虚拟仿真平台下摄影测量实践教学模式探索

邓兴升

（长沙理工大学 交通学院，湖南 长沙410004）

摄影测量技术具有成图快、效率高、适用于大范围地形测绘等特点，是快速、高效采集地球数据及其变化信息的重要技术手段。摄影测量学是测绘专业中一门理论抽象、实践性强、实践环节多的专业主干课程［1］。实验是教学活动的重要环节，实验教学和课堂理论教学相辅相成，让学生加深对理论的认识，同时通过实验培养学生的创新意识和科学严谨的作风［2］。测绘工程专业属于技术应用型专业，对学生实践能力的培养有很高的标准和要求［3］。教学实践环节对专业学习而言非常重要，但在现实教学环境中，摄影测量实践普遍遭遇困难。对于培养面向测绘工程技术人才的工科院校，相对于招生规模，航测实验设备不足、型号老旧，受经费及场地等资源制约，部分实验无法开展，且实验课时相对不足，实验内容相对较少。应用数字摄影测量软件进行实验比较方便快捷，但在整个操作流程中看不到各种功能的具体实现原理、过程。对于一些关键操作步骤，软件可全自动地完成其过程。因此即使学生熟练使用数字摄影测量软件，也不能帮助他们理解、掌握摄影测量基本方法和原理［4］。况且限于条件，数字摄影测量软件应用实验和学生上机实践也偏少。学生若集中去航测生产单位实习，可去的单位很少，而且生产单位业务繁忙无暇接待，出于数据及设备安全的考虑，只能最大限度地安排学生很短时间的参观实习。由于科技发展迅速，即使投入大量资金购买更新设备，仍然难以跟上现代技术的发展速度 设备大型且昂贵 实践缺乏设备支撑，学生学习了理论却难以通过实践巩固知识，缺乏实践导致动手能力低，也不同程度上影响创新能力的培养。本文针对摄影测量实践教学中存在的问题，提出了采用虚拟仿真技术进行摄影测量实践教学模式的创新。

1 虚拟仿真平台建设及技术手段

虚拟仿真（Virtual Reality，简称VR）技术，它是由计算机硬件、软件以及各种传感器构成的人工三维信息虚拟环境，可以逼真地模拟现实世界存在的事物，或创造不存在的事物和环境。它最早源于美国军方的作战模拟系统，20世纪90年代初逐渐为各界所关注并在商业领域得到发展。虚拟仿真涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等多个领域［5］。虚拟仿真技术有许多优势，已普遍应用于训练、教学领域。随着计算机、网络、信息技术等相关领域的发展，虚拟仿真技术大规模进入实验教学是必然的趋势［6－7］，促使教学观念发生巨大的变化。我校已建立虚拟仿真教学实验室和虚拟仿真Web服务平台，但仍处于建设初级阶段，大量实质性工作仍有待开展。虚拟仿真平台下摄影测量实践教学的研究重点是图像和数据分析处理，逐步推进虚拟仿真软件的研制。通过虚拟仿真技术，将基础知识和理论形象地表现出来，为学生提供更加直观的学习体验环境，帮助学生更好地理解课程内容，以达到良好的学习效果。

自20世纪90年代以来，计算机模拟正在成为科学和工程等许多领域内解决问题的主流方法，与理论分析、实验研究一起成为科学研究的三大支柱方法之一，基于模拟的工程和科学已经成为国家的核心竞争力［5］。建立虚拟仿真平台主要采用下述技术手段：

1）基于美国NI公司图形化编程语言Lab－VIE W的动态显示功能和Matlab／Si mulink仿真开发工具功能而构成仿真平台［8］，融实例显示和仿真分析为一体；

