格網(wǎng)預(yù)處理，可以大幅提高內(nèi)插的效率。也有一些同學(xué)通過搜索文獻，發(fā)現(xiàn)可以使用KD-樹加速K個鄰近點的搜索，也發(fā)現(xiàn)了不同KD-樹實現(xiàn)，大部分學(xué)生使用的是OpenCV中實現(xiàn)，這也豐富了學(xué)生對高維數(shù)據(jù)的搜索。后續(xù)任課教師在點評該實驗時，指出KD-樹的建立過程、用處等，鼓勵了學(xué)生的探索精神，也指出基于格網(wǎng)的搜索方式和四叉樹是相似的，建議相關(guān)學(xué)生了解四叉樹。在KD-樹探討時，有個別學(xué)生將KD-樹和特征匹配聯(lián)系起來，提出來這個樹結(jié)構(gòu)也可以用于SIFT等高維描述子的搜索匹配。

通過引入OpenCV編程，降低了影像讀寫操作難度，鍛煉了學(xué)生的編程能力，也為后續(xù)學(xué)生采用OpenCV進行其他開發(fā)打下基礎(chǔ)。通過程序的編寫，部分學(xué)生的創(chuàng)新能力提升明顯，課堂內(nèi)對沒有教授的知識通過文獻查找、對比分析形成科學(xué)解決方案，鍛煉了分析解決問題和終身學(xué)習(xí)的能力。通過利用多媒體進行學(xué)習(xí)匯報，鍛煉了組織、溝通表達能力。

四、總結(jié)

本次改革打破了以軟件操作、數(shù)據(jù)生產(chǎn)為主的實踐操作，提高了實踐的難度，加大了學(xué)生學(xué)習(xí)的難度，得到了學(xué)生的積極響應(yīng)。通過編程實踐，學(xué)生加深了對知識的理解程度，提高了編程水平，為后續(xù)進行研究和開發(fā)打下了基礎(chǔ)。但在本次探索中，也有一小部分學(xué)生不能獨立完成要求的內(nèi)容，往往過多參考基礎(chǔ)較好同學(xué)的代碼或者報告，這給學(xué)生成果的評價也帶來了一定困難。后續(xù)實踐中，教師要督促學(xué)生留夠時間進行編程實踐，并且要提供足夠的指導(dǎo)，對于考核還需要在安排的實踐課時內(nèi)進行口頭詢問，以辨別學(xué)生是否屬于獨立掌握。

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