無人機(jī)參與攝影測量學(xué)課程實(shí)踐教學(xué)的應(yīng)用探索

摘要：無人機(jī)是近年來興起的研究熱點(diǎn)，在測繪科學(xué)領(lǐng)域得到了一定的應(yīng)用和發(fā)展。文章以中山大學(xué)地理信息科學(xué)專業(yè)攝影測量學(xué)課程為例，通過分析已有教學(xué)工作偏重于理論講授和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，對數(shù)據(jù)采集重視不足的問題，探索嘗試將無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用于攝影測量學(xué)課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，并在可行性分析、建設(shè)內(nèi)容與目標(biāo)、保障體系等方面展開分析，為促進(jìn)高校地理信息科學(xué)專業(yè)本科課程教學(xué)的先進(jìn)化、科學(xué)化和規(guī)范化提供參考。

關(guān)鍵詞：無人機(jī);實(shí)踐教學(xué);科研訓(xùn)練

中圖分類號(hào)：G642.0 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1674-9324（2020）01-0261-02

一、引言

攝影測量學(xué)是對非接觸物體進(jìn)行攝影，量測和解譯所獲得的影像，獲取被攝物體的幾何信息和物理信息的一門科學(xué)和技術(shù)[1，2]。課程教學(xué)環(huán)節(jié)側(cè)重于研究影像獲取、處理的理論和技術(shù)，以及將成果用圖形、圖像或數(shù)字表示的方法。該門課程是典型的理論與實(shí)踐緊密結(jié)合教學(xué)模式，其中實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)對培養(yǎng)學(xué)生理論知識(shí)的掌握與運(yùn)用具有重要作用。

攝影測量的生產(chǎn)作業(yè)包括了外業(yè)的航空攝影以及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理分析兩大部分[3]。攝影測量學(xué)課程已有教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)對內(nèi)業(yè)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)完成較好，但對外業(yè)實(shí)踐教學(xué)工作開展不足[4]。主要是受限于早期的航空相片采集平臺(tái)的限制，利用直升機(jī)、中型運(yùn)輸機(jī)等作為航空數(shù)據(jù)采集的平臺(tái)，數(shù)據(jù)獲取過程中的成本較高，極少數(shù)的課程能夠接觸到航空相片采集環(huán)節(jié)。近年來廣泛應(yīng)用的無人機(jī)技術(shù)，給攝影測量發(fā)展帶來了快速、靈活、低成本的數(shù)據(jù)采集技術(shù)方法。無人機(jī)對起降場地要求不高，飛行靈活，作業(yè)方便快速，已逐漸成為航空攝影測量的主要平臺(tái)之一[5]。經(jīng)過無人機(jī)攝影測量技術(shù)的探索與發(fā)展，已形成了一套成熟的無人機(jī)數(shù)據(jù)處理方法，為大量測繪單位所使用[6]。

將無人機(jī)引入攝影測量實(shí)踐教學(xué)中，將航攝外業(yè)生產(chǎn)流程代入課程，可彌補(bǔ)之前教學(xué)中航空攝影部分的空白，使學(xué)生完整地學(xué)習(xí)和理解攝影測量學(xué)實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用，同時(shí)緊跟攝影測量的技術(shù)發(fā)展。本文結(jié)合中山大學(xué)攝影測量課程實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，從可行性分析、教學(xué)課程建設(shè)內(nèi)容以及保障體系等方面探討無人機(jī)在攝影測量課程中的實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)。

二、無人機(jī)應(yīng)用實(shí)踐教學(xué)的可行性分析

在技術(shù)可行性方面，目前市場上的消費(fèi)級(jí)無人機(jī)可以滿足基本低空航空攝影測量需求[7]，且多數(shù)攝影測量數(shù)據(jù)處理軟件支持消費(fèi)級(jí)無人機(jī)數(shù)據(jù)的校正與拼接。以大疆精靈系列消費(fèi)級(jí)無人機(jī)為例，攝影測量的生產(chǎn)流程包括了航線規(guī)劃、實(shí)地飛行、影像校正拼接等步驟，最終得到數(shù)字正射影像圖與數(shù)字表面模型。目前，多數(shù)攝影測量軟件支持大疆無人機(jī)影像，如Pix4d、OneButton、Photoscan、Drone2Map等，其數(shù)據(jù)處理步驟等基本相同。

