無人機(jī)航空測繪過程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索

吳 瑋，徐敬海

(南京工業(yè)大學(xué) 測繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211800)

0 引 言

無人機(jī)航空測繪是一項(xiàng)新興的測繪技術(shù)，作為傳統(tǒng)航空攝影測量手段的有力補(bǔ)充，廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)測繪、土地資源調(diào)查監(jiān)測、土地利用動態(tài)監(jiān)測、實(shí)景三維建設(shè)、智慧城市建設(shè)和應(yīng)急救災(zāi)測繪數(shù)據(jù)獲取等領(lǐng)域。在無人機(jī)航空測繪技術(shù)市場應(yīng)用需求的推動下，無人機(jī)航空測繪亦成為《攝影測量學(xué)》課程的關(guān)鍵教學(xué)內(nèi)容之一，然而由于儀器設(shè)備本身較為昂貴且對實(shí)驗(yàn)場地和氣象條件有較為嚴(yán)格的要求，傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)場地的空間與時間均受到限制，使用測繪型無人機(jī)還必須取得相關(guān)資質(zhì)，不利于在校學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)操作知識或是自行獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在這種背景下，傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)方式難以確保學(xué)生有充足的機(jī)會來開展實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)，因而不利于學(xué)生直觀形象地理解抽象原理和知識，無法保證教學(xué)質(zhì)量。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是依托虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對象[1]。通過建立無人機(jī)航空測繪過程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，借助虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)對象和高度仿真儀器設(shè)備模型，利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)生動形象地呈現(xiàn)無人機(jī)航空測繪由內(nèi)業(yè)準(zhǔn)備到外業(yè)數(shù)據(jù)采集的全過程，通過逼真模擬和深度交互，可以有效地調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)方式的不足[2-6]。本文以國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目—南京工業(yè)大學(xué)無人機(jī)航空測繪過程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為例，探討了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)評價體系。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺的內(nèi)容選取

為了更加貼近無人機(jī)航空測繪實(shí)際生產(chǎn)過程，經(jīng)過在測繪生產(chǎn)一線單位的調(diào)研并考慮到實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的特點(diǎn)，最終確定了11個具有代表性的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。結(jié)合無人機(jī)航空測繪生產(chǎn)內(nèi)外業(yè)的作業(yè)方式，平臺將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以內(nèi)業(yè)場景和外業(yè)場景的方式呈現(xiàn)出來。其中，內(nèi)業(yè)場景包括無人機(jī)的基本知識、航攝方式選擇、儀器設(shè)備選取與組裝；外業(yè)場景包括無人機(jī)起降點(diǎn)選取、飛行航線設(shè)計(jì)、飛行前檢查與準(zhǔn)備、飛行與航攝、異常狀況操作訓(xùn)練、無人機(jī)降落控制、航攝數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查以及結(jié)束航空測繪。

無人機(jī)航空測繪過程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為綜合性實(shí)驗(yàn)，呈現(xiàn)了無人機(jī)航空測繪影像獲取的全過程。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具備完全開放性，每一個步驟都可作為一個獨(dú)立實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，學(xué)生可重點(diǎn)選取其中個別實(shí)驗(yàn)反復(fù)操作。11個實(shí)驗(yàn)內(nèi)容按其性質(zhì)分為認(rèn)知性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、操作性實(shí)驗(yàn)和觀察判斷性實(shí)驗(yàn)。

1.1 認(rèn)知性實(shí)驗(yàn)

認(rèn)知性實(shí)驗(yàn)包括無人機(jī)的基本知識和航攝方式選擇。實(shí)驗(yàn)通過課件和視頻展示了無人機(jī)的類型和特點(diǎn)、無人機(jī)管理規(guī)定、無人機(jī)攝影測量方式和流程等內(nèi)容，加深了學(xué)生對無人機(jī)相關(guān)知識的了解，讓學(xué)生對無人機(jī)航空測繪操作流程更加熟悉，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)做好準(zhǔn)備。

1.2 觀察判斷性實(shí)驗(yàn)

無人機(jī)起降點(diǎn)選取和航攝數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查都是無人機(jī)航空測繪的重要環(huán)節(jié)，屬于觀察判斷性工作。平臺給出了幾類典型的起降點(diǎn)環(huán)境、數(shù)組影像及相應(yīng)的飛行質(zhì)量數(shù)據(jù)，學(xué)生可以通過仔細(xì)觀察、分析，判斷起降點(diǎn)是否合適，判定影像數(shù)據(jù)是否符合規(guī)范要求。通過實(shí)驗(yàn)學(xué)生可以進(jìn)一步掌握無人機(jī)起降點(diǎn)的選取方法和影像質(zhì)量檢查方法。

