立足专业发展的“摄影测量学”课程教学改革

李雪瑞　纪兵　管冬冬

摘  要：摄影测量学是一门重要的专业基础课程，本文立足于火箭军工程大学专业人才培养计划和部队岗位任职需求，分析了课程的主要特点，针对课程教学中存在课程内容繁多、专业发展迅速、实践项目单一等主要问题，从教学内容、教学方法、实践教学三方面入手，研究探讨了具体的改革措施，梳理了课程的教学内容主线，同时引入学科知识新理论和技术作为拓展，课堂上遵循循序渐进、逐步深入的原则，采取问题引导式、任务驱动式、翻转课堂等教学方法，激发学生学习兴趣，化解学习疑难问题，为学生尽可能创造优质的实践环境，实现专业理论和实践技能的有效融合，从而有效地提升教学效果，培养新时代的高素质专业人才，满足部队人才需求。

关键词：摄影测量学;教学改革;教学内容;教学方法

中图分类号：G642.3    文献标识码：A    文章编号：1673-7164（2022）05-0161-04

摄影测量学是利用摄影机来获取地面物体的影像，并对像片进行处理与分析，解译地物特性和输出成果的一门科学技术。摄影测量学是火箭军工程大学本科生目标工程专业的一门专业基础必修课程，主要利用像片研究被摄物体的形状、位置、大小、特性及相互位置关系等内容[1]。课程培养学生掌握摄影测量基础理论，熟悉摄影测量的基本原理与作业流程，为其从事目标分析、任务规划以及精导保障工作夯实专业理论基础。

一、摄影测量学现状

（一）历史沿革

摄影测量学以前是火箭军工程大学火力指挥与控制工程专业（测地方向）的一门专业选修课程，通常开设在大四学期。培养目标主要为火箭军测地分队的测绘保障岗位，承担部队测绘保障、道路近景摄影测量作业等任务。随着火箭军新型导弹武器的作战需求和院校专业调整，课程成为目标工程专业的一门专业基础必修课程，开设在大二下学期，主要培养火箭军目标保障方面能够从事目标整编、目标效果判定、情报保障等作战保障岗位的专业化新型军事人才。

（二）课程特点

摄影测量学课程是以高等数学、工程数学、测量平差为基础，综合利用像片成像技术、定向原理、构像方程等技术解决地面三维模型建立问题的技术科学，是目标判读、目标整编、目标选择与打击的先导课程。与一般专业课程相比，直观形象的视觉可视化深受学生的欢迎，但抽象复杂的空间关系在某些程度上影响了学生的积极性。课程的教学效果直接影响到学生的学习兴趣和学习效果，课程内容的掌握程度也直接影响学生对后续专业课程的学习和岗位任职能力，为此，针对专业发展和部队需求，实施课程教学改革势在必行。

二、课程教学存在的问题

（一）知识内容繁多

在内容安排上，摄影测量学主要涵盖传统的航空摄影测量的经典理论和现代数字摄影测量的基础知识，其中经典摄影测量是主要讲述包括单张像片的解析基础、立体像对的基本知识和摄影测量作业理论等内容;数字摄影测量主要包括特征提取、影像匹配、数字微分纠正等内容。每部分教学内容设计基础概念比较多，例如在单张像片解析基础里，透视变换涉及3个特殊面、7条特殊线、9个特殊点，每次讲到这里，学生都极易混淆概念，产生迷惑情绪。而关于物点和像点的位置描述，建立的坐标系有像平面坐标系、像空间坐标系、摄影测量坐标系、地面辅助坐标系等7个坐标系，对于初次学习专业课程的大二学生来说，其空间想象能力不足，着实加大了對概念理解的难度。

（二）专业发展迅速

摄影测量学是一门应用非常广泛的学科，结合图像处理、计算机视觉和人工智能等学科技术，已被广泛应用于智慧城市、人脸识别、目标检测等各个领域，相关学科领域也产生了一些新型的技术和相关算法，如激光雷达摄影测量系统、车载移动测图系统、可量测实景影像系统。摄影测量学学科的发展也衍生有数字摄影测量学、遥感学等学科。目前，院校本科专业的摄影测量学课程教学采用的教材主要有解放军信息工程大学张保明教授编写的《摄影测量学》和武汉大学王佩军教授编写的《摄影测量学》，两本教材对传统的解析摄影测量和模拟摄影测量诠释的比较完整，但缺乏一些新型的技术和算法，为此，教师授课中应加入专业相关的知识内容。

