無(wú)人機(jī)采集數(shù)據(jù)與數(shù)字化教學(xué)

摘要：建筑信息建模BIM（Building Information Model））技術(shù)在設(shè)計(jì)階段，被認(rèn)為是一個(gè)非常有用的工具。通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)的測(cè)繪數(shù)據(jù)進(jìn)行編程生成點(diǎn)云后，可以確定大小和形狀物體、體積、面積、距離等特征，并進(jìn)一步重建高質(zhì)量的模型?；趶腂IM技術(shù)衍生的AHHIM（Art&humanities heritage information model）技術(shù)入手，數(shù)字化教學(xué)就此凸顯出其資源豐富、形式多樣、開(kāi)放式教學(xué)、無(wú)時(shí)空限的制特有優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)如今，高校用于教學(xué)的數(shù)字化技術(shù)已不限于多媒體演示、視頻分享、高校網(wǎng)絡(luò)教育平臺(tái)等，無(wú)人機(jī)掃和三維激光掃描、3D打印技術(shù)、現(xiàn)實(shí)虛擬技術(shù)等可以創(chuàng)建三維空間、實(shí)現(xiàn)沉浸式體驗(yàn)的數(shù)字化技術(shù)也走進(jìn)課堂。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)、數(shù)字化教學(xué)、藝術(shù)人文遺產(chǎn)信息

概述

無(wú)人機(jī)掃描可生成點(diǎn)云，通過(guò)編程運(yùn)算導(dǎo)出有真實(shí)數(shù)值的參數(shù)模型，運(yùn)算過(guò)程需要很長(zhǎng)時(shí)間才能完成。從掃描開(kāi)始，生成最終的3D模型需要盡可能多的點(diǎn)云數(shù)字信息，并將這些信息疊加到模型中。目前用于教育的研究主要集中在自動(dòng)化流程，學(xué)生便捷應(yīng)用上，3D數(shù)字模型從采集數(shù)據(jù)到3D打印數(shù)字模型都比手動(dòng)方法更高效，也避免了信息和數(shù)據(jù)的丟失?；贏HHIM的數(shù)字化教學(xué)主要使用兩種主要方法：第一種方法將點(diǎn)云（或3D數(shù)字模型）與數(shù)據(jù)庫(kù)中已有對(duì)象的相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，也可將掃描數(shù)據(jù)匯總生成虛擬現(xiàn)實(shí);第二個(gè)過(guò)程使用點(diǎn)云來(lái)執(zhí)行類型的分類。數(shù)字化模型包含其關(guān)于幾何、物理性質(zhì)、組成材料等參數(shù)信息。從無(wú)人機(jī)或激光測(cè)繪數(shù)據(jù)采集開(kāi)始，獲得帶有信息的數(shù)字模型，產(chǎn)生匹配的數(shù)字“目錄”，在需要時(shí)查詢。

使用掃描生成技術(shù)促進(jìn)藝術(shù)文化遺產(chǎn)的數(shù)字化存儲(chǔ)，通過(guò)在網(wǎng)絡(luò)上共享模型或?qū)崿F(xiàn)虛擬、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，為高校研究者、學(xué)生提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)信息。3D掃描技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)是在國(guó)家實(shí)施制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略、新文科背景下藝術(shù)人文學(xué)科教學(xué)的主流趨勢(shì)。

在攝影測(cè)量的數(shù)據(jù)集的采集階段，為了使無(wú)人機(jī)獲得一個(gè)具有厘米精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并重建一個(gè)高質(zhì)量的，可供藝術(shù)人文學(xué)科研究及教學(xué)的數(shù)字模型，圖像采集首先應(yīng)進(jìn)行三個(gè)步驟：首先，圖像采集類型的定義、地面采樣距離（GSD）的定義和圖像重疊的定義;其次，圖像采集類型設(shè)置為自動(dòng)航點(diǎn)飛行任務(wù)，使無(wú)人機(jī)進(jìn)行自動(dòng)飛行;最后，軟件自動(dòng)計(jì)算圖像采集計(jì)劃和任務(wù)設(shè)置，定義以下參數(shù)：飛行路線重疊率和采區(qū)域，遵守《無(wú)人駕駛航空器飛行管理暫行條例》（后文簡(jiǎn)稱“條例”）里規(guī)定的飛行高度等各種規(guī)定，做到符合“公共安全、飛行安全”的要求。以大疆MavicPro為例，SW=真實(shí)傳感器寬度=128333mm，F(xiàn)R=真實(shí)焦距=8.6mm，imW=圖像寬度像素5472，imH=圖像高度像素3648，垂直飛行的最大飛行高度設(shè)置為30米（“條例”規(guī)定飛行范圍在目視視距內(nèi)半徑500米、相對(duì)高度低于120米）。使用飛行規(guī)劃軟件自動(dòng)執(zhí)行數(shù)據(jù)采集對(duì)象沿線不同的循環(huán)任務(wù)，采用20、25和30米的圓形飛行平面圖，相機(jī)傾斜度設(shè)置為70°采集到的飛行圖像與地面的其他圖像進(jìn)行集合編程生成點(diǎn)云。3d數(shù)據(jù)處理可使用Agisoft或非參數(shù)化建模軟SketchUp、Rhino、Maya、3ds Max 、ZBrush等軟件執(zhí)行。詳細(xì)闡述過(guò)程由三個(gè)不同的階段組成：1. 照片對(duì)齊，以圖像生成點(diǎn)云時(shí)能充分、合理的疊加;你必須有很少的陰影和足夠的照明;2.利用圖像匹配算法的生成點(diǎn)云;3.生成基于點(diǎn)云的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格物（網(wǎng)格是將對(duì)象切割為多個(gè)“面”）;4.渲染，通過(guò)軟件還原真實(shí)場(chǎng)景、色彩。

