现代摄影测量新技术对摄影测量学课程的影响及对策
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作者: 王淑晴,彭军还,李淑慧
摘要：近年来POS、无人机、LIDAR、海量数据处理及并行计算等技术在摄影测量领域应用日趋广泛。新技术的应用使地球空间数据的采集、处理、表达和应用等各个层面都发生了很大的变化。如何使高校测绘工程专业摄影测量学课程的教学与新技术的发展和应用相适应，本文对课程的体系设计、教材选择和施教方式等方面进行了分析，并探讨了相应的对策。
关键词：摄影测量学；课程改革；课程体系
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2012）04-0067-03
进入21世纪，随着各种新型传感器及相关技术的进步，摄影测量的理论与技术也迅速发展，进一步扩展和完善了20世纪90年代开始的全数字摄影测量的实际应用范畴。这种发展变化将对整个摄影测量的教学、科研、生产产生极其深远的影响。相对于现代摄影测量技术的迅猛发展，高校测绘工程专业的摄影测量学课程从课程体系结构、教材、实习等各个环节都落后于摄影测量技术的发展，如何在新形势下从课程的体系结构、教材选择及实践环节进行改革，是一个值得深入探讨的问题。
一、现代摄影测量新技术及发展
1.数字传感器。随着全国数字城市、城市地理信息系统的建立和推进，对地球空间数据的数量和现实性都有较高的需求。全数字摄影测量是快速获取对地观测数据的有效手段，而数码航摄仪的应用，使航空摄影测量数据的获取更加便捷，摄影测量的数据采集方式将从胶片时代向数字时代方向发展。目前，在我国常用的数码航摄仪有推扫式航摄ADS40/80，框幅是航摄仪DMC、UCD/UCX、RC30、SWDC等，应用已经比较成熟，在很大程度上取代了传统的航摄仪，虽然与传统的航摄仪相比，数码航摄仪存在畸变系数大，航飞前需进行航摄仪参数的检校，而且其像幅较传统的胶片式相机小，在同等条件下需要的地面控制点较多等不利因素存在。但是，数码航摄仪也有它不可比拟的优势，在采用先进的对地定位手段后，可以减少对地面的依赖，数码航摄仪在大规模产业化应用方面具有广阔的前景。
2.机载POS。数字传感器的发展对摄影测量对地定位技术提出了新的要求。基于DGPS/IMU集成的POS技术可获取飞机的空间位置和姿态信息，实现航空影像的直接地理定位。目前已推出商用POS系统，从实践应用看，引入POS观测值，利用少量地面控制点，甚至不用地面控制点，通过直接定向或集成定向数据处理方法获取定向结果，与传统的空中三角测量方法精度相当。
3.无人机低空摄影测量。21世纪初，由于无人机低空摄影测量具有快速、成本低、操作简单、适合于在危险区域空中监测和救援指挥等特点，已广泛应用于军事和民用的相关领域。目前，无人机主要用于土地利用动态监测、矿产资源勘查、地质环境与灾害监测、地形图更新与地籍测量、海洋资源与环境监测以及农业、林业、水利、交通等部门。尤其对车船无法到达地带的环境监测、有毒地区的污染监测、灾情监测及救援指挥等突发事件中，无人机低空摄影测量具有快速响应、实时勘查的独特优势。
4.机载激光扫描LIDAR。机载激光扫描系统通过接收反射激光束可以获取地表、植被及人工建筑物等的高程信息，经处理后可获得测区的DEM/DSM，这些模型数据可用于国土资源调查、洪水等灾害的监测评估及城市三维景观重建等领域。在这些过程中获取的DSM可用于后续真正射影像的处理和生成。
5.数据处理技术。目前，在国内应用较多的全数字摄影测量软件，有武汉适普公司的VirtuoZo和中国测绘研究所的JX4，两套软件各有所长，在国内外享有盛誉，在生产单位及科研教学方面得到了广泛的应用。但就目前的处理来说，对于越来越大范围的航摄区域来说，数据量剧增，而且需要的处理时间也在缩短，在这种情形下，高性能计算集群、并行处理、网络技术的发展为数字摄影测量的处理提供了物理基础，由此产生了DPGrid、Factory Pixel等能处理大数据量的软件系统和工作站。这些处理软件基于网络的方式，能处理超大数据量的卫星影像和无人机数据等，而且在数据处理过程中提出了很多新的概念，如相似性匹配、三维空中三角测量，同时也生产了一些新的产品，如DSM、真正射等。在数据处理技术成熟后，可以较容易的获取数字表面模型，从而可获取真正的射影像。机载POS系统在摄影同时准确获取像片的空间位置和姿态参数，这些参数的获取给数字摄影测量带来了深刻的影响，基本上可以免去地面工作，简化和加速影像定向和定位工作，导致部分摄影测量的算法，甚至是整个作业流程都面临新的改进。数码航摄仪没有压平误差、颗粒噪声等误差源，其数字影像的质量、匹配的质量、测绘精度多优于胶片影像。当今的航空数码相机，其相对定向与模型连接的精度可达2~5um，普通的非量测数码相机用于近景摄影测量时其精度可达到1/10000。