2）采用国产仿真语言Si mu Log（Si mulation Log）［9］进行通用仿真；

3）采用VRML编程语言进行场景建模，以3DS MAX辅助建模［10］；

4）通过NET技术结合三维多媒体技术，构成基于Web的虚拟仿真平台［11］；

5）FLASH平台与VR技术相结合的方法［12］。

其中美国Matlab／Si mulink应用范围最广，它既是一个通用的仿真软件 也包含专门针对各个行业的不同工具箱。Matlab提供强大的矩阵运算功能和丰富的工程计算领域工具箱，是应用最广泛的仿真软件，其处理数据和图像的能力十分强大，较适合摄影测量图像与数据处理。Si mulink是一个可视化的图形仿真环境工具箱，能够轻松实现系统设计。摄影测量虚拟仿真实验主要基于Matlab／Si mulink仿真工具研发，以Matlab编写算法程序，以Si mulink搭建数据处理流程框架，已实现部分功能模块。

2 摄影测量虚拟仿真实践的主要内容

使用数字摄影测量软件侧重结果而不是过程，无助于学生理解掌握基本原理，因此采用虚拟仿真技术建立实验环境的过程中，应能体现关键步骤的算法流程，强调结果的同时更注重中间过程实现的可视化。虚拟仿真强调原理与算法的实现过程，可人机交互，模型算法可视，数据输入输出可控，这与数字摄影测量软件有着本质的不同。摄影测量的实验内容主要包括：像对立体观察、像点坐标量测、单片空间后方交会、立体像对前方交会、立体像对定向与解析、解析空中三角测量、区域网平差、核线影像匹配、航片判读与调绘、4D产品生产、三维景观图生成等。在理论教学中，一些较抽象的理论知识如外方位角元素三套转角、像点位移、像片纠正等，若能采用形象的图形模拟展示其过程，学生对这些抽象概念的理解无疑会大大增强，并牢固掌握相关知识点。受制于有限的教学硬件设备，基于虚拟仿真方式，以数据获取、处理流程、算法模型、程序、绘图为主，根据摄影测量技术特点设计可操作性强的虚拟实践项目，是虚拟仿真实践研究的主要目标。

在现代摄影测量技术迅猛发展的大背景下，为了使测绘专业摄影测量课程的实践教学与新技术的发展和应用相适应，还需深层次地探讨实践课程的体系设计、实习实践环节和施教方式等问题，并提出相应的实施方案。在教学内容组织、实验项目选择上，有明确的针对性和明确的培养目标。随着测绘科学与技术的蓬勃发展，摄影测量有许多创新性研究成果，例如无人飞机摄影测量技术、近景大倾角摄影技术、微波雷达技术等。为了开阔学生的视野，培养学生的研究创新能力，可将实践内容进行适当的扩展，让学生能够跟踪摄影测量技术发展的前沿水平，其目的在于培养应用型和研究型复合人才，为以后从事工作和科研打下坚实的基础，使本科毕业从事工作的学生具有较强的科研能力 摄影测量虚拟仿真实验项目的建设与实施，最终要落实到虚拟仿真软件的研发和相关课件的建设，以及在教学实践中逐步应用、改进，并趋于完善。

3 摄影测量虚拟仿真实践教学的意义

摄影测量技术应用领域非常广泛，其用途虽以地形测量为主，但已扩展到许多领域。在灾害风险监测与管理方面，灾害监测、风险区划、损失评估、灾害管理和辅助决策的全过程均需要摄影测量技术；在资源调查与管理方面：土地资源、矿产资源、水资源、森林资源、农业资源、海洋资源等资源的调查都离不开摄影测量技术的支持［13］。在大数据时代，百分之八十的数据来源于空间［14］，除大飞机摄影测量数据外，无人机和近景摄影测量技术可提供高分辨率、多视角的影像数据，为摄影测量技术拓宽了更大的发展空间。摄影测量的发展变化对教学、科研、生产均产生了深远的影响，而实践环节是制约摄影测量教学效果的瓶颈，脱离生产实际的纯理论教育是没有意义和生命力的［15］。虚拟仿真是新兴的技术平台，在该平台下进行摄影测量实践教学模式创新研究，其研究意义体现在全面提升实践教学质量，摆脱空有理论教学而实践环节不足的窘境，巩固理论知识教学效果，培养提高学生实践动手能力和学习兴趣，提高学生的综合设计、研究创新和工程实践能力。