（三）实践项目单一

专业课程教学的目的是学以致用。摄影测量学是一门实用性很强的专业基础课，学生在掌握理论知识的同时，实践环节必不可少。针对课程特点，鉴于实验室条件限制，传统的课程实践教学安排以程序设计为主，如单像空间后方交会、立体像对前方交会等算法的设计和实现。编程实践在一定程度上巩固了学生对所学理论知识的理解和记忆，但形式过于单一，与部队的目标专业人才需求严重脱节，也与地方的摄影测量作业模式脱节。改革实践教学过程中，可突出以工程实际应用为主[2]。

三、课程教学的对策措施

为了提高课堂教学效果，达到专业人才培养的目的，满足部队的实际需求，针对摄影测量学课程教学中存在的问题，教学团队提出了以下几点优化措施。

（一）精心梳理内容，拓宽教学思路

摄影测量学教材内容囊括了经典的摄影测量知识，涉及少部分数字摄影测量内容，还需与学科发展保持一致，内容需要及时更新，达到与时俱进。但限于各种原因，课程学时数仅为40学时，想在有限的时间里，将经典知识和最新热点都传授给学生是不现实的。为此，教师应该具备统筹规划的能力，汲取经典知识的内容要点和方法精髓，拓展现代摄影测量新技术，精心梳理章节内容。

在框架设计上，围绕从摄影原始像片恢复为数字三维模型这一主线，设计了单张像片解析、立体像对解析（双像解析）、空中三角测量（多张像片解析）三大方面的框架。对于经典的单像空间后方交会和双像前方交会以及相对定向和绝对定向等知识点，重在理解和掌握这些方法的主要思想。针对复杂的概念和琐碎的知识点，教师需要进行归纳比较、分析总结，重在梳理思路和方法。整个课程内容虽然抽象繁多，但究其本质，主要是围绕“三点、一线、一面”来展开的，三点即“物点、像点、摄站点”，一线即“核线”，也就是三点所在的直线，一面则是“核面”，即不同摄站点对同一物点拍摄时产生的光线（核线）在一个平面上，也即摄影测量的共线方程和共面方程构成了地面和像片之间各元素的几何关系所在。再例如，单像空间后方交会和双像前方交会之间，初学者分不清这两个概念存在何种区别，二者分别已知什么数据，需解算哪些元素，输入数据有哪些，输出数据是在什么坐标系下的等等一系列问题。此时，教师必须充分发挥引导作用，从空中像片、地面元素分别阐述并相互结合，引导学生从各方面进行对比分析，以使学生明确掌握概念并达到灵活运用的目的。

在经典摄影测量知识的基础上，结合专业发展和实际需求，为学生拓展现代摄影测量的新型技术和研究成果。将数字影像的数字化表达、特征提取、影像匹配（灰度匹配、最小二乘匹配、特征匹配）[3]、数字高程模型等应用广泛的主要知识以及遥感影像的基本成像原理和主要影像处理方法（图像融合、图像增强等），视情适时地引入课堂，作为拓展知识提供给学生，为学有余力的学生搭建一个高层次的认知梯级，以便为其后续继续钻研该学科储备知识。另外，教师需要及时关注相关学科的最新进展和研究成果，例如人脸识别、目标检测、目标分类等人工智能算法，从而更好地激发学生的专业兴趣和研究热情。

（二）改革教学方法，化解学习疑难

实施过程中，首先，教师要积极发挥教为主导的教学理念。教师要有效地发挥引导作用，总体上把握循序渐进、逐步深入的基本原则。围绕各个内容框架逐步学习基本原理、基础概念、主要公式等，注重章節之间的逻辑关系。在讲解专业知识内容时，采用“由点到线，由线到面”“由二维平面到三维”“由单像到双像，再到多像”，这样逐步过渡、逐渐深化，一方面排除了学生的畏难情绪，另一方面也化解了专业基础知识的疑难之处。