二、对课程的影响
摄影测量学是测绘工程专业的一门专业主干课程，该课程覆盖的知识范围广、内容多、概念抽象、数字公式多，而且受学时所限，授课时间较短，给教师教学和学生实习都增加了难度。在现有的教学条件下，现代摄影测量新技术的发展对现有摄影测量学课程教学提出了更高的要求，在很大程度上影响着高等院校测绘工程专业的摄影测量学课程的教学。从课程体系上看，原有的体系结构偏重于对摄影测量的基本原理和理论的阐述和分析，甚至有些课程体系中还包括了解摄影测量的较多内容，在课程体系中过于偏重对传统理论的讲述和理解。在实习实践环节，目前的软件主要涉及VirtuoZo和JX4，这些软件都基于传统的摄影测量理论进行数据处理，对于使用航空摄影测量方法提取高精度密集数字表面模型和生产正射影像的理论与技术、利用POS数据进行直接地理定位技术与流程、实时空中三角测量等新技术，在传统的摄影测量软件中都没有相应的体现。学生没有相应的实习软件或实习环节可以学习新的技术与方法。
三、相应的对策
新技术的发展不但影响着摄影测量的应用，也影响着摄影测量课程的开展。摄影测量新技术不仅在整个课程体系中影响着课程体系内容的安排，而且对于学生对传统摄影测量的认识理解有着重要的影响。如何在有限的课时内把摄影测量的基本概念和理论讲授清楚，同时又能将新技术贯穿于其中，使学生既能很好地掌握摄影测量学的理论与实践，又能紧跟摄影测量学的发展方向，是值得探讨的问题。
1.构建以新技术为核心的课程体系。POS等新技术不仅对摄影测量学课程的内容产生了影响，对整个课程体系的构建也产生了影响。改革课程的体系结构，构建以新技术为核心的课程体系，是新形势下摄影测量学课程改革的一个重点。改革课程体系，在原有的以传统摄影测量基础理论为核心，4D产品生产为主要技术流程的基础上，应着重加强基本原理及其内在联系，在原有体系中增加新的技术理论，适量简化教学推导，强调新技术与传统技术的融合与异同。优化课程教学体系结构，精选教学内容，重点安排中心投影的几何知识，突出空三的理论与方法，充分体现航空摄影测量高精度定位技术的发展趋势，着力强调实践教学环节，以少而精的原则构建新的课程体系结构：航空摄影、航测外业、航测内业。如在航摄仪部分增加数码航摄仪知识及对后续处理技术的影响；空三部分对新出现的实时空三进行分析，对POS数据辅助空三的理论与方法进行讲解，比较与传统方法的异同点；加入新的DSM的概念，提取原理及对后续正射影像产品的影响；数字摄影测量部分加强对匹配算法的理解和数字产品的生成。在新的课程体系中突出新技术对摄影测量的影响，包括理论和算法以及生产流程上的影响。
2.改革教学内容及教学方法。为适应当前摄影测量新技术的发展及新的课程体系改革需要，在教学内容上，应着眼于内在理论体系的联系，加强对基本概念、新的算法、模型的理解和掌握，了解新技术对现有产品生产流程的影响。在增强数学分析严谨性的同时适量简化教学推导，强调对数学公式内在物理意义的理解。
3.改革实践环节，增强动手能力和创新能力。摄影测量是一门实用性和实践性极强的课程，实践环节对学生思维方式和动手能力的培养具有重要作用，是课程教学改革系统工程中重要的一个环节。在现有的实践环节，目前主要以常规摄影测量软件VirtuoZo、JX4等为主，对教学中涉及的摄影测量理论与技术进行实践。对摄影测量新技术如并行计算、网格技术、海量数据处理技术、非量测相机的空三模型、高精度密集数字表面模型自动提取技术、真正射影像自动纠正技术以及POS辅助空中三角测量、自动实时空中三角测量等技术来说，一般的测绘工程专业实验室很难购进最新的仪器设备和相应的软件为学生提供相应的实践环节。因此，在实践教学中，要以摄影测量产品的生产流程为主线，减少如立体镜观察等仪器设备的演示性、验证性实验，加强与新技术相关的设计性、综合性实验。在条件许可的情况下，可增加专门的课程设计时间，结合实际工程项目，开发软件平台进行计算机仿真实验，将POS直接定位方法、无人机数据处理技术、海量数据并行处理、数字表面模型提取和真正射影像纠正等新方法和新理论融入实践环节进行课程设计。在实践条件较好的学校，可增加POS实习参观、无人机数据处理和海量数据并行处理参观等环节，促进学生对新技术的感性和理性认识，提高学生的创新能力和解决问题的能力，通过对新技术的了解激发学生的学习兴趣，了解新技术发展的前沿动态，掌握新技术与传统技术的渗透融合及思路和方法。
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基金项目：本研究得到北京市“特色专业”项目和中国地质大学（北京）“卓越工程师培养计划”项目支持
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