创新型摄影测量教学实验系统的设计

创新型摄影测量教学实验系统的设计【**稿】张祖勋:从VirtuoZo谈摄影测量时代的变迁(图1)创新型摄影测量教学实验系统的设计【**稿】张祖勋:从VirtuoZo谈摄影测量时代的变迁(图2)创新型摄影测量教学实验系统的设计【**稿】张祖勋:从VirtuoZo谈摄影测量时代的变迁(图3)

人物名片

       张祖勋,**工程院院士,国际欧亚科学院院士,摄影测量与遥感学家,武汉大学教授、博士生导师,全国高等学校先进科技工作者,**级有突出贡献中青年专家。张院士长期从事摄影测量与遥感的教学和研究工作,在航空(天)影像测图自动化方面取得了国际一流的研究成果,获得**自然科学二等奖、**科技进步二等奖等多项**和省部级奖励。

创新型摄影测量教学实验系统的设计【**稿】张祖勋:从VirtuoZo谈摄影测量时代的变迁(图4)

图1 张祖勋作报告

摘 要:为了在测绘学科教学实践中提高学生的理论水平和分析解决问题的能力,该文以摄影测量的生产流程为主线,研究实现从航空数据获取、像控点测量、空中三角测量、“4D”数据产品生成、三维建模与仿真到GIS属性入库的全过程模拟,旨在解决摄影测量课程教学过程中所面临的抽象、枯燥、高成本、高风险的问题;并以摄影测量实验系统采集的数据为基础,增加了控制测量、GIS入库、三维GIS等实验内容,以期为测绘学科的教学发展以及学生的实践能力提高作出贡献。

随着摄影测量学的发展,我国高等院校的测绘工程及相关专业都开设了摄影测量学课程,**部高等学校测绘学科教学指导委员会已经将其作为测绘类专业的最核心、最重要的主干课程之一。随着摄影测量技术的不断发展及其理论的进一步完善,摄影测量如今已进入数码摄影测量时代,在“数字城市”“智慧城市” “地理国情普查”等领域发挥了非常重要的作用。摄影测量技术的不断发展对测绘人才的培养提出了更高的要求,不仅理论功底要扎实,而且实践创新能力要突出。

创新型摄影测量教学实验系统的设计【**稿】张祖勋:从VirtuoZo谈摄影测量时代的变迁(图5)

报告现场  

摄影测量学是一门内容抽象、逻辑严密、实用性强的专业课,学生通过该课程的学习应系统地掌握摄影测量学的基本理论与方法。摄影测量学课程具有“多、繁、广” 的特点:基本概念多,公式推导多, 综合运用了高等数学、线性代数、测量平差、GPS 原理等多个学科的知识, 尤其是高等数学中的微积分、泰勒级数, 线性代数中的矩阵运算和测量平差中的最小二乘等; 空间关系复杂,空间立体感强, 摄影测量处理过程涉及到多个坐标系之间的转换, 空间关系较为复杂, 侧重由空间到平面、由平面到空间的思维过程, 需要学生具有较强的空间想象能力; 知识面广, 内容衔接紧密, 它是一门重要的对地观测技术, 涉及到数学、物理、网络与数据库技术、数字图像处理技术、模式识别、人工智能、计算机图形学等多种技术,要加强学科间的联系。

当前摄影测量教学过程中,主要存在的问题在于学生对摄影测量的理解仅仅停留在课本上的感性认识,即一大堆公式的理解和推导,而在实际生产中原理与实践的结合却存在脱节,因此对课程学习的效果并不理想。摄影测量实践教学是该课程学习的重要环节,其目的在于使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、巩固摄影测量学的基本理论知识,掌握摄影测量数据处理与产品生成的全过程,并了解其应用。但目前绝大多数高校在摄影测量学实践教学中存在问题,主要体现在实践场地有限甚至没有,基本上都是利用VirtuoZo和JX4等软件进行一些航摄的数据处理,完成几个相对独立简单的模块功能使用,结果导致学生对航测作业的全过程没有一个整体认识,缺乏实践操作,不利于课堂教学,造成学生普遍感到学习该课程非常吃力。鉴于此,课题组根据摄影测量规范要求, 充分考虑到当前摄影测量实验教学及传统测绘实验方式单一的不足, 同时结合实际的生产流程, 联合国内部分高校设计、研发了一套测绘模拟实验系统,实现了摄影测量全流程的真实模拟,成果精度可以满足摄影测量规范要求; 与此同时,利用沙盘模型还可以开展控制测量、地形测量实习和GIS等诸多实习。

