“理虚实一体化”摄影测量实践教学的探索与实践

李爱霞 何冰

[摘 要]摄影测量学是一门理论抽象、实践过程衔接性很强的课程。结合行业应用和虚拟仿真技术的发展，提出了包括理论实践、虚拟仿真实践和真实场景实践的“理虚实一体化”摄影测量实践教学模式，并详细描述了每个实践的实施过程。通过该实践过程，让学生系统性地学习了摄影测量的生产过程，学生不仅对摄影测量课程的理论知识有了深入的理解，而且对无人机摄影测量工作也产生了极大的兴趣。

[关键词]摄影测量学；实践教学；理虚实一体化

摄影测量学是以非接触传感器获得影像数据为处理对象，通过对数据的解析计算来获得目标的几何和属性信息的一门课程，该课程实践内容包含内业和外业两部分。其中内业是利用摄影测量的理论基础对影像数据进行处理，从而得到数字高程模型、等高线图、数字正射影像、数字线画图等产品；而外业则包括航空影像的获取、控制点的布设及测量以及影像调绘等。

传统的摄影测量实践教学主要以内业数据处理为主，例如，利用数字摄影测量系统VirtuoZo软件，实习过程中大多采用软件自带示例数据对影像进行模型定向、影像匹配、生成DEM和DOM操作，实习内容能够帮助学生巩固和加深理解在课堂所学的理论知识。但是无人机的广泛应用，行业对摄影测量人才的技术需求变为无人机影像数据的采集、整个测区的数据处理、三维模型的建立以及4D产品的生产等。因此，作为摄影测量技术人才的主要培养基地，许多高校对摄影测量的实践教学进行了改革和探索。叶欣（就职于黑龙江科技大学矿业工程学院）等通过课内实践和课外实践相结合的方式，通过鼓励学生参加AOPA无人机驾驶资格培训，提高学生就业竞争力[1]；张卡（就职于南京师范大学地理科学学院）等通过构建“空天地”一体化摄影测量实践教学内容体系，丰富了实践教学内容，提高了学生学习的积极性[2]；张丽（就职于宿迁学院建筑工程学院）等构建了由基础到提升的阶梯式同化实践教学平台，提高了学生的实践教学技能[3]。

在摄影测量实践教学过程中，受限于实验场地及实验安全性等问题，航空影像数据的获取往往成为摄影测量实践教学的难点。一些学校通过建立模拟航空摄影系统来展示航空影像的获取过程[4]。但是模拟系统的航高、航向等都是固定的，与实际飞行环境还具有很大的区别。随着互联网技术、信息化水平的不断提高，虚拟仿真技术成为当前高校开展实践教学工作的重要手段之一[5]。本文利用虚拟仿真技术弥补航空影像获取实践教学的不足，构建“理虚实一体”的实践教学模式，借助虚拟仿真平台让学生了解和“实践”外业航空影像获取的过程，为实际操作无人机进行航空摄影做准备；并以校园为作业区域，模拟真实项目要求，让学生独立完成从外业数据采集到内业数据处理，使学生系统地学习和掌握摄影测量的全过程[6]。

一、实践教学改革的必要性

（一）摄影测量课程是一门理论性很强的课程，课程概念比较抽象、公式推导多、前后衔接紧密。涉及的概念包括：常用坐标系的定义、航空摄影的要求、内方位元素、外方位元素、相对定向元素、绝对定向元素等基本参数。围绕影像的处理主要介绍了空间后方交会、空间前方交会、内定向、相对定向、绝对定向、解析空中三角测量等的解析计算方法。不仅对学生的数学基础要求较高，而且由于涉及多个坐标系之间的转换，以及二维到三维的空间表达，因此对学生的空间想象能力要求也比较高。

（二）摄影测量实践中除了包括影像数据的处理，外业控制点的布设以及航线规划也很重要。随着消费级无人机硬件成本低，操作简单，使得无人机引入摄影测量实践教学成为可能。但是无人机航空摄影对实验场地要求高、易受天气和环境的影响，且无法实现学生人手1台。

二、实践教学的设计理念

摄影测量实践是依托于“摄影测量学”课程而开展的实践教学，“摄影测量学”课程的核心在于航空影像的获取和摄影测量的基本原理，其中摄影测量的基本原理是学生学习的难点，该部分所关联的内容体系较为复杂，理论性极强，前后内容衔接紧密，仅仅依靠课堂上的理论讲解，学生很难理解，因此针对课堂理论学习的基础实践不仅可以提升理论课程的吸引力，还可以提升学生理论联系实际的能力。但是无人机的广泛应用，行业对摄影测量人才的技术需求变为无人机影像数据的采集和处理。在此背景下，摄影测量实践教学的设计理念是从学生的发展和行业对人才的需求出发，以培养学生工程实践能力为核心，以提升学生职业竞争力为目标。

