基于OBE的無人機攝影測量實踐教學探討

劉 軍 張曉博 王秋玲 王 鶴

（1.防災科技學院生態(tài)環(huán)境學院，河北 廊坊 065201；2.防災科技學院地球科學學院，河北 廊坊 065201）

0 引言

信息化測繪是測繪地理信息行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。攝影測量學是通過影像研究信息的獲取、處理、提取和成果表達的一門信息科學。攝影測量學課程是測繪工程、遙感科學與技術(shù)以及地理空間信息工程等測繪類本科生的一門核心課程。攝影測量實踐教學是學生能力培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。受飛機平臺、航空攝影儀（或數(shù)碼相機）、安全因素、實習場地匱乏等因素的影響，傳統(tǒng)的航空攝影測量在攝影測量教學中不具備應用的現(xiàn)實性，無人機技術(shù)的發(fā)展特別是無人機航測技術(shù)的出現(xiàn)解決了這一問題。

隨著無人機與數(shù)碼相機技術(shù)的發(fā)展，無人機攝影測量技術(shù)為信息化攝影測量的實踐教學提供了有利條件。無人機航測具有機動靈活、高效快速、精細準確、作業(yè)成本低、適用范圍廣、生產(chǎn)周期短等特點，能夠快速獲取小范圍和地形復雜區(qū)域的高分辨率影像，在小范圍大比例尺地形圖修補測、城市三維建模、地質(zhì)災害調(diào)查、房地一體化等領(lǐng)域具有廣闊前景。生產(chǎn)單位已具備從外業(yè)數(shù)據(jù)獲取到內(nèi)業(yè)數(shù)字產(chǎn)品生產(chǎn)的全流程作業(yè)模式，攝影測量也由一般測繪單位“難以企及”走向了“大眾化”，測繪行業(yè)和生產(chǎn)單位對這類人才的需求也在日益增加。

因此，在信息化測繪背景下，本文結(jié)合防災科技學院測繪工程本科專業(yè)的攝影測量學實踐教學情況，將無人機攝影測量技術(shù)應用到攝影測量學實踐教學中，基于OBE理念，堅持以學生為中心，以學習效果、實踐能力和創(chuàng)新能力為導向，探討設(shè)計基于無人機的攝影測量實踐教學方案，建立多元化無人機實踐教學考核方法，以滿足社會用人單位對無人機攝影測量人才的需求。

1 無人機輔助攝影測量實踐教學的必要性

近年來，民用無人機性能穩(wěn)定操作便捷，多所高校相繼在數(shù)字測圖、攝影測量等課程中引入無人機，拓展實踐教學內(nèi)容。王麗美等人基于小型測量無人機航測技術(shù)，探索了信息化測繪時代攝影測量學實踐教學體系的構(gòu)建，并依托實驗室課題、校企合作基地以及社會服務項目設(shè)置了具體實驗方案和內(nèi)容，驗證了無人機航測應用到攝影測量實踐教學中的必要性和可行性。王星捷自主設(shè)計研發(fā)了教學測量無人機，對航空攝影測量、空三測量等教學測量試驗進行了測試，實驗結(jié)果表明滿足測量規(guī)范要求，有效解決了無人機測量在教學上的應用，為無人機教學測量設(shè)備和試驗教學的研究提供了技術(shù)參考。陳建軍等人將無人機技術(shù)引入攝影測量學課程中，精選具體的項目案例，并通過室外實踐，讓學生們掌握無人機操作及項目實施流程，激發(fā)了學生的興趣，提高了學生利用新興技術(shù)解決實際問題的能力。此外，葉險峰等人緊跟信息化測繪人才的培養(yǎng)需求，對無人機攝影測量實踐教學體系的構(gòu)建原則、體系設(shè)計和實施保障等方面進行了探索與實踐，證明了方案的可行性。

因此，在信息化測繪背景下，將無人機攝影測量技術(shù)應用到攝影測量學實踐教學中是非常必要且完全可行的，一方面，在豐富課程實踐教學內(nèi)容的基礎(chǔ)上，既能夠激發(fā)學生的學習積極性，又能夠提高學生的實際動手能力；另一方面，根據(jù)近幾年就業(yè)單位和畢業(yè)生的反饋信息了解到，熟練掌握航測流程的畢業(yè)生更能夠滿足用人單位和當今社會發(fā)展對測繪人才的需求。