 多功能测绘模拟系统的设计。该系统通过3条“工”字形高强度导轨,配以步进电机,设计专门的无线控制系统, 搭建室内模拟飞行轨道系统; 通过对民用单反相机进行钢架外框加固,基于高精度室外检校场进行相机标定,实现民用相机的量测化改造; 设计专门的沙盘模拟地形地貌,通过结合以上三者实现模拟航空摄影飞行,无线控制系统可根据航线设计软件的参数控制相机在轨道范围内的运动及曝光, 获取沙盘的航空影像, 并对获取的影像数据进行空三加密、矢量测图、三维建模等一系列处理及应用。

       2017年11月24日,张祖勋院士做客Geoscience Cafe第179期学术交流活动。从带领他走进摄影测量专业大门的反光镜,尊敬的老师王之卓先生,到VirtuoZo软件研发过程及其在全世界的应用与评价,张祖勋结合自身六十余年的求学与科研经历,为大家详细介绍了VirtuoZo背后的一系列故事,也从VirtuoZo的发展谈到了摄影测量不同时代的开始与结束。最后,张祖勋还简单介绍了近年大热的人工智能对摄影测量发展的推动作用。

轨道及曝光控制设计。该控制软件主要采用航线设计当中的横向与纵向位移参数来控制“工” 字形轨道中横梁在平行直轨中的精确运动, 以及安装于横梁之上的数字相机的精确运动及曝光。当相机运行至曝光点时,相机将在电脑控制下曝光。

沙盘设计。系统沙盘模型的设计对于培养学生的实践能力具有非常重要的作用, 在沙盘设计当中充分考虑了学校一线教师及生产单位作业人员的建议,设计具有典型地貌特征的山体, 同时在城市建筑结构、城市设施等方面做了一些特殊处理。例如:将房屋高低结构复杂化、在城市当中设计结构复杂的立交桥系统等, 这样便于培养学生的立体感知能力及三维测图的技能。与此同时, 在模型当中还设计有高等级公路及河流, 其目的在于后期可以开展基于GIS 技术的道路改扩建分析、河流淹没区分析, 加强学生对GIS 技术的应用认识。

摄影测量学是一门理论与实践并重的课程,其实践教学部分对于培养学生扎实的摄影测量学处理技能、完成从理论学习到实践应用的过程有关键意义。本文结合测绘类学生培养的实际情况、当代摄影测量学发展的趋势, 联合国内多所高校共同完成了创新性多功能摄影测量实验系统设计与开发, 完全具有自主知识产权, 它改变了传统的摄影测量实验教学模式, 实现了摄影测量全流程的真实模拟, 成功完成了基于沙盘模型的“4D” 数据生产, 并完成了沙盘模型的三维可视化建设。该系统的优势主要体现在能够节省成本、规避野外风险、打破时间空间的限制, 这对国内高校的测绘类创新型人才培养具有重要的作用。随着计算机技术、传感器技术及空间技术的发展, 整个测绘学科以及摄影测量学都处于动态发展之中, 课题组将紧跟测绘新技术的发展步伐, 逐步开发并完善高精度室内定位、模拟航空LiDAR、模拟倾斜摄影测量等新的实践教学内容, 为全能型高端测绘人才的培养提供支持。

创新型摄影测量教学实验系统的设计【**稿】张祖勋:从VirtuoZo谈摄影测量时代的变迁(图6)

图2 报告现场

引用格式:胡倩伟,刘先林,曲建光,等.创新型摄影测量教学实验系统的设计[J].测绘科学,2016,41 (3):181-184.创新型摄影测量教学实验系统的设计【**稿】张祖勋:从VirtuoZo谈摄影测量时代的变迁(图7)

       我国首套拥有自主知识产权的摄影测量系统——VirtuoZo软件的诞生、推广和应用,彻底简化了数字摄影测量的仪器设备,改变了摄影测量的"贵族"身份,促使**摄影测量生产方式完全改变,生产规模扩大,促进了摄影测量的跨越式发展,张祖勋院士功不可没。

创新型摄影测量教学实验系统的设计【**稿】张祖勋:从VirtuoZo谈摄影测量时代的变迁(图8)

