摘要：针对摄影测量实践教学软件交互能力差、代码封闭等不足，提出了基于开源软件思想及利用交互式数据语言设计开发摄影测量学实践教学软件方法。软件代码公开、操作动作分解、交互能力强，涵盖了摄影测量学主要理论知识、方法和过程，具有结构清晰，教学重点突出，拓展性强的特点。教学实践证明：该软件可以适应不同水平的本科生，具有较好的教学效果。
关键词：摄影测量；开源软件；实践教学；交互式语言
引言
摄影测量是一门以影像为基础建立空间地物几何模型与物理模型，从而确定被测地物的形状、大小、位置和相互关系的一门科学技术。随着摄影测量技术的发展，我国各高等院校的测绘及其相关专业都相继开设了摄影测量课程，培养了一大批摄影测量方面的科研及工程技术人才[1-4]。摄影测量学的教学内容以抽象的空间关系、复杂的公式推导为主，是一门理论抽象、逻辑严密、实践性强的课程[5-6]。为此，现在的课程教学，除保证一定课时的课堂教学外，都普遍注重设置相应的教学实践环节。期望通过实践教学，夯实学生摄影测量理论基础，提高其实际动手和解决问题的能力。
1摄影测量学实践教学内容及软件特点
1.1摄影测量学实践教学内容
在通识教育的背景下，摄影测量课程学时被大量压缩，对摄影测量学的讲授内容侧重于摄影测量基本原理、基本过程。使学生建立起摄影测量的基本思想，保证学生对摄影测量整体过程的理解，满足不同部门对于摄影测量和影像空间信息获取人才的要求[7]。在数字摄影测量阶段，摄影测量坐标系、内外方位元素、坐标系统变换，共线条件方程、像点坐标量测、内定向、单像空间后方交会、立体像对的前方交会、模型法相对定向、绝对定向、双像解析的光束法严密解、影像匹配、正射影像图及DEM制作等都是摄影测量技术中最基本的理论与方法。上述理论知识要求学生必须掌握。为达到教学目的，学生通过各类摄影测量仪器、软件的使用及相应的编程实现，进一步理解、巩固摄影测量基本理论知识及其应用。实践教学是培养学生扎实的摄影测量技能的立足点，也是从理论到实际应用的一个重要过程。
1.2摄影测量学实践教学方法及特点
现在很多学校的摄影测量实践内容，均是以数字摄影测量软件的应用为主[5]。目前数字摄影测量软件系统较多，发展成熟，但主要是面向生产应用。部分系统（如：VirtuoZo）虽也有相应教学版，但它仅是对企业版的数据、计算精度及功能上进行的限制，实为企业版的简化[8]。企业版面向生产应用，其信息处理过程由计算机自动完成，追求的是速度、精度及自动化程度，学生在实践中很难联想到软件所运用到的理论知识，并不能完全地构建起理论联系实际的桥梁。教学实践追求的是技术、方法过程的分解、交互、透明，所以软件系统应更多的融入学生的参与环节[9]。河海大学面向教学实践设计、开发了eLen摄影测量教学实验系统，弥补了专门的教学软件空白，学生通过亲自动手观测、组织数据和调整算法实验参数，完成处理过程[10-11]。该软件具有较强的交互能力，但该软件的封装性较强，算法未公开，仅能看到不同参数对计算结果的影响，且由于软件参数设置多，学生完成实验具有一定困难。武汉大学、同济大学在实践环节中尝试着要求学生利用高级程序设计语言（C、C++、C#等）编写程序实现摄影测量的基本理论[12-13]。在实验教学中暴露出学生在计算机编程能力及各种软件应用能力上的不足，在实验中花费大量时间用于解决编程上的问题，影响了实验效果。总体来说，摄影测量学实践教学软件品种单一、代码封闭，学生使用高级程序设计语言编写算法对学生要求高，实验效果一般。为此，亟需一个透明、开放、交互能力强、代码公开的摄影测量教学软件平台。
2摄影测量实践教学软件设计与实现
根据摄影测量实践教学软件需求，结合交互式语言特点及摄影测量技术发展现状基于“原形系统”思想设计实现了摄影测量学实践教学开源软件。
2.1程序设计语言选择
交互式数据语言（interactivedatalanguage,IDL）是第四代科学计算可视化语言，集开放性、高维分析能力、科学计算能力、实用性和可视化分析为一体，它可以在多种硬件平台上运行，可以方便地与C、C++连接，还支持数据库的ODBC接口标准。IDL语言内置的数学库函数可以大大地减少图像处理算法开发的工作量[14]。摄影测量关键技术实现中涉及到大量的数组计算以及图像处理，常用的高级语言（C、C+、C#等）需要花费大量时间和精力编写矩阵运算函数及图像处理函数，并且容易出错。IDL语言对于矩阵运算及图像处理就显得十分容易，仅需要几行代码就可以实现，况且在程序运行过程中可以随时查看、修改变量的值。根据该特点，摄影测量学实践教学系统采用交互式数据语言进行开发。
2.2软件结构设计