2 無人機攝影測量實踐教學的內(nèi)容

OBE教育模式強調(diào)以學生的學習結(jié)果和社會需求為驅(qū)動力，進而反向設(shè)計教學活動。為此，實踐教學要堅持以培養(yǎng)學生能力和滿足企業(yè)需求為導向，結(jié)合工程教育認證標準，認真聽取企業(yè)單位對學生能力的需求建議，重新研究修訂了攝影測量實踐教學大綱，補充無人機實踐教學內(nèi)容，設(shè)計合理的無人機輔助的攝影測量實踐教學流程，切實提升實踐教學的質(zhì)量。

實踐教學平臺是開展實踐活動的基礎(chǔ)，基于OBE模式，數(shù)字攝影測量實驗室建立了與企業(yè)需求相適應的實踐教學平臺。實驗室擁有多旋翼無人機及其相應的數(shù)據(jù)處理軟件（Pix4DMapper、VirtuoZo等），其中多旋翼無人機如下：

（1）大疆Phantom 4 Pro V2.0（見圖1），該無人機屬于消費級航拍無人機，價格低廉，續(xù)航時間達30min，搭載1英寸2 000萬像素的CMOS傳感器。

圖1 大疆Phantom 4 Pro V2.0

（2）大疆Phantom 4 RTK（見圖2），該無人機標配機載D-RTK，配合千尋網(wǎng)絡RTK服務或高精度GNSS移動站使用，可實現(xiàn)厘米級定位。同時支持原始衛(wèi)星觀測值及曝光事件數(shù)據(jù)記錄，可用于動態(tài)后處理（PPK，Post-Processed Kinematic）差分解算。具有TimeSync系統(tǒng)，可實現(xiàn)飛控、相機與RTK的時鐘系統(tǒng)微秒級同步。搭載1英寸2 000萬像素的CMOS傳感器。

圖2 大疆Phantom 4 RTK

3 無人機攝影測量實踐教學的實施

基于OBE模式，依托實踐教學平臺，讓學生完成無人機航線設(shè)計、像控點布設(shè)、數(shù)據(jù)獲取與檢查、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理與數(shù)字產(chǎn)品制作等整個數(shù)字攝影測量過程，培養(yǎng)學生操控無人機和進行攝影測量實際生產(chǎn)的能力。具體實施路線如圖3所示。

圖3 無人機輔助的攝影測量實踐教學流程

4 無人機攝影測量實踐教學考核

客觀、公正地評定實習成績將會激發(fā)學生實習的積極主動性與創(chuàng)造性，反之就會影響實習效果。目前攝影測量生產(chǎn)實習主要根據(jù)學生的實習期間表現(xiàn)（如出勤率、實習態(tài)度等）、實習成果（數(shù)字產(chǎn)品是否符合規(guī)范要求）、實習報告（包括編寫格式和內(nèi)容是否符合要求，分析問題、解決問題的能力等）3個方面進行考核。以學生學習效果為導向的考核模式應注重在實踐教學全過程中加強對學生綜合能力的考核。在將無人機攝影測量技術(shù)引入到攝影測量學實踐教學后，要結(jié)合無人機測繪作業(yè)流程，綜合航測方案設(shè)計（航線設(shè)計、像控布設(shè)方案）、無人機影像獲取、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理及數(shù)字產(chǎn)品制作等環(huán)節(jié)，建立了一種多元化實踐考核評價體系，分別從方案設(shè)計答辯（30%）、過程（包括低空無人機影像采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)字產(chǎn)品制作）考核（40%）以及實習報告（30%）3個環(huán)節(jié)進行攝影測量實踐教學全過程考核，激發(fā)學生潛能，培養(yǎng)學生自主運用綜合知識，解決復雜實際問題的能力和創(chuàng)新能力。

5 結(jié)語

依托小型無人機實踐教學平臺，突破了傳統(tǒng)攝影測量實驗教學過程中安全性低、成本高、場地條件要求苛刻等限制，摸索并總結(jié)出了一套基于OBE理念的無人機輔助的攝影測量實踐教學流程，具體包括無人機航線設(shè)計、像控點布設(shè)、數(shù)據(jù)獲取與檢查、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理與數(shù)字產(chǎn)品制作等環(huán)節(jié)；建立了一種注重考核實踐教學全過程的多元化攝影測量實踐教學考核評價體系，學生可快速掌握無人機航測的基本原理和過程，增加對內(nèi)、外業(yè)工作的理解，提高了學生的工程實踐能力，激發(fā)了學生潛能，增強了學生創(chuàng)新設(shè)計意識，達到了改革實驗教學的目的，為培養(yǎng)更加滿足社會需求的新型測繪工程人才奠定基礎(chǔ)。