詹总谦，彭 敏，马彩云

（1.武汉大学 测绘学院，湖北 武汉 430079）

摄影测量学课堂教学软件研发初探

詹总谦1，彭 敏1，马彩云1

（1.武汉大学 测绘学院，湖北 武汉 430079）

在分析摄影测量课堂教学现状的基础上，针对《摄影测量学》自身的抽象性难题，以让学生充分利用课堂学习、更好把握摄影测量基础知识为目标，从教学实践出发，研发了一套集摄影测量学理论教学、动画演示和系统展示为一体的多样化摄影测量课堂教学方案。

摄影测量学；理论教学；动画演示；教学方案

当前，测绘工程专业使用的摄影测量学教材主要从理论知识和技术应用方法两方面进行详细讲解，尽管教材内容由浅入深、章节安排循序渐进,并且结合多媒体通过文字、图像进行辅助，但是课堂教学的效果往往使学生仅停留在对基本概念和原理的理解上。学生对外方位元素、后方-前方交会、相对-绝对定向等一些抽象理论，以及学摄影测量能解决什么问题、如何解决实际问题缺乏必要的感性认识[1-5]。同时，现有的教学版摄影测量系统仅能够锻炼操作技能，并不能帮助学生理解掌握算法的过程和特性，因此需要研究开发适合教学实践的摄影测量教学系统[6-7]。基于以上两点，本文对如何从学生角度考虑，研究理论知识讲解与软件演示相结合的教学模式进行了探索，同时以Flash、 Matlab软件为工具，开发了一款摄影测量课堂教学软件，把抽象的摄影测量相关原理通过动画的形式具体化、形象化，帮助初学者更好地理解和把握摄影测量知识。

1 软件设计与实现

1.1 软件总体设计方案

摄影测量学课堂教学软件是以摄影测量学理论为基础，立足于理论与实践相长教学，旨在通过形象化展示摄影测量基本原理及技术功能，为学生提供一个实用、生动、有效的学习平台。平台设计主要包含3个部分：Flash动画制作、基于Matlab编程的摄影测量数据处理、数据处理与动画协同展示。

Flash是一个基于矢量的交互性影片格式，集各类媒体元素、动态效果、用户交互于一体，通过内部对象及其属性特征表达丰富的语义信息，是Internet上高效传递矢量图形、文本、视频和声音的媒体格式，在教学领域发挥着越来越重要的作用[8]。本文的Flash动画制作主要是用Flash功能模拟航空摄影姿态及摄影测量解析过程。包含不考虑各影响因素的 “理想航摄”模拟，以及实际工作状态下的“实际航摄”模拟两种情形，同时包含在这两种情形下的后方交会、前方交会、相对定向、绝对定向的动画制作等。

基于Matlab编程的摄影测量数据处理主要是考虑到Matlab的普及性及其简单易学的特点。而实践也证明，利用Matlab语言进行课程教学与实验（如高等数学和工程数学[9-10]等）均取得了较大的成功。该部分功能主要实现摄影测量中单像空间后方交会、双像前方交会、立体像对相对定向、绝对定向以及少量像片光束法平差等基础算法的程序设计及实验数据分析。

数据处理与动画协同展示主要是将摄影测量数据处理与Flash动画相结合，通过数据处理的输入、迭代过程、结果输出、精度分析以及动画演示，促进学生学习理解，提高教学效果。

1.2 模块化功能实现

1.2.1 Flash动画制作

动画制作应该尽可能生动、形象地反映摄影测量的相关原理，但也要注意课堂的时间限制，采用简单、直接的动画描述方式。Flash动画制作主要包括基本动画元素设计和过程模拟两部分。

本方案所涉及的基本动画元素如图1所示，包括有主背景、飞机、坐标系、航线轨迹、像片边框示意图共5个部分。其中，主背景为青山图，可利用Flash软件直接导入；飞机是最为复杂的一个动画元素，包括顶部螺旋桨、机身及尾部螺旋桨，为了更形象化，螺旋桨可动态显示飞机飞行状态；坐标系主要包括像平面坐标系、像空间坐标系和地面摄影测量坐标系；航线轨迹分为规则的理想型航线和不规则的常规型航线两种；像片外边框的引入是为了更好地诠释飞机在某一个特定位置拍摄地面的范围大小。

