淺談無人機航空攝影測量學在教學中應用

楊朔 吳臻 肖明星 宋樹紅 余浪

攝影測量學是信息的獲取及對信息加工、處理的一門科學。傳統(tǒng)的攝影測量學是利用光學攝影機獲取像片，通過像片來研究和確定被攝物體的形狀、大小、位置、和相互關(guān)系的一門科學技術(shù)[1]。航空攝影測量主要包含外業(yè)與內(nèi)業(yè)工作兩大部分，外業(yè)主要包括控制點測量與地物調(diào)繪;內(nèi)業(yè)包含空中三角測量、正射糾正、測圖等流程[2]。目前，無人機在航空攝影測量領(lǐng)域發(fā)展迅速，廣泛應用于測繪、巡線等領(lǐng)域。我校作為貴州省高等職業(yè)院校早期開設無人機應用技術(shù)專業(yè)的高職院校，如何在實際教學中開發(fā)設計出一套適應高職學生的教學計劃及課程體系成為了重點。

1.航空攝影測量學在教學中存在的問題

攝影測量學作為高職專業(yè)無人機應用技術(shù)的專業(yè)核心課程，在教學和實踐中主要存在以下兩個問題。

1.1理論性強，內(nèi)容不容易理解

攝影測量學的主要內(nèi)容主要包含解析空中三角測量數(shù)字地面模型的建立以及數(shù)字攝影測量基礎等內(nèi)容，需要根據(jù)共線條件方程，將具有重疊的兩張影像恢復重疊區(qū)域的三維現(xiàn)實[2]。其數(shù)學計算過程嚴密，對學生的數(shù)學功底要求極高，需要大量的公式推導，如內(nèi)、外方位元素、像點位移、立體的前方交會、后方交會等內(nèi)容，在講解這些知識點時，需要大量的數(shù)學思維和計算能力。然而在講解的過程當中，公式的推導學生容易感到枯燥乏味，進而影像學習效率。高職的學生數(shù)學功底普遍不牢，對于這一理論知識的掌握，有一定的難度。

1.2理論知識與實踐環(huán)節(jié)融合不強

傳統(tǒng)的地面測量是測繪行業(yè)采集收集數(shù)據(jù)的主要方式，根據(jù)時代的發(fā)展，現(xiàn)如今測繪行業(yè)已經(jīng)從傳統(tǒng)的地面測量逐漸發(fā)展為攝影測量，近幾年，測繪行業(yè)對畢業(yè)生綜合能力的要求在逐年提高。根據(jù)走訪貴州省一些測繪行業(yè)及對我校無人機應用技術(shù)專業(yè)畢業(yè)生調(diào)查發(fā)現(xiàn)，能夠掌握攝影測量的流程，并在校學期期間，能夠掌握航空攝影測量流程，主要包含內(nèi)業(yè)和外業(yè)技術(shù)，并且能夠完成較為簡單的測繪項目的畢業(yè)生比較受用人單位青睞。目前，在如今的攝影測量教學過程中大部分教師都偏愛講授理論知識，在實踐的應用環(huán)節(jié)及如何應用航測軟件進行航測的工程應用，包括數(shù)據(jù)的采集與處理講解相對較少。這對學生在理論知識與實踐過程中融合度不高，不利于學生全面掌握航空攝影測量理論知識，對學生的競爭力提高有限。隨著大部分高職院校開設無人機應用技術(shù)專業(yè)，如何用在航空攝影測量領(lǐng)域發(fā)揮充分無人機的作用成為教學的關(guān)鍵之處。

2. 無人機攝影測量教學體系建立與實踐

教學體系的建立是培養(yǎng)測繪行業(yè)工程實踐能力的重要依托，是由教學體系的目標、框架、內(nèi)容、質(zhì)量評價等要素組成。

2.1 教學目標

為了提高無人機應用技術(shù)專業(yè)在測繪方向的素質(zhì)、能力，教學目標應達到以下目標：掌握無人機航空攝影測量的基本原理和基本方法;掌握無人機航測方案的設計;像控測量和調(diào)繪等外業(yè)工作技能;內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理等技能;航測項目管理等綜合技能。

2.2 教學體系結(jié)構(gòu)框架

為了適應測繪行業(yè)的當前發(fā)展，結(jié)合我校自身的教學場地條件，培養(yǎng)具有

內(nèi)外業(yè)實踐能力、創(chuàng)新能力的應用型人才，我校構(gòu)建了“一機二平臺三環(huán)節(jié)”的教學結(jié)構(gòu)。

“一機”是以無人機作為載體，將測繪無人機融入整個教學體系中?！岸脚_”是指校內(nèi)和校外實踐教學平臺。校內(nèi)實踐包括攝影測量建模實驗室和外業(yè)教學平臺，校外實踐平臺包含校企學習合作實習基地，主要是學生在頂崗實習的實習場所?！叭h(huán)節(jié)”包括課內(nèi)實訓、畢業(yè)設計和頂崗實習三個環(huán)節(jié)。

