一種循序漸進的無人機航測實踐教學模式

蔡 鵬 岳 雄 李笑瑜 艾慧麗 戚文杰 楊文杰

(1. 江蘇航空職業(yè)技術學院 航空工程學院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212134; 2. 江蘇航空職業(yè)技術學院 鎮(zhèn)江市無人機應用創(chuàng)新重點實驗, 江蘇 鎮(zhèn)江 212134; 3. 武漢兆格信息技術有限公司, 湖北 武漢 430223)

0 引言

隨著攝影測量技術與無人機應用技術的迅猛發(fā)展,攝影測量已逐漸為廣大生產單位在實際生產中使用。無人機航測實踐教學是培養(yǎng)學生能力培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié),無人機航測實踐教學包括外業(yè)和內業(yè)實踐教學兩部分。

文獻[1]提出無人機航測多元化教學模式,能提高學生的無人機航測實踐創(chuàng)新能力。文獻[2]提出基于學習產出的教育模式(Outcomes-Based Education, OBE)理念的攝影測量學實踐教學方法,建立了以實踐教學內容優(yōu)化、平臺建設和多元化評價方法為核心的攝影測量實踐教學體系,鍛煉了學生攝影測量實踐能力。文獻[3]探索基于桌面云實驗室的攝影測量實驗的全新開放教學模式,培養(yǎng)了學生自主實踐操作能力。文獻[4]提出特色攝影測量實驗模式的創(chuàng)建方案,能幫助學生理解和掌握攝影測量理論和技能,并增強學生的實際動手能力。文獻[5]在攝影測量實踐教學過程中,通過“分組攝影、分片成圖、連成一體”的方式,實現(xiàn)了校區(qū)無人機航測成圖的實踐教學工作。文獻[6]對無人機攝影測量課程的實踐教學進行了探討,為具備無人機硬件設備的攝影測量學課程實踐教學提供重要參考。文獻[7]探討無人機航測內業(yè)與外業(yè)的教學實驗，對相關高校和專業(yè)開設類似實驗具有一定的借鑒意義。文獻[8]對創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育與專業(yè)教育相融合的測繪工程專業(yè)人才培養(yǎng)模式進行了探討。以上無人機航測的實踐教學模式中，缺乏對國內外航測內業(yè)軟件不同特點進行比較的實踐教學，缺乏切實可行的基于手機近景攝影的三維建模的實踐教學。

本文提出一種循序漸進的無人機航測實踐教學模式,分為基本能力實訓和強化能力實訓?；灸芰Φ耐鈽I(yè)實訓通過無人機地面站設置2D航線以獲取垂直影像,內業(yè)實訓通過DPGrid和Pix4Dmapper軟件生產數(shù)字地圖;強化能力的外業(yè)實訓通過無人機地面站設置3D航線以獲取傾斜影像,內業(yè)實訓通過Agisoft Metashape和ContextCapture軟件生產3D模型。分模塊按步驟執(zhí)行且人機交互多的DPGrid和Agisoft Metashape軟件更適合無人機航測實踐教學。本文通過切實可行的手機近景攝影進行三維建模的實踐教學，以增強無人機航測實踐教學效果。

1 無人機航測的循序漸進實踐模式

本文通過循序漸進的實踐教學模式,以培養(yǎng)和增強學生的無人機航測實踐能力。

無人機航測外業(yè)通過無人機地面站設置2D航線以獲取垂直影像,內業(yè)通過DPGrid和Pix4Dmapper攝影測量軟件進行垂直影像處理,利用DPGrid軟件生產數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)、數(shù)字正射影像(Digital Orthophoto Map，DOM)、數(shù)字線劃地圖(Digital Line Graphic，DLG),利用Pix4Dmapper軟件生產數(shù)字地表模型(Digital Surface Model，DSM)、DOM,以培養(yǎng)學生無人機航測實踐的基本能力,分模塊按步驟執(zhí)行且人機交互多的DPGrid軟件更適合基本能力的實踐教學。

無人機航測外業(yè)通過無人機地面站設置3D航線以獲取傾斜影像,內業(yè)通過Agisoft Metashape和ContextCapture攝影測量軟件進行傾斜影像處理,生產3D模型,以增強學生的無人機航測實踐能力,ContextCapture軟件的三維重建效果好,分模塊按步驟執(zhí)行過程詳細的Agisoft Metashape軟件更適合強化能力的實踐教學。