在原有基础理论实践的基础上，增加程序设计实践内容，例如，给出一张航空影像，然后要求学生自己量测影像上的像点位置，编程实现影像的内定向，程序运行结果还可以与软件操作结果进行验证。通过编程由学生根据原理公式实现处理过程，加深学生对理论知识的理解。同时发挥虚拟仿真平台优势，以任务为驱动，让学生独立完成不同环境、不同要求的航测任务，使学生全身心地参与到航测的各个环节，提高学生的参与度和独立思考的能力。

最后采用无人机设备，以校园为测区范围，模拟真实项目的全流程进行综合性实践，要求学生以组为单位进行无人机影像数据的采集和控制点的布设及坐标测量，并利用摄影测量相关软件进行影像数据的处理建立三维模型，并在此基础上进行DOM、DLG、DSM等常用产品的生产。通过整个实践流程，帮助学生将过去所学的“散装”知识“串”起来，使学生体会到各知识点的协同效应，培养学生实际解决问题的能力，以提高学生职业竞争力。

三、“理虚实一体化”实践教学的构建与实施

根據摄影测量实践教学设计理念，本文提出了“理虚实一体化”实践教学，其中“理”是指理论实践，是在理论教学的过程中穿插软件操作实践和程序设计实践，帮助学生理解和巩固理论知识，让学生初步了解摄影测量的内业处理过程。“虚”是指虚拟仿真实践，该实践是弥补理论实践阶段缺少的外业数据采集的实践过程。利用虚拟仿真系统帮助学生了解无人机的组成和操作，并根据三维场景布局练习像控点的布设和影像数据采集的过程。借助虚拟仿真实践让学生了解和“实践”外业航空影像获取的过程，为实际操作无人机进行航空摄影做准备。“实”是指模拟实际工程任务的真实场景实践。在虚拟仿真实践的基础上，学生对无人机的组成和操作具有了一定的了解，在此基础上以真实场景为任务测区，以小组为单位利用无人机和RTK对测区进行像控点的布设和影像数据采集，并对采集的数据进行内业处理，让学生了解整个无人机航空摄影测量全过程的同时加强学生团队合作的意识。具体实施过程如下。

（一）理论实践

理论实践包括软件操作和程序设计实践。其中软件操作是采用VirtuoZo数字摄影测量系统，根据课程内容了解航空影像中航线、重叠度的作用以及影像内定向、相对定向、绝对定向、影像匹配等操作以及DEM、DOM、DLG成果，通过一系列操作实习，让学生能够对所学理论知识建立知识图谱，理解影像处理过程。另外，由于软件操作过程简单，学生无法深刻体会理论知识的具化过程，将内定向、空间后方交会、相对定向等操作采用编程的方式实现，让学生深刻地体会到理论公式在这些操作过程中的应用。

（二）虚拟仿真实践

虚拟仿真实践利用南方测绘公司开发的无人机虚拟仿真软件进行实践操作。主要进行两个方面的学习，一是无人机的认识和操作，该软件以大疆精灵4为原型，采用三维建模软件，将无人机从各个系统、零部件结构、模拟操作环境等比例真实还原。学生通过该平台可以了解无人机的主要硬件组成，并且能够正确组装无人机，并对无人机飞行姿态进行控制操作。二是借助虚拟仿真平台，学生可以了解无人机飞行高度与影像比例尺的关系、航线规划的要求、航拍的风力影响和时间影响、航线规划的要求、控制点的布设及测量等内容，使学生对无人机航空摄影的全过程有一个基本的了解，在学生熟悉软件操作的基础上，学生根据教师给出的测区范围及测图要求进入虚拟实验平台进行实践操作，虚拟平台针对操作过程给出评价，教师针对实驗结果进行讲解。

（三）真实场景实践

该实践过程分为外业和内业两个内容，其中外业是以小组为单位，利用大疆精灵4无人机系统和RTK以校园部分区域为任务测区进行像控点的布设和影像采集。影像数据的内业处理则包括：1.外业原始数据整理：重叠度的计算、影像清晰度的检查等；2.影像数据空三计算和三维模型的生成：利用ContextCapture软件对影像数据进行空三加密、控制点刺点、生成三维模型、生成正射影像等处理；3.三维模型的修饰及单体化建模：利用大势智慧公司的魔方软件对三维模型进行碎片删除、水面修整、道路置平、单体化建模等操作；4.DLG线画图制作：利用SmartGIS软件根据三维模型进行房屋、道路、水体、绿地等地物的采集，同时将像控点作为控制点图层展绘于线画图中，并于DOM影像进行配准，将线画图叠加到正射影像上。

