基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)的無(wú)人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)處理仿真實(shí)訓(xùn)

李 艷 謝燕梅

（成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川 成都 610100）

2019 年國(guó)務(wù)院發(fā)布的《國(guó)家職業(yè)教育改革實(shí)施方案》中提出，隨著我國(guó)進(jìn)入發(fā)展新階段，各行業(yè)均迫切需求技術(shù)技能人才，沒(méi)有職業(yè)教育現(xiàn)代化就沒(méi)有教育現(xiàn)代化。2021 年《無(wú)人機(jī)測(cè)繪操控員國(guó)家職業(yè)技能標(biāo)準(zhǔn)》中提出“職業(yè)活動(dòng)為導(dǎo)向、職業(yè)技能為核心”的指導(dǎo)思想，對(duì)無(wú)人機(jī)測(cè)繪操控員的技能水平和理論知識(shí)水平進(jìn)行了明確規(guī)定。職業(yè)教育與任務(wù)聯(lián)系緊密，實(shí)施任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式是職業(yè)教育的理想選擇，航測(cè)數(shù)據(jù)處理作為無(wú)人機(jī)測(cè)繪操控員的重要技能之一，在教學(xué)過(guò)程中需要堅(jiān)持教學(xué)過(guò)程與實(shí)踐過(guò)程對(duì)接的職業(yè)教育理念，探索無(wú)人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)處理仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)方法，促進(jìn)職業(yè)院校無(wú)人機(jī)專業(yè)課程建設(shè)的改革，提高職業(yè)教育的質(zhì)量。

1 目前無(wú)人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)處理仿真實(shí)訓(xùn)存在的問(wèn)題

1.1 多學(xué)科交叉發(fā)展，專業(yè)知識(shí)性強(qiáng)

無(wú)人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)處理技術(shù)是一門(mén)內(nèi)容抽象、邏輯嚴(yán)密、實(shí)用性強(qiáng)的專業(yè)課，該課程可以使學(xué)生系統(tǒng)地掌握無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量的基本理論與方法。無(wú)人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)處理涉及高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、計(jì)算機(jī)、攝影測(cè)量學(xué)等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)；數(shù)據(jù)處理過(guò)程涉及多個(gè)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換，空間關(guān)系復(fù)雜，空間立體感強(qiáng)，需要學(xué)生具有較強(qiáng)的空間想象能力。

1.2 教學(xué)過(guò)程與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)，效果不理想

無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量如今已進(jìn)入數(shù)碼攝影測(cè)量時(shí)代，在“數(shù)字城市”“智慧城市”“地理國(guó)情普查”等領(lǐng)域發(fā)揮了非常重要的作用。無(wú)人機(jī)應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展對(duì)人才提出了更高的要求，當(dāng)前教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生對(duì)無(wú)人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)處理的學(xué)習(xí)僅僅停留在對(duì)公式的理解和推導(dǎo)上，與實(shí)際生產(chǎn)脫節(jié)，該課程的教學(xué)效果并不理想，因此，需要對(duì)無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量教學(xué)進(jìn)行新的探索與教學(xué)改革。

1.3 學(xué)生缺乏對(duì)無(wú)人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)處理過(guò)程的理解，任務(wù)導(dǎo)向不明確