在人員可行性方面，本攝影測量學(xué)課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)中有三人具備無人機(jī)飛行經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)的操作證書，熟練地掌握無人機(jī)飛行技術(shù)與航片采集工作。同時(shí)能夠?qū)z影測量學(xué)理論與實(shí)踐結(jié)合，在數(shù)據(jù)采集與處理環(huán)節(jié)融合理論知識(shí)，加深學(xué)生對理論知識(shí)的理解。野外教學(xué)實(shí)踐中有多位指導(dǎo)教師參與，保證實(shí)踐教學(xué)的實(shí)習(xí)效果與安全。

在教學(xué)投入可行性方面，大疆精靈消費(fèi)級(jí)無人機(jī)面向消費(fèi)者市場，硬件成本較低;且消費(fèi)級(jí)無人機(jī)操作簡單，學(xué)生可在短時(shí)間內(nèi)完成基本操作的學(xué)習(xí)，無須花費(fèi)太多的時(shí)間成本。依托中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院教學(xué)機(jī)房已有的高性能計(jì)算機(jī)軟硬件資源，能夠滿足無人機(jī)影像處理的需求，將無人機(jī)引入攝影測量課程的總成本相對較低。

三、無人機(jī)應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)的建設(shè)內(nèi)容

實(shí)踐教學(xué)的前期準(zhǔn)備課時(shí)包含無人機(jī)結(jié)構(gòu)與飛行原理、無人機(jī)操作講解、安全教育、航線規(guī)劃與自主飛行、攝影測量學(xué)軟件教學(xué)等內(nèi)容，可在課堂中完成。隨后課時(shí)組織野外實(shí)習(xí)課程，學(xué)生預(yù)先分組，領(lǐng)取航攝任務(wù)，合作完成無人機(jī)數(shù)據(jù)采集工作，全部實(shí)踐過程由實(shí)習(xí)指導(dǎo)教師督導(dǎo)并負(fù)責(zé)安全。野外實(shí)踐期間鼓勵(lì)學(xué)生在保障安全的前提下，結(jié)合實(shí)際航測任務(wù)，自主分析和設(shè)計(jì)解決方案，并探索無人機(jī)在學(xué)術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值。

建設(shè)無人機(jī)攝影測量教學(xué)案例庫，提供實(shí)踐教學(xué)素材與參考，為實(shí)踐教學(xué)提供指導(dǎo)。將科研項(xiàng)目中無人機(jī)攝影測量相關(guān)工作整理匯總，作為教學(xué)案例，展示無人機(jī)在科研中發(fā)揮的重要作用。邀請學(xué)科教授開展講座，分享無人機(jī)測繪學(xué)術(shù)前沿。

建設(shè)無人機(jī)攝影測量實(shí)踐教學(xué)場地，保證實(shí)踐課程常態(tài)化開展。以地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院野外實(shí)習(xí)基地為依托，加深科研合作，充分利用基地資源條件，建立穩(wěn)定的無人機(jī)數(shù)據(jù)采集實(shí)踐教學(xué)基地。學(xué)生可在實(shí)踐教學(xué)基地提供無人機(jī)飛行實(shí)踐、野外調(diào)查等科研訓(xùn)練活動(dòng)。

積極開展教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)，保障高水平的教學(xué)質(zhì)量。該實(shí)踐課程由一名骨干教師與若干教師及助教組成，骨干教師需具有豐富的教學(xué)科研經(jīng)驗(yàn)，治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)且學(xué)術(shù)水平高。教學(xué)團(tuán)隊(duì)根據(jù)不同時(shí)期特點(diǎn)及時(shí)提出教學(xué)隊(duì)伍的培養(yǎng)、調(diào)整、補(bǔ)充的方案，同時(shí)接受少數(shù)本科生、研究生作為助教，培養(yǎng)教學(xué)與科研能力。

教材建設(shè)是實(shí)踐教學(xué)的重要內(nèi)容。教學(xué)團(tuán)隊(duì)根據(jù)案例庫編制實(shí)習(xí)指導(dǎo)書作為野外實(shí)踐指導(dǎo)與規(guī)范。同時(shí)根據(jù)教師自評(píng)與教學(xué)反饋每年更新實(shí)習(xí)指導(dǎo)書內(nèi)容，不斷完善課程體系，在條件成熟時(shí)出版相關(guān)教材。

