摄影测量云实验平台建立及在疫情期线上实践教学中的应用

叶 勤

(同济大学 测绘与地理信息学院, 上海 200092)

0 引言

“摄影测量学”是测绘工程的专业主干基础课程,其采用非接触传感器通过对地面、环境或研究物体进行影像及相关信息获取来得到这些物体的几何与属性信息。摄影测量实践环节,是针对摄影测量中数据处理手段、方法开展的实验、实习,将所学的相关基本概念、基本理论、基本方法系统地应用到实际摄影测量工作中;以此进一步加深和巩固学生课堂所学的理论知识,同时培养其独立的实际工作能力,提高分析问题和解决问题的能力。该课程是后续专业课“数字摄影测量学”“遥感原理与应用”等学习的基础,对测绘专业毕业生今后的工作与进一步深造尤为重要。

现阶段随着数字孪生建模、泛在测绘等概念的提出与发展[1-3],摄影测量与遥感作为基础支撑技术在这些领域有很重要的应用,而随着计算机视觉的发展,摄影测量与计算机视觉的结合也愈加紧密。因此在本科教学中要应对新的情况：一方面摄影测量的应用已大大突破了传统测绘领域,呈现出广义的大测绘、环境感知的特性,涉及的摄影测量类软件种类越来越多、功能也越来越丰富;另一方面,当今测绘工程的学生其从业领域也大大超出传统测绘行业,深入到IT、环境保护、自动驾驶甚至向元宇宙这样的新兴产业;此外现阶段高校的“卓越工程师”培养,也特别强调实践类教学。所以无论是将来的专业应用领域还是学生自身都对该课程的学习与掌握提出了更高的要求,学生本身对此也有很强的学习动力,而这对摄影测量学实践类教学提出了更高的要求。希望在实践教学中不仅能包括相关的摄影测量数据应用、软件应用、原理编程实现等实践内容,还能够跟上其快速发展的现状,增加新的传感器类型数据、新的软件功能应用以及新的处理原理方法的实践并能较快的更新。但现有的依赖于传统实验室条件的实践教学状况很难应对这一快速发展,也难以满足这方面的需求。如何解决此矛盾,使得摄影测量实践类教学在现有条件下能满足这一要求,已成为需解决的重要问题。

更为困难的是,现阶段由于新冠疫情,国内外高校都面临大量课程线上授课的现状,包括大量的实践课程,而线上教学先天的不足,对实践类教学影响更大,对实践课程提出了更大挑战。因此如何应对这种状况,在线上教学中保证质量进行摄影测量实践教学,是现阶段摄影测量教学中需着重考虑的紧迫问题。

基于云平台的教学在学校一般课程的教学工作中已有较广泛应用,然而实践课程特别是涉及专业软件的实践课程云平台与一般理论课程云平台有很大不同,特别是像摄影测量学这样涉及比较特殊的专业软件应用的实践类课程。摄影测量实验云平台是指结合线上云课程管理,支持分布式摄影测量数据处理软件应用,并放置于互联网上的集成摄影测量实验环境,其具有开放性、即时性和易接触性,能为参加教学实践的学生和教师提供在线摄影测量实验和摄影测量数据处理服务。现在其他学科专业的教育工作者已有基于云平台等的实验教学管理[4]以及虚拟教学实验室的建设[5-7]等的探讨,这些相关工作为摄影测量云实验平台的建立提供了借鉴。而计算机技术、虚拟技术等的快速发展,使测绘科学也发生很大变化;云计算、云平台的发展、大数据等智能化技术,对测绘相关学科有极大促进[8],其在测绘科学的渗透与集成也对摄影测量与遥感的理论和实践教学内容产生很大影响[9-11]。

综上,本文在分析国内院校摄影测量教学实践现状及存在问题的基础上,探讨摄影测量教学中实验云平台的构成以及基于其的实践教学活动的开展,对其在疫情中线上实践教学中的应用进行分析。该工作对拓展学生理解摄影测量学在传统以及非传统测绘行业的应用提供更好帮助;为学生将来应对各种新类型传感器数据、新的摄影测量软件的学习提供基础;对疫情下摄影测量教学特别是实践教学开展具有较强的实际意义,也为培养新工科人才提供基础保证。