1.3 操作性實(shí)驗(yàn)

儀器設(shè)備選取與組裝、飛行與航攝、異常狀況操作訓(xùn)練、無人機(jī)降落控制、結(jié)束航空測繪等實(shí)驗(yàn)為操作性比較強(qiáng)的內(nèi)容，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺利用三維建模技術(shù)建立了固定翼無人機(jī)及地面接收設(shè)備模型、多旋翼無人機(jī)各主要部件模型，學(xué)生可按照實(shí)驗(yàn)要求對模型進(jìn)行操作訓(xùn)練。采用虛擬操作練習(xí)，讓學(xué)生掌握基本操作步驟，提升學(xué)生動手能力。

1.4 設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

飛行航線設(shè)計(jì)主要對飛行區(qū)域、基本參數(shù)和高級參數(shù)等進(jìn)行設(shè)計(jì)，屬于設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。飛行航線設(shè)計(jì)是無人機(jī)航空測繪的重要環(huán)節(jié)，直接影響影像數(shù)據(jù)質(zhì)量。通過設(shè)置不同的參數(shù)，航線會發(fā)生變化，如飛行高度、飛行速度、航線重疊率和相機(jī)曝光時間等。學(xué)生可以通過該實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步理解各參數(shù)的意義和參數(shù)要求，掌握飛行航線設(shè)計(jì)方法。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺的教學(xué)方法

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺提供了與無人機(jī)航空測繪相關(guān)的文檔、課件、視頻、三維動畫和模擬操作等學(xué)習(xí)資源，實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用了基于學(xué)生認(rèn)知規(guī)律、無人機(jī)測繪內(nèi)/外業(yè)場景結(jié)合、真人示范與虛擬操作相結(jié)合等實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。

2.1 基于學(xué)生認(rèn)知規(guī)律

平臺將無人機(jī)航空測繪生產(chǎn)過程按內(nèi)容進(jìn)行分解，循序漸進(jìn)地引導(dǎo)學(xué)生們進(jìn)入實(shí)驗(yàn)，由局部到整體，逐步認(rèn)識掌握無人機(jī)航空測繪生產(chǎn)過程。仿真系統(tǒng)提供了相關(guān)的文檔、課件、操作視頻、三維動畫等多種在線學(xué)習(xí)資料，設(shè)計(jì)了固定翼無人機(jī)和多旋翼無人機(jī)的操作模擬，還提供了用于測試總結(jié)的課后練習(xí)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告。學(xué)生在平臺內(nèi)進(jìn)行虛擬實(shí)踐操作，產(chǎn)生的問題可在平臺內(nèi)找到答案，做完實(shí)驗(yàn)后需及時在平臺內(nèi)撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，學(xué)生可以在虛擬平臺內(nèi)完成提出問題、解決問題、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)的學(xué)習(xí)過程，符合學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣。

2.2 無人機(jī)測繪內(nèi)/外業(yè)場景結(jié)合

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一種讓人身臨其境的教學(xué)方法，生動直觀。無人機(jī)航空測繪仿真實(shí)驗(yàn)場景綜合采用了實(shí)景三維、虛擬建模三維、全景圖三維等多種模式構(gòu)建，無人機(jī)及其主要部件的三維模型由實(shí)體拍攝建模而成，場景和模型都高度逼真。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)整體上分為內(nèi)業(yè)和外業(yè)兩個實(shí)驗(yàn)場景，形象生動地還原了無人機(jī)航空測繪過程，有利于學(xué)生熟悉真實(shí)環(huán)境，提高實(shí)驗(yàn)的效率。同時由于多模式場景的應(yīng)用，也能加快模型和場景加載的速度，有效提升系統(tǒng)運(yùn)行的效率。

2.3 真人示范與虛擬操作相結(jié)合

無人機(jī)航空測繪過程中，儀器操作和航攝軟件使用是教學(xué)的重點(diǎn)，也是幫助學(xué)生理解和掌握無人機(jī)航空測繪過程的關(guān)鍵。對操作性強(qiáng)的步驟，用虛擬操作進(jìn)行。同時對于一些操作細(xì)節(jié)較多的內(nèi)容，為進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生對知識點(diǎn)的理解和掌握，系統(tǒng)提供了生產(chǎn)一線工程師的現(xiàn)場演示視頻，二者相互補(bǔ)充，提升教學(xué)效果。