4 结束语

摄影测量虚拟仿真实践教学模式研究，是一项长期的综合系统工程，没有现成的经验可供参考，需经过漫长的摸索和不懈的努力，任务还十分艰巨。在虚拟仿真实践平台的建设过程中，需结合测绘工程专业的特点，踏实地制定实践建设规划，逐步推进实践教学虚拟仿真软件的研发，不断使用、改进、完善仿真软件，逐渐在理论与实践教学中推广应用。强化虚拟仿真实践教育，注重工程实际应用，更新实验教学内容，引导学生自主结合理论与实践进行学习，提高创新能力，为培养高素质的“卓越测绘师”奠定扎实的基础。实践表明，一个好的实验模式能在教学中取得良好的效果，学生表现出很大的积极性和热情，主动去图书馆、资料室、互联网查阅资料，大部分学生反映学习的目标性强了，理论知识的掌握更加深刻 有条理 自学能力和创新能力也得到了提高。

［1］ 袁修孝．“摄影测量基础”课程的创新教学尝试［J］．测绘信息与工程，2008（5）：47－49．

［2］ 成晓倩，韩瑞梅，王双亭．摄影测量学的教学改革探讨与实践［J］．测绘科学，2015，40（1）：126－128．

［3］ 金侠杰，林财兴．虚拟现实及其在网络中的实现［J］．计算机仿真，2003（10）：8－10．

［4］ 汪志明，许才军，张朝龙，等．信息化测绘下测绘工程专业人才培养的探讨［J］．测绘工程，2014，23（6）：75－76．

［5］ 叶勤，关泽群，邵永社，等．测绘工程专业摄影测量学实验教学改革探索［J］．测绘通报，2010（6）：74－77．

［6］ 马天辉．利用虚拟仿真技术激发学生科学研究兴趣［J］．中国科教创新导刊，2013（4）：173－177．

［7］ 张正健，赵秀萍，陈蕴智，等．构建虚拟仿真实验教学平台培养创新应用型人才（上）［J］．印刷杂志，2014（3）：59－61．

［8］ 李欣欣．虚拟实习的研究与探索—以钢铁生产全流程虚拟仿真平台为例［J］．高教高职研究，2014（29）：154－155．

［9］ 郭一楠，程健，陈颖．基于Lab VIEW和MATLAB的过程控制虚拟仿真平台研究［J］．电气电子教学学报，2006，28（2）：61－64，82．

［10］杨叶平．基于Simu Log语言的水电站仿真平台研究及实现［D］．北京：中国水利水电科学研究院，2013．

［11］张岩．基于VRML的虚拟仿真仪器分析实验室的设计与实现［D］．南京：南京理工大学，2013．

［12］周成纲．基于Web的虚拟仿真实验课程平台设计［J］．科技广场，2013（3）：58－61．

［13］余加勇．土木工程测量课程优质教学资源建设与教学改革探索［J］．测绘工程，2014，23（1）：78－80．

［14］江畅，杨立君，高建．基于多元智能理论的测量学实验教学改革［J］．测绘工程，2015，24（1）：78－80．

［15］张兵，赵旭阳，贺军亮，等．对普通高校摄影测量与遥感专科专业培养方案制定的探索［J］．石家庄学院学报，2010，12（3）：122－126．

［16］石雪冬，黄杨．高职高专摄影测量与遥感教学新思考［J］．广东水利电力职业技术学 院学报，2014，12（1）：53－56．

［17］杨化超，邓喀中，张书毕，等．测绘工程专业“摄影测量学”课程教育的实践与思考［J］．测绘科学，2005，30（2）：107－109．