E-FOTO 面向教学的数字摄影测量工作站.doc

E-FOTO：面向教学(Educational)的数字摄影测量工作站(Workstation) Luiz Carlos Teixeira Coelho Filhoa, Jorge Lus Nunes e Silva Britoa, Guilherme Lcio Abelha Motaa, Marcelo Teixeira Silveiraa, Francisco Jos da Cunha Silveiraa, Rafael Alves de Aguiara, Irving da Silva Badolatoa aRio de Janeiro State University - Rua Sao Francisco Xavier, 524 Pavilho Joo Lyra Filho - 5o Andar, Bloco D, sala 5028 CEP 20550-900 Rio de Janeiro RJ Brazil - , , , , , , ISPRS Commission VI, WG VI/2关键字：E-learning, 网络教育, Joint-Education , 联合培养, Digital Photogrammetry, 数字摄影测量, System Integration, 系统集成, Geography, 地理学, Aerial Photogrammetry, 航空摄影测量学, Image Understanding, 图像理解, Computer-Assisted Teaching, 计算机辅助教育摘要E-FOTO项目的理念是提供一套软件集和教学材料，从而帮助学生理解摄影测量(Photogrammetry)的原理。项目的两个主要原则是：自由使用和自学。因此，通过阅读EBOOK、使用软件、阅读源码、甚至修改或为项目添加新模块，学生可以全面理解摄影测量原理。项目目前已经开发了以下模块：图像校正(Image Rectification)、内定向(Interior Orientation)、外定向(Exterior Orientation)、摄影三角测量(Phototriangulation)、立体图正态化(Stereogram Normalization)、数字高程模型(Digital Elevation Model)、正射纠正(Ortho-rectification)和数字立体展绘(Digital Stereo-plotting)。另外，项目还整理了一些文档，主要是以下四个：在线帮助文档、数字摄影测量的EBOOK、项目网站和其他相关杂项。项目接下来会对文档进一步提炼整理，然后翻译成多种语言，源码也是。项目中的软件集在完善过程会形成相互关联的程序包(package)，连接通过传递XML 文件的方式，主要由以下四个功能实现：保存、访问、验证和处理E-FOTO模块产生的数据。最后，项目组旨在期望能开发一套课程和建立一个网络教学的环境，从而适应大学教程，并创造扩展课程或研讨会。1、介绍1.1、概要介绍E-FOTO项目旨在实现面向教学的数字摄影测量工作站。该实现是遵循GNU/GPL的免费软件。E-FOTO不会与数字摄影测量领域的商业软件产生竞争。在E-FOTO环境下，用户可以学习到隐藏在商业软件背后的概念、工具、算法。另外，自由访问源码也可对世界各地的研究者用在摄影测量的实验中。为此，E-FOTO的主页上提供了一些教学材料。这些材料包含三个数字化框架、航拍影像、PDF版的相机校正证明，以及地面控制点。项目完成了所有计划开发的模块，并在社区提供给大家。现阶段的开发主要是符合软件工程思想的优化。1.2、历史简述E-FOTO项目始于2002年，在the Military Institude of Engineering提出，依托Rio de Janeiro State University的地理信息学研究生计划，2007年5月达成了最初的计划目标：校正、内定向、外定向、三角测量、数字补偿(Digital Restitution)、立体图正态化、数值模型提取、正射纠正的第一版实现。1.3、影响和展望E-FOTO项目和相关材料目前正被巴西和其他国家地区的各种机构、个人使用。虽然任务是处理摄影测量，但E-FOTO并非以整合方式实现，而是每个模块都是独立的。这是该项目的创新。这将在本文后面的进行讨论。新的实现目前包含：(1)XML摄影测量项目控制文件的处理、(2)用于整合各个程序集的控制层可以提高易用性。控制层同时也控制所有数据流的输入和输出。这可以让用户只输入必要的数据，其他数据直接从之前生成的XML文件中读取就行了。控制层另外的功能是用户在UI界面输入的数据的验证。1.4、本文目标本文用于描述E-FOTO已经取得的成果和迄今已形成的影响。也介绍了项目的发展方向和未来展望。2、方法论 E-FOTO项目目前由Rio de Janeiro State University的系统和计算程序/地理信息学专业的硕士生开发的。开发团队是综合性的团队，其中包含摄影测量学、软件工程、WEB设计、计算机编程等方面的专家：地理信息学的研究院、教授和大学生、研究生（制图学和计算机工程学）。Special scholarships were destined to technical and administrative support personnel and funds were directed towards the publishing of the Digital Photogrammetry book and designing of the official webpage.关于摄影测量模块的开发策略，首先使用高阶(high-level)语言来实现算法MathCAD平台。