四、無人機(jī)應(yīng)用實(shí)踐教學(xué)的保障體系與注意事項(xiàng)

1.實(shí)踐教學(xué)保障體系。無人機(jī)攝影測量實(shí)踐教學(xué)配備學(xué)科骨干教師領(lǐng)導(dǎo)的優(yōu)秀教學(xué)團(tuán)隊(duì)，具有豐富的實(shí)踐與教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。通過科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)踐教材編制，理論支撐實(shí)踐的教學(xué)模式，完善的教學(xué)評(píng)價(jià)體系，保障實(shí)踐教學(xué)的質(zhì)量。無人機(jī)攝影測量學(xué)實(shí)踐基地以廣東省梅州市野外實(shí)習(xí)基地為依托，保障實(shí)踐教學(xué)每年常態(tài)化開展。基地位于粵北山區(qū)低矮山地，距離城市人口密集區(qū)、重點(diǎn)設(shè)施較遠(yuǎn)，有山地、平原、村落等多種地形地貌，可選取森林、建筑、農(nóng)田等多種地物進(jìn)行無人機(jī)攝影測量實(shí)訓(xùn)與實(shí)地調(diào)查。本課程自開設(shè)以來獲得地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院教學(xué)經(jīng)費(fèi)支持，目前已經(jīng)購置輕小型消費(fèi)級(jí)無人機(jī)5臺(tái)，同時(shí)學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心具有手持GPS、地物光譜儀、正版數(shù)據(jù)處理軟件等，以保障實(shí)踐教學(xué)的順利開展。

2.注意事項(xiàng)。無人機(jī)攝影測量需注意飛行的合法性與安全性。近年來中國民用航空局頒發(fā)一系列無人機(jī)管理?xiàng)l例，對無人機(jī)的飛行、空域、安全等進(jìn)行規(guī)范。本課程中使用的消費(fèi)級(jí)無人機(jī)屬于微型無人機(jī)（空機(jī)重量小于7kg），其在野外無人地區(qū)進(jìn)行低空飛行由操作人員自行負(fù)責(zé)，無須申報(bào)[8]。而飛行時(shí)需遵守操作規(guī)范，注意人身財(cái)產(chǎn)安全：不在人員密集的場地飛行，不在干擾較大的環(huán)境飛行，不在大風(fēng)天氣飛行，平穩(wěn)操作，安全飛行。同時(shí)對于攝影測量作業(yè)，盡量選擇正午飛行，避免大面積陰影;保持一定飛行高度，避開障礙物。

五、結(jié)語

本文探索將消費(fèi)級(jí)無人機(jī)引入攝影測量學(xué)課程中，豐富和完善攝影測量學(xué)的教學(xué)內(nèi)容。消費(fèi)級(jí)無人機(jī)輕便易攜帶，操作簡單，成本低廉，適用于攝影測量教學(xué)的數(shù)據(jù)采集平臺(tái)。在教學(xué)實(shí)踐中學(xué)生面臨實(shí)際問題，教師引導(dǎo)啟發(fā)，激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)性、創(chuàng)造性，也將理論與實(shí)際結(jié)合，加強(qiáng)課程效果。攝影測量學(xué)既有理論部分，也有實(shí)踐部分，本文將理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)有機(jī)結(jié)合，進(jìn)一步完善攝影測量學(xué)教學(xué)體系，為今后的攝影測量學(xué)課程改革提供參考。

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Exploration of UAV in Practical Teaching of Photogrammetry Course

LIU Kai，GONG Hui，CAO Jing-jing

（School of Geography and Planning，Sun Yat-Sen University，Guangzhou，Guangdong 510275，China）

Abstract：UAV is a research hotspot in recent years，which has been developed in the field of surveying and mapping.Taking the Photogrammetry course of Geographic Information Science Major of Sun Yat-Sen University as an example，this paper analyzes the problems that the existing teaching work focuses on theoretical teaching and internal data processing，and pays insufficient attention to data collection，and explores the application of UAV technology in the practical education of Photogrammetry course，and analyzes the feasibility analysis，construction contents and objectives，guarantee system，etc.The study provides reference for promoting the evolution，scientization，and standardization of the undergraduate course teaching of geographic information science in colleges and universities.

Key words：UAV;practical teaching;scientific training