“数字摄影测量”课程教育思考与基础实习方法探索

许志华，崔希民，杨可明，袁德宝，孙文彬

(中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京 100083)

数字摄影测量学是摄影测量学的分支学科，基于数字影像与摄影测量的基本原理，应用计算机技术、数字影像处理、影像匹配和模式识别等多学科的理论与方法，可提取所摄对象的几何与物理信息[1]。随着社会对测绘类人才需求的增大，众多高校如武汉大学、同济大学、中国矿业大学(北京)等都开设了“数字摄影测量”课程，并作为测绘类本科生的一门重要的专业课程。

国内外有关数字摄影测量的专著已有很多，如《数字摄影测量学》《数字摄影测量新技术》《数字近景工业摄影测量理论、方法与应用》等，这些论著均在某方面反映了数字摄影测量的主要内容和发展现状，但是针对本科生教学，该类著作则存在内容过多、信息冗余、缺乏应用案例、现势性较差等问题。张祖勋院士的《数字摄影测量学》为国内高校测绘类学生首选的一本经典教材，内容涵盖了从模拟摄影测量经历解析摄影测量到数字摄影测量的全部内容，但缺乏对数字摄影测量学与计算机视觉学科中的相通、互补内容的介绍，如用户级相机采集影像的畸变、相机自标定方法，以及无人机摄影测量在工程生产中的问题等。然而，随着计算机视觉理论与数字摄影测量学科的交叉融合，上述内容正引起业内广泛关注，相关理论和技术的发展正在影响着行业生产模式的改变，亟待补充相关的教学内容，与时俱进。

从教学模式上，大多数高校仍以传统教学与多媒体教学相结合为主，而较少涉及启发式或探究式的教学方式或涉及的深度不够；此外，大多数教师仍不能很好地将教学和科研进行有效结合，不能很好地将科研中的前沿知识与课程内容进行融合，导致学生接收到的知识具有滞后性。在基础实习环节，大多数高校仍以传统数字摄影测量软件为主，如VirtuoZo，该类软件对相机要求高，处理复杂[2]。此外，近些年各类新型传感器，如便携式倾斜相机、多光谱相机等，日新月异，发展迅猛；影像获取平台，如低空无人机、移动测量车等飞速发展，使获取高分辨率多视影像变得廉价、便捷；相应的影像处理软件层出不穷，如Agisoft Photoscan[3]、Pix4D mapper[4]、Sart3D Capture[5]和PixelGrid[6]等，这对数字摄影测量的基础实习提出了新的要求，亟需引入新型的实习方案，更好地解决当前数字摄影测量应用中的问题。

综上，数字摄影测量课程存在着教学内容单一、交叉性不强、探索性较差、基础实习现势性不强等问题，易导致教学深度不够、学生积极性不高，且难以很好地解决实际工程中问题的现象。因此，本文针对笔者所在院校遥感科学与技术的本科生，将探索数字摄影测量学的课程教育方法，改进基础实习内容，以此提升学生认知水平和技术能力，使其更好地适应社会需求。

1 课程教育思考

1.1 优化课程体系，完善教学内容

笔者所在院校遥感科学与技术专业在数字摄影测量课程之前已开设摄影测量学专业课程。该课程注重航空摄影测量知识，即注重于由相机平台位置、姿态信息建立像素坐标与地面坐标之间的投影关系；而数字摄影测量可以理解为摄影测量学的逆向过程，即通过多视影像中同名像素之间的关系恢复相机位置、姿态及地面三维坐标的过程。虽然上述两门课程在教学内容上具有一定的差异，但两者之间存在紧密的联系，如航空摄影中的共线方程及其相对定向理论可以解决数字摄影测量学中的冗余影像盲匹配问题[7-8]，以及两者采用通用的平差模型等。因此，可结合教学重点突出两者之间的区别与联系，明确本课程的教学定位、理论特点和应用背景，有的放矢，将达到事半功倍的效果。