在通过MathCAD实现并测试通过后，算法再使用C+实现，通过QT图形用户接口。0.0x版本的E-FOTO相继在互联网上提供了下载。每个版本都有相应的功能升级。尽管E-FOTO拥有数字摄影测量工作站的各项处理功能，但有一点需要特别提醒，因为各项功能集成的复杂度，目前E-FOTO并没有像商业工作站那样将各个模块很好的连接起来。当然，连接各个模块，将会是后续的工作之一。本文后面会再进行描述。3、成果3.1图像校正模块根据Andrade(1998)，图像校正是根据图像的透视轴(perspective axis)将图像重新投影到一个水平面上。也就是说，通过校正，可以修正、甚至完全消除相机的姿态角。校正过程需要涉及到特定的参考点(reference point)和目标图像的焦距。对航空/轨道(orbital)摄影测量进行校正的主要目标在于消除在拍摄时因传感器姿态而引发的变形，从而生成一幅新的垂直图像。基本上有两种方式可以实现校正：变换transformations（仿射变换affine，等角变换isogonal，多项式变换polinomial，投影变换projective等）和共线性方法colinearity principle。E-FOTO可对图像通过以下变换进行校正：一般仿射变换(general affine)、等角仿射变换(isogonal affine)、正交仿射变换(orthogonal affine)、刚体仿射变换(rigid body affine)、等角变换(isometric)和投影变换(projective)。另外，软件提供四点插值方案：最近邻(nearest neighbor)、双线性(bilinear)、双三次(bicubic)、拉格朗日(Lagrange)。图像校正模块是作为本科生毕业设计(final project)项目启动的(Lima, 2003)，其算法是在MathCAD平台上实现和进行效果测试。这个项目实现了六种类型的变换：一般仿射变换、等角变换、投影变换、正交变换、刚体变换、直接线性变换(direct linear transformation)。不过，实现用的软件不是免费的，而且不允许用户直接操作图像。2005年，图像校正模块发展成为一个可执行的程序发布到了网上社区，使用C语言，实现接口化(attached to a interface)，从此变得更加稳定了。这个版本增加了四点插值算法：最近临插值、双线性插值、双三次插值、拉格朗日插值。图1为图像校正模块。图 1 图像校正模块3.2内定向内定向模块也是作为毕业设计项目启动的(Coelho, 2002)。它采用C+语言实现，用到了QT开发工具包。此版本尽管采用了正确的公式和源码，但因为程序开发是为了证明其设计人员最初的一些设想，所以在界面友好性(amicability)和程序可用性(usability)上呈现了不少问题(IBRAU, 2007)。2006年，因为随着在开发其他E-FOTO模块过程中掌握的专业知识的加深，以及软件工程学生的加入， 以及原有的内定向程序存在友好性和易用性问题且源码因未做好良好设计已变得难以理解，因此，原有的内定向程序被废弃不用。然后E-FOTO开发了更高效、易用、直观、代码可重用的新接口。比如其中的View类就是个好例子。此类负责可视化和数字摄影测量图像的测量。此类被用于内定向、外定向、数字测量、摄影三角测量和正态化模块中。内定向是这些步骤的入口。图2为内定向模块。图 2 内定向模块内定向模块内定向结果中包含变换产生的矩阵，也包含定向质量的统计参数。3.3外定向外定向模块是直接用C语言实现的。但是，外定向一开始也有和内定向相同的问题。所以，后来进行了改进。第一版本的结果是不错的。并且第一版的代码也在改进时进行了重用。如图3所示，用户很方便的就可以缩放图像，以及管理测量点。这样用户可以快速完成精确的测量。在这里用户的唯一任务就是找到并测量相关点。图 3 外定向模块同内定向模块，外定向结果中包含变换产生的矩阵，也包含定向质量的统计参数，还包含整个过程中迭代的次数，以及描述调整未收敛(converge)的消息。3.4摄影三角测量摄影三角测量作为本科生项目创建(Silveira, 2004)，该项目与一个使用平差(bundle adjustment phototriangulation)进行点坐标计算的算法项目相关。该模块的测试是通过拿一个像对进行匹配，比较与其他解决方案的结果的差异，并确认该模块的结果更加优秀。不过，该模块的第一步仍然是基于MathCAD算法的。所以必须将其移植到其他语言，才能让程序更加用户友好和便于计算。后来代码用C+语言实现了，并且创建了两个接口：一个是有关点测量的（允许用户联机测量一个点，并获取坐标），一个是关于点创建的（用户可以定义测量点集合，比如Grubber测量点，并且一起计算它们的坐标）。图4为摄影三角测量模块界面。图 4 摄影三角测量模块3.5立体正态化模块图 5 立体正态化模块此程序使用了Schenk-Cho正态化算法(Schenk and Cho, 1992)。正态化主要目的在于根据核线几何(epipolar geometry)生成一个立体图，从而使自动测量更有效率。该模块也是作为本科生毕业设计项目实现的(Sokal, 2007)。3.6 DEM抽取模块数字高程模型(或者叫数值高程模型Numeric Elevation Model)模块，目的是为了在地形上创造虚拟网格，以便推导高程值并建立地形模型，从而支持正射影像的生成。该模块使用共线性方程概念，以重构透视光束(perspective rays)并测量地形上的3D点。该模块也用到了空间交叉法(spatial intersection)，以重建测量高程用的立体模型解析图(stereoscopic model analytic aviograph)。