3 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺評價體系

為了鞏固學(xué)習(xí)效果，便于教師更好了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺建立了理論測試和操作測評相結(jié)合的學(xué)習(xí)考評反饋體系。系統(tǒng)針對每個實(shí)驗(yàn)步驟提供了測試習(xí)題集，測試學(xué)生對相關(guān)知識點(diǎn)的掌握情況；同時系統(tǒng)對學(xué)生操作過程的準(zhǔn)確性、熟練程度也設(shè)計(jì)了評價體系，通過兩種評價體系的相互結(jié)合，形成對學(xué)生學(xué)習(xí)情況和知識點(diǎn)掌握情況的考評和反饋。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，學(xué)生需在平臺上撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，對整個無人機(jī)航空攝影測量數(shù)據(jù)采集項(xiàng)目進(jìn)行整體分析，加深學(xué)生對無人機(jī)操作、無人機(jī)航測數(shù)據(jù)采集過程以及外業(yè)航測軟件的理解和認(rèn)識，加強(qiáng)了學(xué)生無人機(jī)測繪的實(shí)踐能力。

通過對每個學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作和知識掌握情況的實(shí)時跟蹤、統(tǒng)計(jì)和分析，結(jié)合學(xué)生各方面的建議、評價與反饋信息，授課教師能夠真實(shí)了解每一個學(xué)生的知識點(diǎn)掌握程度，并對學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)的整體情況進(jìn)行全局分析，以確定教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，便于指導(dǎo)教師實(shí)現(xiàn)持續(xù)改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)過程中無法進(jìn)行的實(shí)時化和精細(xì)化的教學(xué)質(zhì)量控制。

4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺的系統(tǒng)構(gòu)架及使用特點(diǎn)

無人機(jī)航空測繪過程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺采用WebGL技術(shù)，采用面向服務(wù)的軟件架構(gòu)開發(fā)，集知識學(xué)習(xí)、虛擬練習(xí)、仿真實(shí)驗(yàn)、虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果自動批改和教學(xué)管理于一體，實(shí)現(xiàn)三維場景的真正無插件展示，是具有良好自主性、交互性和可擴(kuò)展性的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)以云平臺為依托，采用多層架構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了資源的可擴(kuò)展性、安全性，可大規(guī)模共享。系統(tǒng)中保存了南京工業(yè)大學(xué)真實(shí)場景數(shù)據(jù)、傾斜攝影測量影像等實(shí)景三維數(shù)據(jù)，并制作了多款無人機(jī)模型，采用實(shí)景三維、虛擬三維、全景照片等融合的三維場景制作技術(shù)，較好地提升了系統(tǒng)效率和展示效果。

圖1 基于云技術(shù)的實(shí)驗(yàn)平臺架構(gòu)

用戶可以在任何地方通過Internet Explorer、Chrome等網(wǎng)頁瀏覽器登錄該實(shí)驗(yàn)平臺，無須再安裝第三方插件。登錄平臺后，可以看到知識學(xué)習(xí)、虛擬練習(xí)、仿真實(shí)驗(yàn)、課后練習(xí)、操作視頻等學(xué)習(xí)模塊的選擇界面。個人的學(xué)習(xí)情況總結(jié)可以在“個人中心”菜單下瀏覽，包括已經(jīng)學(xué)習(xí)的內(nèi)容及對應(yīng)的測試結(jié)果等詳細(xì)信息。

5 結(jié) 語

無人機(jī)航空測繪過程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展改變了傳統(tǒng)攝影測量學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。學(xué)生先在虛擬仿真平臺中進(jìn)行無人機(jī)航空測繪知識學(xué)習(xí)和模擬操作，熟練后進(jìn)入實(shí)體無人機(jī)航空測繪的實(shí)踐操作，達(dá)到良好的互動訓(xùn)練效果，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和激發(fā)學(xué)習(xí)熱情。近兩年來，該實(shí)驗(yàn)平臺在我校測繪工程、地理信息科學(xué)等專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)中得到了應(yīng)用，并結(jié)合學(xué)生反饋意見不斷修改和完善，以期獲得更佳的教學(xué)效果。實(shí)踐證明，基于這種虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)形式，將實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)有機(jī)地結(jié)合，契合了網(wǎng)絡(luò)時代大學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)和接受心理，促進(jìn)了學(xué)生理解和掌握知識，拓展實(shí)踐領(lǐng)域，極大地節(jié)省了教學(xué)經(jīng)費(fèi)、教學(xué)資源和教學(xué)時間，取得了良好的實(shí)踐教學(xué)效果。