1.1.1 避免重复教学

在课程设置中删掉了摄影测量学3个主要发展阶段直接的区别和联系；删掉了“内定向”章节，简化了空中三角测量相关的理论教学，避免了重复教学的问题。

1.1.2 补充前言知识

面向经济社会发展需求，瞄准专业发展前沿，借鉴国内外课程改革成果，补充前言知识，完善教学内容。因此，在教学内容上增加了用户级数码相机的畸变[9]、模板相机标定[10-11]、计算机视觉理论中的相机自标定原理[12]，阐述了制约数字摄影测量发展的关键问题，如纹理特征提取[13]、冗余影像的盲匹配[7-8]、迭代平差[14]等，增强了理论教学的广度和深度。

此外，计算机视觉理论及算法飞速发展，开源了大量的数字摄影测量系统和有益代码，极大地丰富了数字摄影测量的教学资源。因此，在教学过程中，可以充分利用计算机视觉方面的素材进行示例说明，并以此为契机构建该学科与数字摄影测量、航空摄影测量等学科的交叉教学模式，并以航空遥感影像、无人机遥感影像为数据基础进行案例教学。

1.2 构建新的教学模式

(1) 提高传统教学与多媒体教学的效率。充分发挥教师讲授的主导作用，把握教学的重点和难点，在较短的时间内有计划、有目的地传授给学生，较快达到教学目的；利用多媒体教学的直观性、多样性、生动性的特点，激发学生兴趣，提高教学效率。

(2) 大胆尝试启发式教学模式。在多样的教学方法中，增强教师与学生的互动；确立以学生为主体的观念，引导学生积极地参与到教学活动中，鼓励学生大胆提出问题，积极发表自己的看法[16]。如针对“如何利用新型传感器数字摄影测量生产4D产品”展开启发式教学，通过教师与学生之间的相互问答，由浅入深，层层切入，达到解决问题的效果。

(3) 探索以课题为驱动的引导式教学。在传统教学中，学生对硬性的接受知识存在一定的排斥心理，导致学生对课程的认识深度不够，甚至厌学或弃学。相反，若能让学生参与到教师的相关在研课题中，进行任务驱动和知识需求驱动的教学模式，则能大大激发学生的积极性和求知欲望，进而引导学生进行开放式和创新式学习。

2 基础实习新型教学探索

传统数字摄影测量基础实习多采用VirtuoZo专业软件[17]，对相机要求高，数据处理复杂。随着无人机等移动平台的快速发展，以及数字摄影测量与计算机视觉学科的交叉融合，基于非量测相机的测绘生产应用越来越广泛，这对基础实习的教学提出了新的挑战。对此，笔者基于一种新型数字摄影测量系统Agisoft PhotoScan和地理信息系统ArcGIS开展基础实习教学，并摸索和总结了一套上机操作流程(如图1所示)，效果较好。该操作流程包括数据准备、相机预标定、特征提取与空三加密、致密点云生成、DSM和DOM生产、点云滤波、三角网构建与DEM生产等。

图1 数字摄影测量基础实习技术流程

2.1 实习数据

本文以无人机影像数据处理为例，进行数字摄影测量基础实习介绍。研究区位于吉林省长春市九台区东部，经纬度范围为44°13′N—44°16′N，126°5′E—126°9′E，地物类型包括植被、裸地、道路和民房，各类地物呈集聚性分布。试验搭载SONY DSC-WX220数码相机，采用固定翼自主飞行模式，共获取43张影像，分辨率约为2 cm，航向、旁向重叠度分别为70%和50%。

2.2 数字摄影测量数据准备

数字摄影测量所需数据包括：

(1) 多视序列影像：具有一定重叠度的多角度影像集。以无人机影像为例，通常设置航向重叠度为60%～80%，旁向重叠度为40%～60%，以保证影像匹配的稳定性。此外，影像纹理越单一，地物类型越简单，要求重叠度越高，反之则反。

(2) 飞控数据：摄影曝光时刻影像的位置和姿态信息。其中，位置记录形式为WGS-84坐标系下的经度B、纬度L和高程H；姿态角为IMU本体坐标系在导航坐标系中的侧滚Φ、俯仰Θ和偏航Ψ。若要获取地摄坐标系相对于像空间坐标系的外方位角元素(ψ，ω，κ)，需进行坐标变换[15]。