师从名师,储备知识

       1955年,张祖勋考入同济大学。从反光镜出发,开始了为期五年的摄影测量专业学习。上世纪五十年代,摄影测量还处于模拟摄影测量时代,国内没有用于摄影测量的先进仪器,测量人员工作量大、效率低。张祖勋回忆大学的第一次实习是利用一个简单的45°夹角的反光镜和钢尺完成了测量任务。之后师从我国摄影测量与遥感学科的奠基人王之卓先生,随着对计算机程序的了解与深入学习,也源于王先生分配给他的关于相对定向编程的任务,他开始了与计算机编程的不解之缘,至今仍然保持着编程的习惯。

       张祖勋还向大家讲述了在瑞士WILD学习半年的经历。当时,**测绘局从瑞士进口了大量的B8S仪器,以此换来了他和另一位老师出国学习的机会。在瑞士学习期间,张祖勋珍惜每个机会,仔细研究了当时除T4外所有的经纬仪和水准仪。正是这种不断学习的精神,使得他一次又一次地提出新的理论,促进摄影测量的跨越式发展。

VirtuoZo诞生的背景

       1978年,当王之卓先生提出“全数字化自动测图系统”的构想时,国内外反对声络绎不绝。由于当时技术发展的限制,多数人认为“胶片是影像最好的信息载体”,影像“数字化”理论显得非常另类,不可实现。而张祖勋觉得王先生的想法很有挑战性,不管最终能否用于生产也值得一试,值得为之一搏。

       张祖勋提到,王之卓先生的全数字化自动测图研究的构想建立在前人研究基础上的,也并非完全原创,但只要在原有基础上有一点突破,就是创新。

       对于VirtuoZo课题项目成立的背景,张祖勋讲到,在理论基础方面,摄影测量全数字化在国内没有任何参考资料,国际上也寥寥无几,必须从零开始;在资金方面,**拨款120万元,这在当时是一笔不菲的费用,但对于“全数字化”而言,这笔资金少之又少。他们花费其中25万美金从英国购置了影像扫描仪SCANDIG 3与NOVA 3/12计算机。相对于一张影像上百兆的数据量与如今具有几个G内存的计算机而言,这套设备相当简陋。

VirtuoZo的研制过程

       对于VirtuoZo的研究过程,张祖勋称之为既艰苦(痛苦)而又好玩的研究过程。

       1979年,张祖勋领导的课题组开始了项目试验。当时,数据输入靠早已淘汰了的穿孔纸带,逐点人工读数、记录、穿孔,工作繁琐,速度极慢。到1985年初,历经整整6年,课题组终于编制出“全数字化自动测图系统软件包”,研究成果达到上世纪80年代国际先进水平,引起整个测绘界震动。然而,张祖勋并没有就此满足,果断提出:“我们的研究成果从严格意义上来说还只是停留在理论阶段,必须做出能够应用的实际产品。” 1986年,张祖勋又领导课题组开始研究 “全数字化自动测图系统中间成果的应用”。1992年6月,经过扩充与完善,一个具有实用性的研究成果——全数字化自动测图系统软件诞生了。演示软件期间,两位国外教授看中其价值,为之后与澳大利亚的合作奠定了基础。1992-1994年,张祖勋团队实现了这套全数字化自动测图系统软件的商品化。

       这项由王之卓倡导、由张祖勋历时14年主持完成的全数字化自动测图科研成果,于1993年获得**自然科学二等奖。

VirtuoZo商品化的谈判过程

      1994年,张祖勋决定借助国外资金与技术,快速实现科技成果商品化。他与澳大利亚合作,在澳大利亚黄金海岸首次推出具有我国自主知识产权VirtuoZo的SGI工作站版。

      张祖勋把当时的谈判过程称为有趣且艰难。谈判伊始,澳方要求1992年开始合作后知识产权属双方共同所有,张祖勋称如果同意澳方的要求,我们就没有今天的VirtuoZo。他据理力争一个多星期,对方同意在长达22页的合同上注明:武汉测绘科技大学拥有版权!谈判过程中的另一个问题就是销售问题。在软件的销售范围上,澳方坚持拥有全球独家销售权,但张祖勋坚持,在**市场上澳方不能独家代理。张祖勋说,**人要从外国进口**开发的产品,这是他不想看到的,因此保留了该软件在亚洲地区(中东除外)的销售权。