其次，教师要牢固树立以学生为中心的教学理念。学生始终是教学的主体，要充分调动学生作为第一参与者的积极作用。授课过程中，教师根据教学内容，课前大量翻阅参考资料，精心设计教学环节，采用问题引导式、任务驱动式、翻转课堂等教学方法，结合多媒体动画演示、三维模型展示等手段，形象地演示抽象的概念和原理，以此激发学生的学习兴趣，引发他们的思考。例如三维立体构建方法，除了书本上的立体像对或更多图像能够构建三维立体之外，还有哪些方法？借此引发学生的好奇心，学生通过搜索资料获知还可以直接利用测距仪获得距离信息，建立地物三维;那么利用一副图像又如何来推断三维形状呢？采用诸如此类层层设问、步步推进的方法，逐步讲解阐述书本内容，并引导学生进行思维拓展和知识延伸，学生在汲取专业知识的同时，积极性和思维方式也潜移默化地得到了有效训练。再如讲述单像空间后方交会、前方交会、相对定向、绝对定向内容，这几节内容理论性强，每个原理和方法都涉及复杂的数学公式推导过程，内容结构在模式上非常相似，但概念易混淆，对此，教师可以采用翻转课堂+任务驱动的教学模式，将不同的内容分配给不同的学习小组，各组分别阅读教材、查找资料去自学掌握其中的原理，明晰方法所解决的实际问题，最后登上讲台将小组领会的知识分享给大家，教师给予恰当的鼓励评价，以此激发学生的学习动力和能力。经过这一过程，学生对专业知识的印象更深刻、理解更透彻。

最后，教师与学生之间要及时有效地沟通。教学是教师与学生之间共同参与的任务，教学双方若想互相信任并取得良好的教学效果，沟通是课堂内外必不可少的环节。课堂上，教师要及时利用知识点进行巧妙设问，随时观察学生的上课状态和知识掌握程度，也可以采用小组讨论、翻转课堂等方式，设置专业热点问题进行分析。课堂外，利用微信、QQ群、雨课堂等现代信息手段，与学生进行疑难的知识讨论和日常生活的交流，促进师生关系的友好建立和良性发展，共同努力以取得圆满的教学效果。

（三）创造实践条件，实现理技融合

目标工程专业为部队培养从事判读基础卫星影像、解读典型目标基本情况、分析地理空间信息等技术工作的人才。因此，课程教学过程应该立足于院校、部队、科研院所三位一体，充分利用各方资源和优质渠道，为学生提供尽可能多的实践平台。为此，课程设置了经典摄影测量和现代摄影测量两大实践教学模块。经典摄影测量实践模块用于加强学生对基础知识的巩固和理解，现代摄影测量实践模块着眼于专业发展和部队需求，尽可能保证与部队软硬件装备一致，具体内容如表1所示。实践内容主要分为程序设计、软件操作、外业实践和内业数据处理四大类，培养学生的动手能力、科研能力和专业能力。鉴于部队数字正射影像处理的实用性和专业性，与兄弟单位协调沟通，安排学生去实习两周，以此全方位地确保学生的第一任职能力。

四、结语

摄影测量学课程是一门经典的测量学成像原理课程，源于人眼视觉，其原理被应用于卫星遥感、激光雷达成像、无人机倾斜摄影测量等多种现代影像成像技术中，课程理论教学在传授基础原理和知识的基础上，需要引入现代成像技术作为拓展内容[4-5]，实践教学应结合部队需求和地方发展，及时将一些新型理论和实用技术引入课堂，充实、完善课程内容并授之于专业实践能力和科研素养。课程教学团队一直致力于摸索新的教学方法和教学手段，不断完善课程教学内容，经过几年的努力，现在已逐步形成了完整的教学实践体系，借助学校教学专项建设时机，在建开放式的摄影测量实验室教学系统，并配置了多种型号无人机和遥感专业软件处理系统，进一步加强完善了学生实践环节。无人机倾斜摄影测量校园拍摄实践、三维模型构建受到了历届学生的青睐，教学效果在逐步提升。

参考文献：

[1] 龚健雅，季顺平. 从摄影测量到计算机视觉[J]. 武汉大学学报（信息科学版），2017，42（11）：1518-1522+1615.

[2] 叶欣，吕利娜，赵威成. “摄影测量原理”课程教学改革探讨[J]. 地理空间信息，2018，16（10）：119-122+12.

[3] 张荣春，衣雪峰，李浩，等. 《摄影测量学》教学课程新思路研究与设计[J]. 现代测绘，2019，42（05）：61-64.

[4] 张云生，马慧云，潘红播. “新工科”背景下数字摄影测量学教学改革初探[J]. 教育教学论坛，2020（32）：194-196.

[5] 柏春岚. 基于小型无人机的摄影测量实践教学探讨[J]. 北京测绘，2018，32（09）：1112-1116.

（荐稿人：郑晓龙，火箭军工程大学教研室副主任，副教授）

（责任编辑：汪旦旦）