數(shù)據(jù)處理是無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量的重要內(nèi)容，在國(guó)內(nèi)外形成了很多成熟的數(shù)據(jù)處理軟件，由于軟件“傻瓜式”的操作流程，在生產(chǎn)過(guò)程中有操作便捷的優(yōu)勢(shì)，而用于職業(yè)教學(xué)則存在較大的局限性：學(xué)生在使用這些數(shù)據(jù)處理軟件時(shí)，通常采用默認(rèn)參數(shù)，數(shù)據(jù)處理過(guò)程中任務(wù)不明確，學(xué)生對(duì)無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量知識(shí)沒(méi)有一個(gè)整體認(rèn)識(shí)。在任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)過(guò)程中，教師將數(shù)據(jù)處理過(guò)程設(shè)計(jì)成多個(gè)任務(wù)，而非僅通過(guò)數(shù)據(jù)處理軟件運(yùn)行出結(jié)果這一個(gè)任務(wù)，以任務(wù)驅(qū)動(dòng)引導(dǎo)學(xué)生思考，在完成數(shù)據(jù)處理任務(wù)過(guò)程中提升職業(yè)能力。隨著國(guó)內(nèi)職業(yè)教育教學(xué)手段的發(fā)展，任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)和仿真教學(xué)方法取得了積極的進(jìn)展，兩者既與高職教學(xué)目標(biāo)相適應(yīng)，又與無(wú)人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)處理教學(xué)內(nèi)容相匹配。

2 基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)的無(wú)人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)處理仿真實(shí)訓(xùn)

基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)的無(wú)人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)處理仿真實(shí)訓(xùn)以具體任務(wù)形式開(kāi)展教學(xué)過(guò)程，堅(jiān)持以學(xué)生為中心的實(shí)訓(xùn)教學(xué)理念，遵照仿真實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目“能實(shí)不虛，虛實(shí)結(jié)合”的原則，通過(guò)典型工作任務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)學(xué)生“做中學(xué)”，培養(yǎng)學(xué)生交叉學(xué)科的航測(cè)數(shù)據(jù)處理方法和解決復(fù)雜問(wèn)題的綜合能力。任務(wù)驅(qū)動(dòng)的無(wú)人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)處理仿真實(shí)訓(xùn)過(guò)程包括三個(gè)實(shí)訓(xùn)任務(wù)和九個(gè)仿真知識(shí)點(diǎn)，如圖1 所示。

圖1 任務(wù)驅(qū)動(dòng)的無(wú)人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)處理仿真實(shí)訓(xùn)

2.1 無(wú)人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)處理實(shí)訓(xùn)任務(wù)

航測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與工程創(chuàng)建。通過(guò)無(wú)人機(jī)“航測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與工程創(chuàng)建”實(shí)訓(xùn)任務(wù)，首先要求學(xué)生掌握航測(cè)數(shù)據(jù)組成、檢查數(shù)據(jù)完整性，理解數(shù)據(jù)投影坐標(biāo)系；對(duì)工程文件、相機(jī)焦距、光圈、圖像分辨率等參數(shù)的設(shè)置，可對(duì)比不同參數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)處理效果的影響。

航測(cè)數(shù)據(jù)空中三角測(cè)量。通過(guò)無(wú)人機(jī)“航測(cè)數(shù)據(jù)空中三角測(cè)量”實(shí)訓(xùn)任務(wù)，可以直觀地展示出傳統(tǒng)教學(xué)中難以解釋清楚的概念和原理，包括像控點(diǎn)布設(shè)、外方位元素、共線方程、共面方程等，要求學(xué)生理解內(nèi)定向、相對(duì)定向、絕對(duì)定向等攝影測(cè)量的基本原理，使其真正掌握數(shù)據(jù)處理技術(shù)流程而非操作步驟，達(dá)到掌握一個(gè)數(shù)據(jù)處理空中三角測(cè)量軟件，其他軟件也可以觸類旁通的效果。

航測(cè)數(shù)據(jù)成果生成與輸出。通過(guò)“航測(cè)數(shù)據(jù)成果生成與輸出”實(shí)訓(xùn)任務(wù)，要求學(xué)生利用空中三角測(cè)量成果，采用全自動(dòng)空中三角測(cè)量導(dǎo)入的方式，通過(guò)分辨率、投影坐標(biāo)等不同參數(shù)的設(shè)置，生成數(shù)字正射影像圖（DOM）、數(shù)字高程模型（DEM），對(duì)各類無(wú)人機(jī)航測(cè)成果數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，使學(xué)生能夠完成航測(cè)數(shù)據(jù)成果的生成與輸出，并了解該成果在各行業(yè)的應(yīng)用。