1 同济及国内院校摄影测量教学实践中存在的问题

1.1 国内院校本科测绘工程摄影测量教学实践的现状

摄影测量学在模拟摄测时期非常依赖于仪器,同时因模拟仪器价格昂贵,所以过去能够较完备地在本科教学中开展摄影测量实践的院校较少。同济测绘工程专业的摄影测量实践类课程最开始也是侧重于硬拷贝图像进行模拟摄影测量,但内容少、仪器陈旧不足,教学很薄弱。随着计算机技术、传感器技术的发展,我校摄影测量实践教学经过多年的实验教学改革[12],就卫星影像数据在实践教学中的应用进行了分析、就非量测相机在其中的应用进行了探讨,就实践教学涉及的数据、传感器类型进行了探讨以跟上学科的快速发展;现在同济完全采用数字航空影像进行实习,其实践内容除了外业的像控测量及影像调绘工作,内业工作侧重于数字航空影像数据的编程处理;但受限于实际条件对各种摄影测量软件在实践教学中的应用还未涉及。这样学生虽然通过编程对摄影测量处理的数学原理有较深入理解,可因缺乏摄影测量软件应用,对主流的摄影测量处理软件认识极为不够,也没有利用相应软件进行实际摄影测量工程数据处理的实践过程和操作理解,因此无论是对于各种软件新功能的掌握、对摄影测量应用发展趋势的理解,还是实际课程教学内容都掌握都不够。这是学生在摄影测量实践方面的短板,与现在工程教育背景下提倡的“卓越工程师”要求存在差距,不符合本学科发展的状况,因此亟须在实践教学中补上这一环。

要进行摄影测量软件的实践应用,就需有配有该类软件的实验设施,在实际工作中存在以下困难：①由于本身体量的限制,为摄影测量实践专门配置专用实验机房在实际操作中存在困难、也不现实;学院的实验室机房是各门课程的通用机房,除了摄影测量实践教学外,还承接有其他课程实习教学,不可能专为摄影测量实习,而且也没有专门针对摄影测量实践教学的实验室人员配置,实际上这种情况也是国内大多数院校测绘工程实践教学的现状;②因版权等因素,实验室的摄影测量软件多采用网卡或者软件狗加密,这导致一旦这些硬件出问题则无法使用,而公共机房又无专门的师资来有针对性的解决,使用中稳定性差,且相关摄测软件更新快,教学很难及时跟上,造成实践用软件易于陈旧;③学生只能到学院机房使用摄影测量专业软件进行实践,由于机房还承接有其他课程实习教学,很难保证学生不同时段的应用需求,实际上现在大多数学生都有个人电脑,更希望能在自己电脑上、在学习期间随时可以使用专业软件进行实践操作。以上造成摄影测量实践教学一直存在着利用软件进行专业实践的不易得性与即时性差、教学互动灵活性差等问题;直接导致现阶段本科摄影测量实践教学缺少利用主流摄影测量处理软件进行实际数据处理与应用这一重要环节。

国内其他相关高校摄影测量实践类教学情况各不相同,主要有两种情况：①摄影测量学科教学及科研都比较强势的学校,主要是武汉大学(遥感学院、测绘学院)和信息工程大学;凭借其强大的摄影测量师资及实验室配置,其相应的摄影测量类课程实践内容更为全面,拥有专门的摄影测量实验室与人员配置,其实践内容既包括涉及摄影测量基本理论的算法编程实现也包括相应的摄影测量软件应用;但其所用软件由实验室配置情况来定,较难随着实际生产与科研中软件方面的快速发展而有较快更新,存在滞后性,此外所用软件类型也相对单一;且应用软件都集中安装专门的实验机房计算机上,难以实时共享给实习学生,在实践教学中对于学生来说易接触性仍显不足,也不具有即时性。②更多的其他院校,情况与同济类似;一些重点双一流大学在科研方面很突出但在本科实验条件配置方面相差并不明显,很多学校也存在无专门的摄影测量实验室与人员配置,都统合到一个大的测量专业实验室中的状况,一些学校在摄影测量实践教学中缺乏代表性摄测软件的应用,只能通过通用遥感软件或者编程来替代,学生对于专业的摄影测量软件也较难接触到。