(3) 控制资料：一定数量(>4)均匀分布在测区内的地面控制点，用于空三加密的绝对定向。

2.3 相机预标定

利用Agisoft Lens[18]软件完成相机预标定。该模块集成基于格网模板匹配的相机标定方法，通过对比不同视角影像中格网在水平、垂直方向的差异，估计相机的径向和切向参数，主要步骤包括：

(1) 捕捉校准照片：显示棋盘格图片，从不同角度等焦距拍摄校准照片(大于等于3张)。

(2) 加载照片：加载待校准照片，软件支持JPEG、TIFF、PNG、PPM和BMP等图像格式。

(3) 检核照片：为了获得良好的校准，删除畸变较大、模糊度高的照片。

(4) 相机标定：获得相机标定结果报告，包括水平和垂直焦距(分别记为fx和fy，单位为像素)主点坐标(cx，cy)、径向失真系数。

2.4 特征提取、匹配与空三加密

获得相机标定参数后需进行影像特征提取与匹配。这部分内容是数字摄影测量中的关键内容，通过计算点特征的相似度来寻找重叠影像中的同名特征；完成同名特征匹配后，在重叠影像中手动标记地面控制点，并输入相应地面坐标，进而进行空中三角测量，生成测区的稀疏点云，包含空间位置(X，Y，Z)和彩色信息(R，G，B)。除此之外，还可以获得相机曝光的位置信息(X，Y，Z)。该步骤可通过PhotoScan的“Align photos”模块执行，该模块采用了并行技术，处理速度快；生成点云精度(密度)从低到高分5个等级，相应耗时依次增加，试验结果如图2所示。

图2 稀疏点云生成结果

2.5 点云加密

重建得到的稀疏点云的密度一般较低，不能很好地表达完备地物信息，需要进行点云加密。PhotoScan软件中，集成了多目立体视觉算法模块(patch-based multiple view stereopsos，PMVS)[20]，在稀疏点云的基础上，通过计算稠密点匹配关系，构建稠密匹配特征点集。在PhotoScan中选择“Build Dense Clouds”执行点云加密步骤，得到试验结果如图3所示。同上，生成点云的精度(密度)从低到高分5个等级，耗时依次增加。

图3 点云加密结果

2.6 DSM与DOM生产

数字表面模型(DSM)是制作正射影像的基础。在PhotoScan中DSM的生产直接将致密点云生成不规则三角网格即可，网格中可能包含地表建筑物，桥梁和树木等高度的地面模型。数字正射影像(DOM)是在DSM的基础上成产的另一种数字化产品，利用DSM可以对拼接后的影像进行数字微分纠正，消除地形起伏导致的影像畸变。利用“Build DEM”和“Build Orthomosaic”可以生成测区的DSM和DOM，结果如图4、图5所示。该模块没有经过点云滤波，构建的DEM实为DSM。

图4 DSM生成结果

图5 DOM生成结果

2.7 DEM生产

针对地学应用的多样性，获取高精度的三维地形信息，如DEM对于地学应用具有重要的作用。与DSM产品相比，DEM刻画地表，需在DSM的基础上滤除地物，进而为大尺度的正射影像生产提供地形参考。DEM生产仍以前文中的致密点云为输入，包括如下操作步骤：

(1) 借助第三方软件，如CloudCompare[19]等，进行点云滤波处理，获取三维点云的非地面点与地面点。

(2) 将得到的地面点云导入ArcGIS软件，通过插值、重采样等操作后构建不规则三角网(TIN)。

(3) 将以上TIN转换为栅格数据，生成栅格形式的DEM，如图6所示。

3 结 语

本文面向全国高校测绘类本科生，总结了当前数字摄影测量课程教育存在的主要问题，并对教学方式改革进行思考和建议；探索了一套基于新型数字摄影测量系统的数字摄影测量基础实习技术流程，并以吉林省长春市九台区东部流域的无人机数字摄影测量为例，详细阐述了基础实习的基本步骤，验证了基础实习方案的有效性。

图6 DEM生成结果