      全数字化自动测图系统软件原名为SoDAMS(数字化自动测图系统软件),后更为WuDAMS,最后张祖勋接受一位外国朋友的建议,确定为:VirtuoZo,在英文中有“艺术家”、“虚拟摄影测量” 等多种意思。

VirtuoZo的推广和应用

       VirtuoZo在国内外的水利、铁(公)路、城市、电力、世界**遗产保护等领域得到广泛应用。早在1997年,VirtuoZo就开始应用于三峡工程,进行三峡坝区每年一次地形图的快速更新,制作高清晰大视野的全景影像图;敦煌研究院将其应用于敦煌壁画的保护;苏黎世高等工业大学利用VirtuoZo对被毁前的阿富汗巴米扬大佛图像进行半自动量测,成功实现了三维重建;德国、比利时用于处理CORONA卫星影像;英国用于处理ASTER立体卫星影像;韩国应用于数码城市……

       VirtuoZo也因此在国际上获得了很高的声誉。1996年国际摄影测量与遥感学会的维也纳大会上,美国Leica公司产品总监Walker先生、英国GLASGOW大学Petrie教授所作的特约报告中称,“VirtuoZo是一个羽翼丰满、具有很多创新特点并正在参与全球竞争的产品。”   2000年国际摄影测量与遥感学会的阿姆斯特丹大会上,瑞士苏黎世联邦技术大学称,他们将国际上主要的三个摄影测量系统(Match-T、LHS DPW770、VirtuoZo)用于冰川的研究并进行了比较,发现VirtuoZo完成任务是最好的,也适用于起伏的地形;计算时间是最短的,比其它两个系统快一个数量级;三个系统中,在精度、速度、价格和易使用方面VirtuoZo都是最好的。2001年,在GIM杂志上VirtuoZo(Supersoft)被列为数字摄影测量的第一类产品。2002年,国际摄影测量与遥感学会原主席、东京大学教授村井俊治在日本《测量》杂志撰文《**的IT行业登陆日本》称:“最先商品化的软件是张祖勋教授开发的利用数字影像匹配进行数字摄影测量的软件,名称叫VirtuoZo,这个软件就是一个数字摄影测量的优秀产品。我想我们已经到了该向**学习的时候了。”

       VirtuoZo的成功意味着摄影测量由“贵族”宝座走向了“平民化”,人人都能用摄影测量,也意味着摄影测量时代已经由模拟(解析)摄影测量转变为数字摄影测量,而数字摄影测量时代的完成也意味着信息与智能化时代的开始。

VirtuoZo的后续发展

       VirtuoZo之后,张祖勋并未就此止步,提出了更加先进成熟的数字摄影测量系统——数字摄影测量网格(DPGrid)。DPGrid实现了从单机到网格(grid)的发展,充分利用当前先进的数字影像匹配、高性能并行计算、海量存储与网络通讯等技术,实现航空航天遥感数据的自动快速处理和空间信息的快速获取,其性能远远高于当前的数字摄影测量工作站。而DPGrid与esri的强强联合、优势互补,实现了我国数字摄影测量技术整体水平的进步。张祖勋也表示,从VirtuoZo到DPGrid的发展并不是摄影测量发展的竞争者,摄影测量真正的竞争者是计算机视觉。

       张祖勋也从人工智能的角度说明了现阶段摄影测量较为欠缺的方面:GPU的深度学习、GPU的并行处理能力不够,这大大限制了摄影测量技术的进步。而人工智能的发展极大地推动信息与智能化摄影测量时代的发展,其中人工智能对传统摄影测量改变最为明显的是不再存在传统的摄影测量航线。

      最后,张祖勋表达了对年轻人的寄语:“把论文写在祖国的大地上!愿各位年轻人将信息化智能化摄影测量更上一层楼!”

创新型摄影测量教学实验系统的设计【**稿】张祖勋:从VirtuoZo谈摄影测量时代的变迁(图9)

互动交流  

       提问环节时,观众们热情高涨,嘉宾选取了几位观众进行交流,并送出了由GeoScience café**的第二卷《我的科研故事》作为提问奖励。

GeoScience Cafe公众号征集问题:请问张院士,在带领团队开发VirtuoZo的时候,想必困难重重,请问张院士是如何建设团队和凝聚团队的?