模块测试使用的是Rio de Janeiro State大学的主校区,生成了它的一个3D影像(3d visualization)。图6为DEM抽取模块图 6 DEM抽取模块3.7正射纠正模块正射纠正模块与DEM抽取模块是一起实现的。正射纠正是DEM抽取步骤的后续步骤。一旦DEM抽取了，正射影像就生成，正射影像有两种类型：一种同时包含高程和灰度信息(grey level information)的完整模型；另一种仅含灰度信息，如数字正射影像(digital orthoimage)。3.8数字补偿模块图 7 数字补偿模块数字补偿模块目的是根据立体像对生成物体表面轮廓。有了这些轮廓，就为抽取三维要素/对象提供了可能。这些三维要素可以作为back-lines插入到DEM中。图7是数字补偿模块。3.9教学和在线工具以下4个文档作为E-FOTO的一部分撰写：在线帮助、数字摄影测量的EBOOK，项目主页和其他杂项。4未来趋势E-FOTO的未来工作是整理文档和代码，转换成多种语言。4.1代码再工程尽管提供了摄影测量的基本功能，但E-FOTO是单独实现它们的。这意味着E-FOTO不是集成化的环境，而是一个个孤立的程序。所以，项目下一步需要整合程序包，通过XML文件作为数据存储、访问、验证、处理方式，实现集成化环境。项目会加入控制层，以便实现用户和软件之间的交互。并且，当可执行文件发布时，软件的生命周期并未完结，相反的，这是最重要的任务的开始代码维护。因此，E-FOTO项目正在努力修复旧软件的缺陷，同时开发新的软件。在线工具（EMAIL和SourceForge论坛）都是用户反馈问题的有用渠道。E-FOTO在一开始就选择了跨平台的QT图形用户接口。此接口允许软件在Windows、Linux、MacOS操作系统上编译。当前版本是4.0。每次QT升级，代码迁移的工作量都巨大，因为许多类都废弃不用了。目前E-FOTO使用的是QT 4.0。4.2网络教学最后，项目组旨在期望能开发一套课程和建立一个网络教学的环境，从而适应大学教程，并创造扩展课程或研讨会。主要思路是允许学生通过Internet进行交互，通过基于网站、虚拟课堂、聊天、E-MAIL、论坛、数字图书馆等工具进行各类实验。此类教学系统背后的主要意义在于(Pimentel and Santos, 2002)： 交互式知识（无课堂时间限制）； 学生可以根据自己的节奏，随时随地学习； 学生以及导师、教师之间可以协作； 网络导航，允许搜索自己的答案； 学科的模块化，允许学生根据自己的自然学习方式获取知识内容。另一个项目的目标是将数字摄影测量书籍（以及EBOOK）翻译成英语和西班牙语。希望有志愿者可以加入。5结论作为结语，可以说E-FOTO项目作为缺乏预算和资金 “第三世界”国家的大学所开发的项目，正在努力帮助支持它的环境。不过现在已经有必要继续进行此项研究了。后续的开发和新软件生命周期、教学材料、项目主页，可能收录未来的一些进一步进展，这些进展对项目成长有着不可置疑的贡献。此处的workstation一词，指可以完成一系列摄影测量工作的环境，并非指硬件。原文：and code as well。此处不知是指源码也会进一步整理，还是说源码也会移植到其他编程语言，还是说源码中的注释会翻译成多种语言原文：Finally, it is the teams intent to develop on-demand courses and e-learning environment that will make possible the adaptation of it to university curricula and the creation of extension courses and symposia.很遗憾，最后一节不知所云。As a final word, it is possible to say that the E-FOTO project has been trying to help the environment that has been supporting it: a “third world” country university, where budget and funding are always delicate issues. However, it is now possible to have the necessary continuity upon the research infra-structure developed by the project. The continuous development and a new life cycle of the software, didactic material and project webpage might allow in the future several further developments which will, for sure, contribute for the growth of this project.REFERENCESAndrade, J. B. Fotogrametria. SBEE. 1998. 232 pginas.Cho, W., T. Schenk and M. Madani. Resampling DigitalImagery to Epipolar Geometry. The Ohio State University,1992.Coelho, L.C.T, Estao Fotogramtrica Digital Educacional.Instituto Militar de Engenharia, Rio de Janeiro, RJ, 2002. 79pages.I