2.2 無(wú)人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)處理仿真實(shí)訓(xùn)過(guò)程

無(wú)人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)處理實(shí)訓(xùn)教學(xué)圍繞九個(gè)關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)來(lái)開(kāi)展仿真。

數(shù)據(jù)組成與完整性檢查。航測(cè)數(shù)據(jù)包括影像數(shù)據(jù)、位姿數(shù)據(jù)、相機(jī)文件以及控制點(diǎn)數(shù)據(jù)。確認(rèn)原始數(shù)據(jù)的完整性主要是檢查獲取的影像中有沒(méi)有質(zhì)量不合格的影像，檢查位姿數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)情況，出現(xiàn)不對(duì)應(yīng)時(shí)應(yīng)手動(dòng)調(diào)整。該仿真知識(shí)點(diǎn)中采用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)對(duì)不同原始數(shù)據(jù)格式進(jìn)行存儲(chǔ)與管理，通過(guò)仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)加載與完整性檢查。

數(shù)據(jù)投影坐標(biāo)系。該仿真知識(shí)點(diǎn)中通過(guò)建立地球橢球模型，采用不同的投影方式模擬地球曲面投影到平面的過(guò)程。通過(guò)對(duì)地球上不同經(jīng)緯度的仿真實(shí)訓(xùn)，學(xué)生能夠更好地理解不同的投影方式、不同地域上地圖投影帶來(lái)的誤差，還可求解不同地方的中央經(jīng)線、投影帶、投影變形等信息。

相機(jī)焦距、光圈、圖像分辨率。無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量過(guò)程中使用不同的焦距值，同一物體成像的大小不同，焦距越大，成像越大；大光圈易于營(yíng)造背景模糊的淺景深，小光圈拍攝主體與背景都較為清晰；影像分辨率是顯示影像水平、垂直方向上的像素?cái)?shù)，像素?cái)?shù)越多，分辨率越高，影像質(zhì)量越好。該仿真知識(shí)點(diǎn)通過(guò)設(shè)置不同的相機(jī)焦距、相機(jī)光圈、影像分辨率等參數(shù)，對(duì)比不同參數(shù)在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中的仿真分析，幫助學(xué)生更好地理解相機(jī)參數(shù)帶來(lái)的效果。

控制點(diǎn)布設(shè)。像控點(diǎn)是攝影測(cè)量控制加密和測(cè)圖的基礎(chǔ)，像控點(diǎn)位置的選擇和點(diǎn)位的準(zhǔn)確程度，直接影響數(shù)據(jù)處理成果的精度。像控點(diǎn)必須在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)合理分布，通常100 張影像6 個(gè)控制點(diǎn)。該仿真知識(shí)點(diǎn)通過(guò)對(duì)比在測(cè)區(qū)均勻分布與集中布設(shè)像控點(diǎn)兩種情形，對(duì)比100 張影像6 個(gè)像控點(diǎn)、12 個(gè)像控點(diǎn)、18 個(gè)像控點(diǎn)，對(duì)比在山地、平原布設(shè)同等數(shù)量的像控點(diǎn)，觀察像控點(diǎn)布設(shè)對(duì)數(shù)據(jù)成果精度與數(shù)據(jù)處理效率的影響。

影像外方位元素。影像外方位元素是指在恢復(fù)內(nèi)方位元素的基礎(chǔ)上，確定攝影光束在攝影瞬間的空間位置和姿態(tài)的參數(shù)。該仿真知識(shí)點(diǎn)采用區(qū)域網(wǎng)整體平差，整體解求區(qū)域內(nèi)每張相片的六個(gè)外方位元素，所有加密點(diǎn)的地面坐標(biāo)通過(guò)已知特征點(diǎn)推算出未知特征點(diǎn)，并自動(dòng)抽取所有特征點(diǎn)，構(gòu)成整個(gè)目標(biāo)地區(qū)的特征點(diǎn)云。