现阶段更为不利的是,在新冠疫情影响下,高校很多教学活动转为线上或者线上线下混合教学,多采用录播或者直播的形式,而对于软件使用如果仅采用线上教学的直播录播形式来看软件的操作,而不亲手进行操作,这种实践很难达到预期目的,更无法激发学生的兴趣。如何在线上保证质量的进行实践教学,是现阶段摄影测量实践课程需应对的挑战,传统的依赖实验室机房的教学实践无法处理这种情况。

1.2 存在的主要问题

从以上分析可以看出,现阶段国内摄影测量类实践课程中存在的主要问题：①在摄影测量专业软件应用方面,限于实验室建设等因素,摄影测量专业软件呈现出开放性差,对学生而言即时性和易接触性差。②一些高校所用的摄影测量软件很难跟上现实应用中的更新情况,比较单一、陈旧;而另一些高校则根本没有这方面的软件应用实践,无法进行比较丰富的软件应用实践,因为配置较多的软件对实验室人员配置提出了比较高的要求,在很多情况下并不现实;因此相比一些较通用的遥感软件、地理信息系统软件,摄影测量软件的快速变化更新无法在实践教学中体现。③特别是现阶段疫情防控下,大量的课程采用线上形式,虽然很多高校建有云课堂系统,但其是针对一般理论课的线上教学,无法满足实践课程线上教学;摄影测量实习虽然涉及大量的利用计算机的数据处理与软件应用,且学生们一般也有计算机,但因为软件安装的版权配置等要求,无法利用这些的通用课程的云课堂系统进行摄影测量专业软件的实践教学,只能观看软件应用,难以深入理解实践内容,更不要说创新应用,对学生更好地掌握学科知识很不利。

因此针对以上问题,急需利用现有的技术,进行摄影测量云实验平台的建立,构建学生易于接触、易于获取的实验云平台,改变现阶段摄影测量学习过程中,只有原理以及编程实践工作、缺少实际商用摄影测量软件应用、缺少实际空三软件处理实际数据应用实践的缺陷,提高整个摄影测量课程学习与实践内容的完整性、针对性,这对提高学生实践能力满足各类型用人单位对毕业生的要求有重要价值。

2 摄影测量实践教学中云实验平台线上实习教学的探索

云计算的一般定义是指通过网络“云”将巨大的数据计算处理程序分解成无数个小程序,再通过多部服务器组成的系统进行分析和处理,得到系统反馈,将结果导入使用者的使用端,以此来便利使用者,一开始其主要用于商业领域,现逐步在教育领域应用[13],云课堂在高校教学中亦有不少应用探讨[14-16],包括同济也建有一般课程的云课堂管理系统。但因实践课与理论课教学有较大差异,即使像摄影测量学这样侧重于数据处理的课程实践,也涉及大量的专门数据与专业软件应用,仅采用通用的云课堂平台无法满足要求,还需引入专业软件云平台,并将两者结合起来。为此进行摄影测量实验云平台建设,将一般课程的云课堂系统与专业摄影测量云桌面平台相结合,通过后者克服对专用机房的要求,也可满足学生自己自行选择时间的要求;另一优点在于作为专业软件云平台,相应的技术支撑中包括实验实习中的各种问题还可借助云平台的专业技术人员提供、其实践所用数据等更为丰富且有统一的标准,可以较好地进行实践教学的实施与量化评价标准的建立。这些对摄影测量软件实际应用教学实践工作的顺利开展具有重要意义。此外建立整合的实验云平台也便于摄影测量新软件、新功能在实践教学中的试用,便于新内容的引入。实际上随着互联网+策略在高校实践教学中的应用,依据该技术上的云实验平台通过云计算技术将多种计算资源、软件资源集合起来,利用虚拟管理系统实现实践教学各项工作的管理,让相应数据资源、软件资源能灵活快速的利用起来,已经在一些课程的实践中有所应用[5-6]。其便于引入新的实践软件、功能,且充分利用专业软件机构的技术支持因此对于实验室人员要求相对较少,比较适用于摄影测量教学资源相对较薄弱的院校。