2 無人機航測基本能力實訓

無人機航測外業(yè)通過大疆精靈4 RTK無人機飛2D航線以獲取垂直影像,內業(yè)通過DPGrid和Pix4Dmapper攝影測量軟件對垂直影像進行處理,生產DEM、DOM、DLG、DSM,以培養(yǎng)學生無人機航測實踐的基本能力。

DPGrid軟件是數(shù)字攝影測量網(wǎng)格處理系統(tǒng),為中國工程院院士張祖勛提出并指導研制出的新一代數(shù)字攝影測量系統(tǒng)[9-12]。DPGrid主要包括原始資料分析與整理、新建工程、匹配連接點、自由網(wǎng)平差及交互編輯、添加控制點、控制點平差及交互編輯、模型生成、密集匹配、點云處理、DEM生產、DOM生產、DLG生產等部分。

如圖1(a)通過大疆精靈4 RTK無人機地面站設置江蘇航院局部范圍的2D航線,即無人機在一定高度的二維平面飛行且攝像頭垂直向下,并設置重疊率、飛行速度和高度、返航點等飛行參數(shù)。上述步驟教師先在實訓室課堂上給學生講清楚,在室外的實際場景中演示給學生看,然后,讓學生親自動手進行實際操作。大疆精靈4 RTK無人機自動起飛、自動按設置航線飛行并攝影,完成任務后自動返回。

圖1 DPGrid軟件的DEM生產和DOM拼接

圖1中,大疆精靈4 RTK無人機自動拍攝142幅影像,DPGrid軟件通過匹配連接點、自由網(wǎng)平差及交互編輯、添加控制點、控制點平差及交互編輯、模型生成、密集匹配等主要步驟后生成DEM如圖1(b)所示,上述142幅影像在DEM上經過像片糾正生成142個單片DOM，圖1(c)是其中的20個單片DOM,然后拼接生成1個完整的正射影像圖如圖1(d)所示。老師對上述具體步驟邊講解邊演示,然后,學生完成相應的步驟?？紤]到在普通臺式機上142幅影像密集匹配生成DEM時間長達幾個小時以上,可以在實訓課上直接給出142幅影像已有DEM成果,讓學生在課上完成142個單片DOM生產和拼接實訓如圖1(c)～(d)所示。

Pix4Dmapper軟件是由瑞士Pix4D公司研發(fā),是一款集全自動、快速、專業(yè)精度為一體的無人機數(shù)據(jù)和航空影像數(shù)據(jù)處理軟件[13-14]。Pix4Dmapper處理過程完全自動化,無需人工干預,可以將上千張影像快速制作成專業(yè)的、精確的二維地圖和三維模型。Pix4Dmapper主要包括初始資料準備、工程建立與數(shù)據(jù)導入、快速處理檢查(可選)、控制點添加、全自動處理等部分,全自動處理部分包括初始化設置、點云加密、DSM和DOM生產。

通過大疆精靈4 RTK無人機在江蘇航院局部范圍飛2D航線,如圖2(a)所示,自動拍攝146幅影像,并利用Pix4Dmapper軟件生成密集點云,如圖2(b)所示,DSM如圖2(c)所示,DOM如圖2(d)所示。其自動化程度高、人機交互少、生成成果質量較好。在上述無人機航測外業(yè)和內業(yè)實訓中,教師先講解和演示具體步驟,然后,學生再模仿完成相應的步驟。由于普通臺式機使用Pix4Dmapper軟件生成146幅影像的DSM及DOM成果時間長達幾個小時,因此，選取其中23幅影像,保證學生能在有限的課堂時間內完成實訓任務。

圖2 Pix4Dmapper軟件的點云、DSM和DOM生產

Pix4Dmapper軟件自動化程度高,人機交互少,學生不能體驗單片DOM 生產和多個單片DOM拼接這個完整的過程;而DPGrid軟件可以讓學生體驗上述過程,使學生不僅知其然(DOM拼接的最終結果),而且知其所以然(DOM拼接的整個過程),能有效培養(yǎng)學生無人機航測的扎實基本功。

DPGrid軟件功能齊全,通過其立體影像測圖模塊可實現(xiàn)DLG生產,這是Pix4Dmapper等其他攝影測量軟件所不具備的。如圖3所示,DPGrid軟件利用立體影像測圖功能通過對道路、房屋等地物的三維坐標采集,獲取局部的一個立體對像[圖3(a)]的DLG成果，如圖3(b)所示。實訓課上,教師講解并演示如何利用一個立體像對獲取相應的局部區(qū)域的DLG成果,然后,學生處理完成全部立體像對的DLG采集及相鄰像對之間的接邊,最終生產出完整的DLG,這樣可以培養(yǎng)學生利用攝影測量軟件生產DLG的基本能力。