四、实践教学的效果评价与反思

（一）教学效果评价

实践结果以报告形式提交，根据实习报告中反馈的信息可以看出：通过实践操作能够帮助学生巩固在课堂上学到的基本理论知识，加深对摄影测量基本理论的理解。尤其是模拟工程任务的真实场景实践，让学生熟悉了摄影测量的基本流程和处理方法，发现了理论知识在实际中的应用价值，同时提升了处理问题和团队协作的能力。

学生创新实践能力得到了提高，浙江水利水电学院测绘与市政工程学院学生连续在2022年和2023年的全国大学生测绘学科创新创业智能大赛——无人机航测虚拟仿真比赛中取得优异成绩；在大学生创新创业训练项目中也积极申报摄影测量三维建模相关的项目。真实场景实践是从2021年开始实施的，在2022届毕业设计选题中与无人机摄影测量和三维建模题目相关的学生有7人，而在2021届只有1名学生的毕业题目与无人机摄影测量有关。

通过该实践模式的培养，使学生对无人机摄影测量工作产生了浓厚的兴趣。根据毕业就业反馈意见，有部分学生在毕业时就考取了无人机驾驶证，已有多人从事无人机航测工作，学生到工作单位后能快速地参与到无人机外业数据采集和内业影像数据处理的工作当中。

（二）实践教学反思

1.理论实践的必要性

摄影测量理论比较成熟，摄影测量软件大多是以面向生产为主，对影像数据的处理主要包括解析空三、添加控制点和三维建模几个步骤，操作比较简单。因此，在理论教学过程中进行理论实践可以让学生对理论的应用有一个感性认识，同时程序设计的训练可以加深学生对基本原理的理解。

2.虚拟仿真不能完全代替真实场景实践

无人机虚拟仿真平台弥补了摄影测量外业实践内容的缺失，而且通过虚拟仿真平台学生可以详细地了解无人机的硬件组成及操控过程，可以直观学习航高对影像分辨率的影响，重叠度在航线规划中的作用等。但是与虚拟环境相比真实工作场景具有许多不可控因素，例如，飞行过程中电池电量不足、天气的变化、控制点的布设等都需要学生具有一定的应变能力。另外，摄影测量的实践内容具有较强的连续性，虚拟仿真平台只有航拍的模拟影像数据，不能满足摄影测量内业数据处理的需要。因此，虚拟仿真教学不能完全取代真实工作场景的训练。

结束语

本文从学生的发展和行业对人才的需求出发，以培养学生工程实践能力为核心，以提升学生职业竞争力为目标的实践教学设计理念，提出了“理虚实一体化”实践教学过程，通过加强三个阶段的实践教学，让学生构建自己对摄影测量基础理论的认知，学会如何“动脑”和“动手”，加深对课堂所学理论知识的理解，大大激发了学生学习摄影测量学的热情，使学生对摄影测量的用途也有了一定的感性认识，并初步培养了学生的生产能力。

参考文献

[1]叶欣，马福义，李巍.“摄影测量学”课程实践教学改革研究[J].教育现代化，2018，5（49）：81-82，126.

[2]张卡，生业华，韦玉春，等.新时代测绘工程专业摄影测量学课程实践教学模式改革研究[J].高教学刊，2021（30）：121-125，129.

[3]张丽，孙小荣，郭冰.摄影测量学流程化实践教学体系的构建与实践[J].2021（51）：125-128.

[4]罗显圣.无人机航空摄影测量模拟系统的应用[J].现代信息科技，2022，6（11）：193-195.

[5]陈时雨，牛继强，胡月.虚拟仿真技术在“摄影测量学”中的教学实践研究[J].黑龙江生态工程职业学院学报，2020，33（2）：128-130，142.

[6]段祝庚，陈丰田，岳雄，等.虚实结合无人机摄影测量实验教学改革与效果评价[J].实验室研究与探索，2021，40（10）：201-205.

作者简介：李爱霞（1977— ），女，汉族，河南鹤壁人，浙江水利水电学院测绘与市政工程学院，副教授，博士。

研究方向：摄影测量、遥感技术应用教学与科研。

何冰（1989— ），女，汉族，湖北荆门人，浙江水利水电学院测绘与市政工程学院，讲师，博士。

研究方向：地球参考框架。

基金项目：浙江省普通本科高校“十四五”教学改革项目（项目编号：jg20220637）；教育部产学合作协同育人项目（项目编号：220803776241944）；浙江省产学合作协同育人项目“高新技术下的测绘工程专业课程体系改革”。