空間相對(duì)定向原理。通過(guò)量取影像的同名像點(diǎn)，解算兩相鄰影像的相對(duì)位置關(guān)系，空間相對(duì)定位重點(diǎn)在于求取同名點(diǎn)，由于同一物體在不同視角下的圖像有極大的不同，不同光照情況下物體遮擋，不同物體的幾何形狀、物體和攝像機(jī)之間的空間關(guān)系等因素，導(dǎo)致自動(dòng)確定同名點(diǎn)非常復(fù)雜。通過(guò)不同視角、不同光照、不同物體情景下的對(duì)比分析，對(duì)空間相對(duì)定向原理進(jìn)行仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)。

空間絕對(duì)定向原理。通過(guò)量取模型的同名像點(diǎn)，解算兩相鄰影像的相對(duì)位置關(guān)系的過(guò)程叫空間絕對(duì)定向；若已知部分像點(diǎn)對(duì)應(yīng)到地面的大地控制點(diǎn)坐標(biāo)，即可將該測(cè)區(qū)納入大地坐標(biāo)系中，就可計(jì)算出每對(duì)像點(diǎn)對(duì)應(yīng)的地面點(diǎn)坐標(biāo)。該仿真知識(shí)點(diǎn)中，通過(guò)將已知的部分像點(diǎn)對(duì)應(yīng)到地面的大地控制點(diǎn)坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)處理絕對(duì)定向過(guò)程仿真教學(xué)。

數(shù)字正射影像原理分析與應(yīng)用。數(shù)字正射影像圖（DOM）是對(duì)無(wú)人機(jī)拍攝的影像進(jìn)行數(shù)字鑲嵌，按一定圖幅范圍裁剪生成的數(shù)字正射影像圖集，具有精度高、信息豐富、直觀逼真、獲取快捷等優(yōu)點(diǎn)，可從中提取自然資源和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的歷史信息或最新信息。通過(guò)仿真實(shí)訓(xùn)查看DOM在水利建設(shè)上的洪水監(jiān)測(cè)、河流變遷、旱情監(jiān)測(cè)，農(nóng)業(yè)上的農(nóng)業(yè)估算、病蟲(chóng)害分析，海岸線保護(hù)和生態(tài)變化監(jiān)測(cè)等行業(yè)的應(yīng)用，可擴(kuò)展學(xué)生對(duì)數(shù)字正射影像圖的應(yīng)用知識(shí)。

數(shù)字高程模型原理分析與應(yīng)用。數(shù)字高程模型（DEM）是通過(guò)有限的地形高程數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)地面地形的數(shù)字化模擬，在測(cè)繪、水文、氣象、地貌、地質(zhì)、土壤、工程建設(shè)、通訊、軍事等國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)以及人文和自然科學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。通過(guò)仿真實(shí)訓(xùn)，學(xué)生可以查看DEM 在工程應(yīng)用中的土方量計(jì)算、通視分析，防洪減災(zāi)的水文分析如匯水區(qū)分析、降雨分析、蓄洪計(jì)算、淹沒(méi)分析，無(wú)線通訊基站選址上的基站分析等方面的應(yīng)用，可擴(kuò)展學(xué)生對(duì)數(shù)字過(guò)程模型的應(yīng)用知識(shí)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文將任務(wù)驅(qū)動(dòng)式的教學(xué)方法與無(wú)人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)處理仿真教學(xué)相結(jié)合，通過(guò)任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)方法將數(shù)據(jù)處理過(guò)程設(shè)計(jì)成多個(gè)任務(wù)促進(jìn)學(xué)生對(duì)航測(cè)數(shù)據(jù)處理過(guò)程的理解，教學(xué)具有較強(qiáng)靈活性、目的性和任務(wù)導(dǎo)向性，適應(yīng)高職院校教學(xué)改革的新要求。