圖3 DPGrid軟件的DLG生產

3 無人機航測強化能力實訓

無人機航測外業(yè)通過大疆精靈4 RTK無人機飛3D航線以獲取傾斜影像,內業(yè)通過Agisoft Metashape和ContextCapture攝影測量軟件對傾斜影像進行處理,生產3D模型,以增強學生的無人機航測實踐能力。

Agisoft Metashape軟件是Agisoft PhotoScan軟件的后續(xù)版本,Agisoft Metashape軟件是基于最新的多視圖3D重建技術,圖像對齊和3D模型重建都是自動的,其工作流程完全自動化[15]。Context Capture軟件是一個三維建模軟件,是在其前身Smart3DCapture技術的基礎上發(fā)展起來的一種新的軟件解決方案,從拍攝的照片生產出高分辨率的3D模型,無需任何人工干預[13-16]。

本文通過讓學生用手機對江蘇航院中某個物體進行圍繞拍攝,然后,利用Agisoft Metashape軟件和ContextCapture軟件進行三維重建,生產相應3D模型,并進行效果比較,可以讓學生對基于無人機航測的三維重建有一個直觀認識。

如圖4所示,教師讓學生通過手機圍繞江蘇航院校園中路牙角落的石頭拍38幅影像,也可以讓學生選擇其他物體進行手機攝影,這樣可以充分調動學生主觀能動性。然后,教師分別通過Agisoft Metashape軟件和ContextCapture軟件對上述石頭場景的影像進行三維重建,對軟件步驟邊講解邊演示,并安排足夠時間給學生完成相應步驟。

圖4 手機攝影三維重建效果

上述兩種軟件操作過程不一樣, Agisoft Metashape軟件可以分為點云生成、網(wǎng)格生成和紋理生成等主要步驟,每步都產生相應的中間結果,先后生成石頭場景的稀疏點云、加密點云、網(wǎng)格模型和帶紋理的網(wǎng)格模型，如圖4(a)所示。這些中間結果的生成參數(shù)都可以分別設置,生產步驟較為詳細,這樣可以加深學生對三維重建的基本步驟的理解和操作(圖5);而ContextCapture軟件自動化程度高,且使用上具有一定的專業(yè)技巧性,軟件直接生成最終的帶紋理的網(wǎng)格模型如圖4(b)所示,不能加深學生對三維重建的基本步驟的理解和操作。

圖5 Agisoft Metashape軟件的部分操作流程

關于江蘇航院某局部場景,Agisoft Metashape軟件和ContextCapture軟件對石頭部分的三維重建質量整體上都挺好,但對與石頭的幾何特征不同的路牙部分,ContextCapture軟件重建質量比Agisoft Metashape軟件好,這樣可以讓學生對這兩種軟件三維重建效果有個直觀比較,從而增強對這兩種三維重建軟件的理解和操作。

在江蘇航院某局部場景中，如圖6(a)所示,通過大疆精靈4 RTK無人機地面站設置3D航線(即井字路線),橫向和縱向航線位置的攝像頭分別傾斜一定角度,總共拍攝227幅影像。圖6(a)是通過ContextCapture軟件重建江蘇航院局部區(qū)域的3D模型,圖6(b)和(c)分別是Agisoft Metashape軟件和ContextCapture軟件進行三維重建的局部效果圖,可以看出ContextCapture軟件比Agisoft Metashape軟件三維重建效果好。通過這兩種軟件的建模效果比較,能增強學生對無人機航測影像的三維模型重建過程的理解和操作。

圖6 無人機攝影三維重建效果

4 結束語

本文提出一種循序漸進的無人機航測實踐教學模式,分為基本能力實訓和強化能力實訓?；灸芰Φ耐鈽I(yè)實訓通過設置2D航線以獲取垂直影像,內業(yè)實訓利用DPGrid和Pix4Dmapper軟件生產DEM、DOM、DLG、DSM,分模塊按步驟執(zhí)行且人機交互多的DPGrid軟件更適合基本能力的實踐教學;強化能力的外業(yè)實訓通過設置3D航線以獲取傾斜影像,內業(yè)實訓通過Agisoft Metashape和ContextCapture軟件生產3D模型,ContextCapture軟件的三維重建效果好,分模塊按步驟執(zhí)行且入門更容易的Agisoft Metashape軟件更適合強化能力的實踐教學。