2.1 摄影测量实践教学中云实验平台的建立

我校摄影测量实践教学是在摄影测量实习中进行,为巩固理论教学所学内容,其实践内容包括三部分：摄影测量外业工作(包括像控点测量以及判读调绘部分),摄影测量双像立体定位原理的编程实现,以及基于摄影测量相关软件的航空摄影测量数据处理与产品输出。其中摄影测量外业工作相对比较简单,实习的重点是后两项;在以往实习中由于“摄影测量双像立体定位的编程实现”不涉及专业软件只需要通用编程环境即可,数字形式立体影像也易于分享处理和更新,因此这一部分的内容完整,实习完成度好;比较困难的是“基于摄影测量相关软件的航片影像数据处理与产品输出”包括空三处理、立体测图、产品(DLG、DEM、DOM)生成,由于2中所分析的原因,过去这部分一直是以演示的形式,让学生参观一些生产单位作业人员的操作,实际操作比重极少。因此我们在摄影测量实践教学的云实验平台建立中的主要目标：建设摄影测量实验虚拟云平台,实现摄影测量实习各项工作的管理,使得教学中的相应数据资源、软件资源能灵活快速的利用起来,特别是补足摄影测量实践教学中所缺的摄影测量空三处理、立体测图等专业软件实际操作应用环节;改善实践教学中软件应用即时性和易接触性差、和应用软件易陈旧的问题;为改善和提高学生对“摄影测量学”相关知识的理解与应用提供支持与保证。具体工作中涉及以下内容：

(1)硬件建设。为保证摄影测量实习云实验室建设,需有必要的硬件配置,从云平台运行维护角度出发,实验室人员仍需配有专用电脑,所以硬件建设方面主要是配置必要的电脑设备,完成硬件方面的基本保证。在我校教学实践中根据实际情况配置了一台便携机和一台台式机;

(2)软件平台构建。这部分是整个云实验平台建设的重点,是进行线上实习教学的基础;

(3)摄影测量实习案例的组织及云平台线上实践教学的具体实施方法。

(2)以及(3)是具体线上实践教学实施中的关键,且平台构成与教学实施流程密切相关。服务摄影测量实践教学的云实验平台总体框架如图1所示,在整个云实验平台建设中,有两个功能支撑：一个是课程的教学云平台用于实践课程的常规教学管理,另一个是摄影测量专业软件线上实践。因此其主要包括两个模块：摄影测量专业软件云平台模块和一般课程教学管理云平台模块。

注：①数字高程模型(digital elevation model,DEM);②数字正射影像(digital orthophoto map,DOM);③数字线划地图(digital line graphic,DLG)。图1 服务摄影测量实践教学的云实验平台总体框架

其中的摄影测量实践类课程一般教学管理模块完成通用的课程管理工作,与其他线上教学课堂没有什么区别,具体功能包括：针对教师的“课程内容的公告发布、实践类教学成果收集、成绩评定、课程人员管理”,针对师生的“讨论”“数据资料共享(实习数据、实验实习用任务书讲义、云课堂教学视频等)”,在实际教学实践中,这种一般管理选用学校针对一般课程的云平台系统进行日常管理,因此师生这部分不需再熟悉新的管理系统。

而摄影测量专业软件平台则要具备完成实习涉及的专业软件应用相关具体内容包括“立体测图”“摄影测量空三构网平差”“4D产品生成”等基本功能,还可再拓展到包含“建模”“无人机数据处理”等更进一步的应用,这部分模块的建立与运行需要专业的摄影测量云平台开发公司的辅助。现在市场已有一些摄影测量相关云平台软件,如天际航摄影测量教学实训平台、云端地球实景三维建模云平台、兆格摄影测量云平台等多种。对于高校教学来说,选择云平台软件除了平台功能、软件内容性能等,还特别要考虑：①软件与教学内容的适配性,有些软件虽然很新但主要是针对游戏等平台的应用,或者针对实际生产、难度较大,或者某些功能模块不全面;②软件平台对学生端电脑的配置要求,毕竟学生所用电脑各种各样,配置差异较大,如果要求苛刻不利于线上教学实践;③平台是否能提供比较完备的在线支持能力,由于学生各自在自己的环境配置下进行软件应用实践,其所遇到的问题会远多于标准配置实验室电脑上进行应用软件使用的问题,所以对平台的在线支持能力提出了较高要求;④平台的可扩展性,作为一门仍在快速发展的学科,摄影测量教学的内容一直都在发展,其实践教学的内容也相应变化,能跟随着这种改变,在今后的实践教学中引入新的实践内容、软件功能也是实验云平台建设需要考虑的。