图1 基本动画元素设计

过程模拟是对摄影测量学的基本原理[11-12]、关键算法等进行动态模拟，主要包括理想航空摄影、实际航空摄影、单像空间后方交会、双像前方交会、立体像对相对定向、绝对定向等几个模拟过程。其中，通过航线轨迹和像片重叠的差异性对比分析理想和实际航空摄影的不同；单像空间后方交会则需要交代地面控制点坐标的来源和作用，并且突出物点、像点和投影中心三点共线的摄影测量数学基础；前方交会体现双像立体思想；相对定向主要体现两幅图像如何借助同名像点光线对相交，实现立体像对相对关系的确定，同时说明基线与模型比例尺之间的关系；绝对定向展示了如何通过空间相似变换的3个过程（平移、旋转和缩放）将局部模型纳入到地面测量坐标系中。

Flash动画制作完毕之后，可通过Flash软件发布为swf视频形式的动画。

1.2.2 摄影测量数据处理

基于Matlab编程的摄影测量数据处理主要包括数据的读入、相关算法设计与实现、平差解算过程详细输出、结果和精度输出等。其中，平差过程详细输出主要是输出每次迭代计算的未知数改正数、误差方程常数项和单位权中误差等信息，目的是展示算法迭代的收敛性，对学生理解算法和计算过程非常有益。数据处理界面如图2所示，主要包括导入数据、前方交会、后方交会、相对定向、绝对定向、视频演示等功能。

1.2.3 Matlab实现摄影测量动画播放

首先，借助视频转换器将swf格式动画转换成avi格式，然后在Matlab界面中添加一个ActiveX Control控件，即可方便实现avi视频格式文件的播放，如图3。

为了提高教学效果，需要将每个摄影测量关键算法的数据处理和动画演示配合起来使用。如图2所示，通过界面按钮“视频演示”将当前数据处理过程与实际动画联系起来。具体实现上，还可以根据数据处理过程和结果的正确与否，通过动画演示效果的差异进行体现。

2 教学方法浅析

借助动画进行课堂教学，充分结合了理论知识、数据处理和形象化动画演示，可以形象地展示《摄影测量学》的基本原理和重要概念。该方法具有以下优点：

图2 Matlab数据处理界面

图3 动画播放器界面展示

1）生动地模拟了摄影测量学中的基本原理与方法，很好地解决了常规教学中难以对摄影测量问题进行形象化描述的难题，对于提高课程教学的生动性和易懂性具有重要的意义。相对于传统课堂教学中以讲授比较抽象的空间关系、复杂的公式推导和繁琐的操作过程为主的教学方法[4]，动画教学方法使同学们在享受动画的同时，又能深刻理解摄影测量学的基本原理和方法。

2）采用Matlab语言编程简单、直接，具有很好的开放性和移植性，方便后续更多功能的添加，丰富摄影测量学课堂教学软件的内容。同时，所有开发代码对学生开放，学生可以通过阅读和跟踪调试源代码，掌握关键算法的实现方法和过程。

3）该教学软件既可用于课堂教学环节，又有利于教师对全部知识进行整合。摄影测量学的教学内容具有层层递进、环环相扣的特点，因而在课程讲授结束时，教师可以选择利用该软件进行系统归纳和形象化演示来巩固和贯通所有关键知识点，使学生对摄影测量学具有完整、系统的理解。

由于摄影测量知识面较广、难度深浅不同，目前的教学软件功能还不能涵盖所有摄影测量原理，尤其是在空中三角测量、影像匹配和DEM/DOM制作等方面还需要研究更加有效的展示方法。

与此同时，摄影测量还是一门完备的工程技术，相关软件系统已经广泛应用于各类生产实践。因此，以实际案例数据为例的摄影测量软件系统展示也有助于学生了解当前摄影测量技术的发展现状以及利用它来解决实际问题的能力。当然，区别于专业课程集中实习的要求和内容，教学中的系统展示更多的是突出每个关键技术的成果和效果，是对动画形象化展示的有益补充。

3 结 语

以理论知识讲解为主，Matlab数据处理和动画演示为辅的课堂教学方案是从学生角度出发，有效提高摄影测量学教学效果的一种可行方法。它用视频动画的形式详细描述了摄影测量学的基本原理，既保证了理论知识教授和实践演示的主次地位，又使得实践演示环节在学生学习理论知识的过程中起到了强化、巩固、理解的作用。但限于研发和教学时间的原因，软件仍有很多不足之处。在以后的教学工作中，将结合课堂教学效果，广泛征求师生意见，对软件功能和方式进行不断完善，从而使学生对摄影测量学具有较强的学习兴趣和理解能力，达到事半功倍的教学效果。

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P23

B

1672-4623（2016）10-0107-02

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.10.034

詹总谦，博士，副教授，主要从事摄影测量与计算机视觉方面的研究和教学工作。

2016-03-15。

项目来源：国家自然科学基金资助项目（41101418）；武汉大学测绘学院本科专业综合改革教学研究资助项目（201202）。