张祖勋院士:我觉得成功不是一个人的成功,是一个团队的成功。我曾经在武测一个设备处的工作会议中说过,一个项目如果想真正地成功,仅仅靠教授、博士是不行的,还需要高级的实验员。我们团队中一个实验员的手非常巧,他也懂电,如果没有他,我们可能不会成功。在研究过程中,该投入的要投入,该回报的要回报,但是必须记住的一点是必须靠团队。工程院的院长曾经说,什么叫做工程,什么叫团队,大家围在一起做一件事,这件事才能成功。所以团队是非常重要的。

观众A:请问怎么看地图制图综合问题的研究?以及GIS室内定位的研究?哪个更适合做未来以及个人长期稳定的课题研究计划?

张祖勋院士:这是两个完全不同的问题。根据我的了解,地图综合确实是一个非常大的难题,包括现在郭仁忠院士团队也一直在研究这个问题。而室内定位现在也是一个很重要的问题,目前室外主要是摄影测量、GPS等,定位的研究很多。室内定位的研究目前也不少,包括同济大学的一个做地质相关工作的老师也在研究室内定位。地图综合和室内定位的确是两个不同的问题,不好比较。

创新型摄影测量教学实验系统的设计【**稿】张祖勋:从VirtuoZo谈摄影测量时代的变迁(图10)

图3 互动交流

观众B:张院士您好!请问您是如何看待航空摄影测量未来的发展的?现在计算机视觉已经得到了迅速发展,在这个过程中,三维重建这一方面您怎么看?

张祖勋院士:航空摄影测量这一方面我可以发表一下感想,大家很多人问我摄影测量与计算机视觉的不同。摄影测量还是摄影测量,因为摄影测量含有测量两个字。摄影测量和计算机视觉最大的差别是含有测量两个字,测量是讲究精度的,而计算机视觉做出来的几何很多软件都没有精度评价标准,甚至会出现错误的情况,这就是计算机视觉。也有人跟我说,计算机视觉一开始就是为了解决摄影测量中的一些问题,包括现在同名点的产生问题,以及大规模范围的解算问题,计算机视觉肯定是走在摄影测量前面的,因为它不会死机,摄影测量经常会在解算大规模范围时出现死机的情况,但是摄影测量中解算不出来时还是会有精度评价。这就是目前我觉得摄影测量与计算机视觉最大的差别之一。包括现在相机标定问题,以前有大量关于计算机相机标定的文章,但是现在基本上没有了。但是目前计算机视觉相机标定的精度如何?有没有未知数的中误差?这些都是没有的。摄影测量中有一个方程能够解算精度问题,但是计算机视觉中没有,计算机视觉还需要一段时间才会考虑到精度问题。测量必须讲规范,没有规范就不是测量,而计算机视觉不需要讲究规范。

观众C:张院士您好!我想问您一个问题,您刚才强调了我们摄影测量现在面临着一个计算机视觉的竞争和压力,我们现在找工作的过程中也发现本来和我们摄影测量没有关系的一些企业,比如华为、百度、腾讯这些企业也有很多摄影测量方面的人才需求,在这种情况下,您对我们这些应届的博士或者硕士毕业生找工作有什么建议或者看法?

张祖勋院士:这是一件大好事,拓宽了你们就业的渠道。我们团队的一个老师也被调去华为工作,工资不错。有摄影测量的支持,也有市场对人才的需求,计算机视觉现在也提供了很多就业机会。我曾经到北京一个公司去看过,他们有一个13年理工大本科毕业的学生做GIS,他花了2年多的时间把整个国外的商业重建的开源代码全部理解,他能把西藏的某个地方将近400多张照片全部用自己的软件跑通,所以本身的专业基础还是很重要的。

创新型摄影测量教学实验系统的设计【**稿】张祖勋:从VirtuoZo谈摄影测量时代的变迁(图11)

图4 张院士与GeoScience Café团队成员合影留念

创新型摄影测量教学实验系统的设计【**稿】张祖勋:从VirtuoZo谈摄影测量时代的变迁(图12)创新型摄影测量教学实验系统的设计【**稿】张祖勋:从VirtuoZo谈摄影测量时代的变迁(图13)

图5 张祖勋为GeoScience Café赠言

文字:王宇蝶、刘璐

摄影:杜田、赵程 

摄像:王源、王宇蝶

主持:龚婧

创新型摄影测量教学实验系统的设计【**稿】张祖勋:从VirtuoZo谈摄影测量时代的变迁(图14)

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