學(xué)科融合

《建筑模型制作與工藝》（下文簡(jiǎn)稱《建模》）是環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)教學(xué)的一個(gè)重要教學(xué)環(huán)節(jié)。建筑模型可以提升設(shè)計(jì)者的三維空間創(chuàng)造力，也可以用在建筑方案的討論，便于推敲研究設(shè)計(jì)方案，也可為藝術(shù)人文遺產(chǎn)（AHHIM）進(jìn)行數(shù)字化保存、研究?！督！穫鹘y(tǒng)教學(xué)方式是手工或CNN切割制作建筑模型，建筑的相關(guān)參數(shù)只能通過(guò)實(shí)地考察、人工丈量的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，展示課程的知識(shí)點(diǎn)僅通過(guò)PPT或視頻，此方式耗時(shí)較長(zhǎng)且數(shù)值易出現(xiàn)偏差，模型制作工藝難有待提高。數(shù)字化教學(xué)將傾斜攝影技術(shù)、三維激光掃描技術(shù)、3D打印技術(shù)、現(xiàn)實(shí)虛擬技術(shù)應(yīng)用于該課堂，可用傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行勘測(cè)考察還原真實(shí)數(shù)值，運(yùn)用3D打印技術(shù)、CNC數(shù)控雕刻技術(shù)等進(jìn)行模型制作，運(yùn)用VR現(xiàn)實(shí)虛擬技術(shù)進(jìn)行展示。由此類技術(shù)衍生的數(shù)字化教學(xué)相對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)，具有沉浸性、交互性、構(gòu)想性、仿真虛擬性等特征，可對(duì)具有地域性的建筑特征進(jìn)行多分辨率、多尺度、多時(shí)空和多種類的描述。

數(shù)字化的模型信息采集和應(yīng)用是一個(gè)過(guò)程，幾乎包含了相關(guān)特征的所有信息，軟件生成的點(diǎn)云模型非常適合國(guó)家倡導(dǎo)新文科背景下的數(shù)字化教學(xué)。

參考文獻(xiàn)

[1]《基于HBIM的嘉峪關(guān)信息化測(cè)繪研究 ——以嘉峪關(guān)木構(gòu)建筑為例》，李珂 天津大學(xué)，《天津大學(xué)2015.12。

[2]《HBIM在建筑遺產(chǎn)勘察數(shù)據(jù)管理中的應(yīng)用——以上海張園石庫(kù)門(mén)建筑為例》，張恩銘、曹永康、潘文卓，上海交通大學(xué)設(shè)計(jì)學(xué)院，《建筑與文化》2021，（07）。

[3]《人工智能與無(wú)人機(jī)遙感測(cè)繪技術(shù)的教學(xué)實(shí)踐》，韓孝強(qiáng)，濱州學(xué)院航空工程學(xué)院、山東省航空材料與器件工程技術(shù)研究中心、濱州市航空光電材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，《集成電路應(yīng)用》2021，38（08）

[4]《無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法探索》王東、王濤、黃克明、李猛、鄭臣，陸軍炮兵防空兵學(xué)院無(wú)人機(jī)應(yīng)用系，《實(shí)驗(yàn)室研究與探索》 2021，40（08）。

[5]《無(wú)人機(jī)航拍實(shí)訓(xùn)教學(xué)基礎(chǔ)飛行機(jī)型選擇與使用研究》，卜清柔，廣州民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院，《科技風(fēng)》2021，（26）。

項(xiàng)目：《藝術(shù)人文學(xué)科與物理、計(jì)算機(jī)等多學(xué)科深度融合的數(shù)字化課程建設(shè)的探索與實(shí)踐一一以《建筑模型制作與工藝》課程為例》，2021年度廣西高等教育本科教學(xué)改革工程項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：2021JGB124

作者簡(jiǎn)介：胡毅（1982-），男，水族，浙江紹興人，美術(shù)學(xué)碩士，任職于廣西大學(xué)講師，研究方向：雕塑、數(shù)字藝術(shù)、AHHIM。