2.3 教學內(nèi)容

（1）課內(nèi)教學環(huán)節(jié)：該環(huán)節(jié)以課內(nèi)實踐的形式傳插在課堂的理論教學中，主要的學習內(nèi)容包括無人機航測設備、航空攝影測量基礎、無人機航測數(shù)據(jù)處理、無人機航測和無人機遙感技術(shù)的應用等內(nèi)容。采取教師集中講解與分組指導，現(xiàn)場演示與戶外實地模擬測繪的教學方式，幫助學生了解無人機測繪的相關(guān)流程和應用，掌握軟件的基本功能和操作，通過數(shù)據(jù)處理進一步加深航空攝影測量技術(shù)原理，為后續(xù)的實訓打下良好的基礎。

（2）綜合技能實訓：利用4周集中實習時間，基于無人機內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理、傾斜攝影三維建模技術(shù)、模擬項目生產(chǎn)，完成從測繪航線設計、外業(yè)測繪、像控點的布設、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理及傾斜攝影三維模型的生成的全過程。對校園區(qū)域進行航測線路規(guī)劃、參數(shù)的計算，提交設計方案。外業(yè)階段，學生自選校園的指定區(qū)域自行進行像控點的布設，進行航線規(guī)劃，利用航測無人機完成數(shù)據(jù)的采集。內(nèi)業(yè)階段，學生根據(jù)外業(yè)采集的數(shù)據(jù)利用EPS軟件進行區(qū)域地形圖的繪制，利用Context Capture軟件進行航測區(qū)域的三維模型的還原。

畢業(yè)設計同樣也是綜合技能檢驗和提高的重要形式，同樣能夠提高學生的綜合實踐能力。當前，學生對攝影測量與傾斜攝影方向的畢業(yè)設計越來越感興趣，選該方向題目的同學持續(xù)增加。畢業(yè)設計可根據(jù)課題要求，通過查閱文獻、方案設計、軟件的應用，培養(yǎng)學生測繪工程的應用能力。

（3）頂崗實習

頂崗實習是學生深入?yún)⑴c無人機測繪項目與工程應用的最好機會，可將課題教學與實踐生產(chǎn)結(jié)合起來。通過頂崗實習“零距離”接觸，能夠?qū)嵙暫驮O計環(huán)節(jié)的綜合實踐能力在實際工程中得到應用及檢驗，同時能夠快速提高學生的測繪工程思維。在單位實踐過程，學生感受到了企業(yè)的各項管理制度及項目管理規(guī)程，培養(yǎng)了學生團隊合作能力和職業(yè)素養(yǎng)。

2.4 教學考核與評價

考核與評價是實踐教學的重要環(huán)節(jié)。通過制定考核，既可以引導和督促學生學習，檢驗學生的學習效果，又能夠不斷修正改進現(xiàn)有教學過程中的不足。考核方式分為課堂教學考核與集中實踐考核。

課堂實踐考核主要包含3項，分別為學生的外業(yè)航測的基本操作技能、內(nèi)業(yè)主要考察學生數(shù)據(jù)處理能力及平時表現(xiàn)情況，各占30%、40%、30%。對于綜合技能實訓，單獨作為一門課程進行考核，側(cè)重于無人機航測的綜合能力考察，從測量外業(yè)到內(nèi)業(yè)、從技術(shù)設計到設計方案等全過程進行綜合考察與評價。綜合技能實訓以小組為單位進行考察，分為個人過程考核、項目答辯考核、實習報告的撰寫，三項各占30%、40%、30%。

3 實踐教學過程開展情況

3.1 傾斜攝影校園建模

由于上述教學體系為2020年建立，將在我校2020級高職無人機應用技術(shù)專業(yè)學生中實行，目前在我校僅在2018與2019級高職學生中實行，在兩個年級畢業(yè)設計中進行實施考核。

校園傾斜攝影三維建?；旧峡梢苑譃樗拇蟛襟E。

第一步是外業(yè)數(shù)據(jù)獲取，傾斜影像數(shù)據(jù)獲取主要包括實地選址、設計航線和實施飛行。第二部是數(shù)據(jù)篩選，包含圖片篩選、影像去畸變、像控點數(shù)據(jù)檢查、圖片整理、相機參數(shù)校對等。第三步是建立工程模型。可使用三維建模軟件是Context Capture或PIX4D，它們根據(jù)預處理后的數(shù)據(jù)自動匹配特征點進行空三運算，空三運算完成后，軟件根據(jù)算法構(gòu)建模型點云，將點云連接起來構(gòu)成三角網(wǎng)，通過紋理修飾，最終得到三維模型。

3.2 建模成果生成展示

通過紋理修飾后，由于影像都有位置和方向信息，該過程可根據(jù)位置信息將對應的影像附著在三維模型表面，最后輸出紋理逼真的三維模型。如圖1和圖2所示。

4. 結(jié)語

無人機航空攝影測量時間教學具有技術(shù)要求高、綜合性及實用性強的特點。在當前無人機信息化測繪的背景下，無人機航空攝影測量技術(shù)構(gòu)建實踐教學體系，突出學生工程應用能力和實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。根據(jù)目前的培養(yǎng)狀況，學生對無人機測繪工程的基本能力尚可。無人機攝影測量技術(shù)發(fā)展正在日趨成熟，應用領(lǐng)域更加廣泛，只有不斷拓展采用更多發(fā)展的空間。

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作者簡介：楊朔（1991—），性別：男，民族：漢，籍貫：貴州貴陽，職務：教師，學歷：碩士研究生，單位：貴州航空職業(yè)技術(shù)學院，研究方向：無人機應用技術(shù)教學