2.2 应用

综合这些因素,在对比了现在摄影测量软件应用云平台的基础上,在2020年春季新冠疫情同济所有课程转为线上进行时,选择了武汉兆格公司的兆格摄影测量云开放实验室试用,作为“摄影测量专业软件云平台”,用于线上实践。这是一个基于广域网环境搭建的在线教学实验室及云端实践平台,其所具有的在线模式,可使参与教学实践的学生不受传统实践环境的时空限制,能够在未返校线上教学的情况下随时随地进行相关内容的实践;而且该平台的软件工具、教学视频、课件资料等资源丰富,且具有标准的实践教学的案例数据。因此在该年的摄影测量实习线上教学中,实习包括的三部分内容采用以下方式来进行：

(1)对航外控制、判读调绘部分等摄影测量外业工作,利用相关的案例进行说明,通过云课堂直播讲解来阐述,由于学生已经有了普通测量的基础,对于像控点量测可以较快理解;而对于判读调绘部分选用学生生活区域的校园影像进行室内判读来弥补。

(2)对于内业处理中的摄影测量双像立体定位的编程,利用学校的“一般课程教学管理云平台”进行数据资料发布,学生选择相应的编程语言环境自行进行完成,实习中借助云课堂对编程过程中存在的问题实时进行讨论,对结果进行检查。

(3)对于相关软件应用,则依托专业软件云平台,为每位学生建立对应的账户,获取应用权限,其可在各自的终端电脑上,不受时间限制利用云平台提供的软件功能和应用技术支持服务完成这部分的实习;在此过程中,平台提供的标准案例数据有利于学生尽快学习掌握软件功能的应用,而在实习时,除了标准案例的影像数据,根据实际情况通过“一般课程教学管理云平台”共享现势性更强的影像数据以及更多类型传感器影像数据;因此学生在利用标准案例数据学习并完成实习基本要求的数据处理与成果输出后,在此基础上进一步利用所共享的其他影像数据完成实习要求的工作;同时根据应用软件的情况,支持部分学有余力的学生根据自己的兴趣和需要,在基本任务完成的情况下,建立自己的个性化实践内容。

在实习过程中,教师利用课程管理系统中的“作业”模块发布实习的内容进程,而“讨论”模块可针对实习专题进行线上讨论互动,“云课堂”模块可进行实时的线上讨论。这些功能以及生成的实践相关信息可作为教师对教学过程学生实习情况进行挖掘分析的依据。另一方面,摄影测量专业软件应用云平台的技术支撑人员还可线上对相关专业软件应用时的问题进行解答,这对实验室人员少,摄影测量实践资源相对薄弱的学校非常重要。

在疫情至今的线上摄影测量实习期间,以此完成了测绘专业 72位同学的摄影测量实习,试用摄影测量云平台进行了软件应用方面的实习,完成了线上摄影测量实习教学工作。这次实践课程在整个摄影测量实验云平台的构成以及具体实践教学应用上：以云存储构建了实习中摄影测量相关信息的集成中心,通过整合一般课程管理平台和摄影测量云实验资源平台,实现线上、线下、移动终端等多种形式的数据与专业软件的共享服务;便于学生在不受时间限制的情况下,随时利用互联网以及智能终端根据每个学生的密码与学号介入接入,获取实践教学的云服务——包括教学资料等各方面的管理。同时整个实践云平台记录下了实践过程的多种信息便于教师对教学过程进行分析。从学生后续的情况看,在不返校线上进行实践教学的情况下,该平台基本保证了实践教学的顺利完成。

3 结束语

摄影测量学是一门理论与实践并重的测绘类专业主干基础课程,实践教学对完成工程教育培养目标的达成具有重要作用。本文针对现阶段国内高校摄影测量实践教学存在的问题和疫情期线上教学对实践课程的严重影响进行分析,探讨结合摄影测量软件云平台和高校一般课程的教学云平台建立服务于摄影测量实践教学的实验云平台的方法,以及相应的线上实践教学方法;并在疫情期间的线上摄影测量实践教学中加以试用。试用情况表明,结合该整合平台的线上实践教学可以较好地保障线上学生分散各处进行摄影测量实践对各专业软件学习、应用以及实践成果的获取,顺利完成摄影测量实践教学。更进一步,即使在线下实践教学中,该方法对于提高各种摄影测量功能软件的易接触性使用的灵活性,教师对于实习中的过程性数据的管理亦有很大作用。