现代摄影测量系统一般分为数据准备、信息处理及产品生成3步，均是以“4D”产品生成为目标。另外，组件式软件技术已经成为当今软件开发技术的主。为此，对摄影测量教学系统进行分层设计并选用基于组件的三层软件结构来开发。整个系统由数据准备、单像后交-双像前交、解析相对定向-绝对定向、光束法严密解、解析空中三角测量及产品输出六大模块组成。六大模块又分别由若干子模块构成，例如单像空间后方交会是由外方位元素初始值，旋转矩阵计算、像空间辅助坐标计算、列误差方程及迭代解外位元素等子模块组成。各模块可以相互调用组成其它功能的模块，也可以是其它模块的子模块，例如光束法严密解是利用单像后交-双像前角模块提供初始值。图1为摄影测量实践教学软件系统结构图。
2.3软件功能设计
以教学为目的的摄影测量教学软件强调的是原理的理解、算法的实现、算法差别及实施过程。为此，本软件以摄影测量的各部分知识点的算法实现为基本功能，为学生提供一个开放、透明、互动的学习平台。参考数字摄影测量教学系统（VirtuoZo），结合我校摄影测量学教材[15]及教学大纲，设计软件功能主要包括：文件、设置、单像后方——双像前方交会、解析相对定向——绝对定向、光束法严密解、解析空中三角测量、像点坐标自动量测、产品生成及结果展示（包括中间结果）等九项功能。这九项功能即相互独立又相互联系形成一个统一的整体。摄影测量实践教学软件功能如图2所示。为使学生思维中能够将软件、算法、原理三者形成联系，理解摄影测量的基本原理及算法，在程序设计实现中注重以下3点：（1）采用模块化程序设计思想开发程序。将摄影测量的知识点尽可能的以模块形式进行封装设计，本软件共设计实现近七十余个模块，每个模块均是摄影测量学的核心知识点;（2）运行软件时强调初始数据与最终结果，淡化中间处理过程，使学生明确摄影测量算法已知数据是什么，最终结果是什么;（3）软件实现最基本核心功能，在深入研究的基础上可以进一步完善，软件开发给学生足够的发挥空间。
3软件实现示例
摄影测量实验教学软件以实施、分析、训练、开发为手段，对于学生深入理解和掌握摄影测量知识起到催化作用。
3.1GUI设计与实现
在IDL语言中，应用纯语言进行GUI设计，该方法方便灵活。在GUI设计中主要使用WIDGET_BASE、WIDGET_LABEL、WIDGET_DRAW等组件进行GUI搭建。IDL语言每个控件都具有UVALUE属性，该属性对参数的保留和传递十分方便。
3.2单像空间后方交会实现
在该功能模块中主要包括：影像读取、像控点坐标读入与显示、外方位元素计算及精度评价等功能。影像读取主要使用了OpenImage（）函数，该函数主要使用IDL自带的ReadImage（）函数实现；像控点坐标读入包括像点坐标及控制点坐标读入，主要使用READIPCL（）和READGPCL（）函数实现，两个函数主要使用IDL自带的格式化读写函数READF（）实现，控制点坐标数据的显示主要使用table1控件通过设定VALUE属性值实现。外方位元素计算通过WFWIE（xy,XYZ,F,M）函数实现，该函数包含像点、地面点坐标，摄影主距及摄影比例尺4个参数。在该函数中包含外方位元素初始值计算、像点坐标从像平面坐标系到像空间辅助系转换、误差方程式系数计算及外方位元素改正数迭代计算等方法。其中，初始值计算、坐标系变换及误差方程式系数计算写成了独立的函数。上述算法实现过程中IDL语言表现的非常简单，只需要几行或者十几行代码就可实现。图3为外方位元素计算界面，在该界面中显示了两个对话框。坐标显示对话框显示了读取的像点及对应的地面坐标。外方位元素对话框显示了外方位元素及计算精度。
3.3教学功能实现
单像空间后方交会是解析摄影测量重要的算法，也是其它算法的基础。软件在该功能的实现上比较详细，目的是为了后续其它算法可对其进行模仿实现。在该部分实验中可以要求学生编写程序输出外方位元素初始值，像点对应的像空间坐标系坐标、像空间辅助坐标系坐标、旋转矩阵、误差方程式系数及循环迭代的中间结果等。对于有能力的同学可要求他们去实现其它外方位元素计算方法，并在精度、迭代次数及初始值等方面对其它外方位元素计算方法进行评价。通过本次实验使学生体掌握教学的基本知识点，体会软件开发的思想，为后续实验打下基础。
4结束语
摄影测量实践教学软件以测绘及地理信息科学专业普通本科生为教学对象，具有结构清晰、教学重点突出及软件拓展性强的特点。该软件涵盖了摄影测量主要方法和过程，是摄影测量系统的原形系统，源代码公开属于开源软件，通过多年的教学实践证明：施工管理论文本软件教学策略合理，有助于提高学生自主学习、协作学习及探究式学习的能力，锻炼了学生实际动手力及编程能力，构建了理论知识与实际应用的桥梁，夯实了摄影测量理论基础，激发了学生对摄影测量学习的热情和求知欲望。
作者：杨立君 江畅 陈劲松 单位：南京邮电大学
相关专题：创新思维理论与方法 天津自贸区 一带一路
