基于三維建模平臺(tái)的“無(wú)人機(jī)遙感”課程創(chuàng)新研究

于文龍　高繁強(qiáng)　張明宇等

關(guān)鍵詞：三維建模；無(wú)人機(jī)遙感；教學(xué)改革；創(chuàng)新探索

中圖法分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

近年來(lái)，隨著科技的高速發(fā)展，三維建模技術(shù)已日漸完善，不僅突破了二維平面單調(diào)展示空間信息的限制，并且為各行各業(yè)提供了更加直觀且真實(shí)的輔助決策技術(shù)支持。當(dāng)前，鑒于受高校學(xué)生薄弱的知識(shí)基礎(chǔ)和欠缺的學(xué)習(xí)能力的影響，教師在設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容時(shí)側(cè)重于讓學(xué)生理解和掌握“無(wú)人機(jī)遙感”課程的原理和方法，但這部分學(xué)習(xí)需要學(xué)生具備較強(qiáng)的數(shù)理基礎(chǔ)，往往會(huì)忽視對(duì)學(xué)生空間思維的培養(yǎng)。在“無(wú)人機(jī)遙感”課程中，數(shù)理基礎(chǔ)和空間思維能力要求較高，導(dǎo)致學(xué)生理論學(xué)習(xí)較為吃力[1～3]。因此，本文以遙感科學(xué)與技術(shù)專業(yè)中的“無(wú)人機(jī)遙感”課程作為“示范項(xiàng)目”，大膽嘗試將“三維建模平臺(tái)”與“無(wú)人機(jī)遙感”課程相結(jié)合，采用“理論導(dǎo)向，三維驅(qū)動(dòng)”理論和實(shí)際一體化的教學(xué)模式，注重學(xué)生空間思維能力的培養(yǎng)，通過(guò)改變傳統(tǒng)遙感科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生的授課方式，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，最大限度地做到學(xué)以致用，以期提高教學(xué)質(zhì)量。

1三維建模的現(xiàn)狀與發(fā)展

三維建模是通過(guò)計(jì)算機(jī)處理和表示，對(duì)三維建筑物建立數(shù)學(xué)模型，以此表達(dá)和建立真實(shí)世界的虛擬現(xiàn)實(shí)。從嚴(yán)格意義上講，三維建模技術(shù)并不是一種很新的技術(shù)，在國(guó)外，地質(zhì)建模早已發(fā)展了幾十年，中國(guó)的相關(guān)技術(shù)發(fā)展也可追溯到20世紀(jì)80年代。以往的三維建模多用于視覺檢測(cè)方面，但隨著三維建模技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)應(yīng)用在虛擬現(xiàn)實(shí)、生物醫(yī)學(xué)、建筑等方面，為推進(jìn)和建設(shè)數(shù)字化城市創(chuàng)造了較為豐厚的經(jīng)濟(jì)效益。物理三維建模是計(jì)算機(jī)幾何設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫以及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等領(lǐng)域的核心技術(shù)，其獨(dú)到的管理龐大空間對(duì)象的能力及空間分析的能力，可以彌補(bǔ)遙感在三維數(shù)據(jù)薄弱以及空間分辨率低等方面的不足，以提高其解決行業(yè)用戶核心需求的能力。

隨著各項(xiàng)大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，三維建模將來(lái)會(huì)在智慧城市、數(shù)字校園等領(lǐng)域發(fā)揮舉足輕重的作用，同時(shí)可以滿足高校教師、科研人員以及專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。

2“無(wú)人機(jī)遙感”課程的現(xiàn)狀與發(fā)展

隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，各個(gè)專業(yè)領(lǐng)域?qū)b感數(shù)據(jù)的需求逐漸增加，但數(shù)據(jù)獲取的手段相對(duì)不足，此時(shí)，以無(wú)人機(jī)為空中遙感平臺(tái)的遙感技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)是一種新型的航空攝影測(cè)量的方式，它具有續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、實(shí)時(shí)影像傳輸、探測(cè)高危地區(qū)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但是由于“無(wú)人機(jī)遙感”課程教學(xué)內(nèi)容較強(qiáng)的理論性和空間性，不易被學(xué)生接受，很難達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果。在以往的教學(xué)過(guò)程中，“無(wú)人機(jī)遙感”課程的講授以相關(guān)理論為主，或是結(jié)合相關(guān)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，過(guò)程枯燥無(wú)味，教學(xué)效果較差。另外，一些高校經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)較差，無(wú)法搭建相關(guān)實(shí)驗(yàn)室以滿足實(shí)踐需要，使得理論與實(shí)踐相脫節(jié)。

針對(duì)上述問(wèn)題，對(duì)于“無(wú)人機(jī)遙感”課程的講授，如何生動(dòng)且聯(lián)系實(shí)際顯得尤為重要。因此，在設(shè)計(jì)本課程的教學(xué)內(nèi)容時(shí)，通過(guò)無(wú)人機(jī)遙感拍攝的航空影片來(lái)進(jìn)行三維建模，構(gòu)建相關(guān)平臺(tái)應(yīng)用于“無(wú)人機(jī)遙感”課程，以增強(qiáng)學(xué)生空間想象力和理解“無(wú)人機(jī)遙感”課程相關(guān)知識(shí)的能力。可以通過(guò)“地理信息服務(wù)綜合管控平臺(tái)”案例來(lái)展示和存儲(chǔ)地理信息，進(jìn)行“無(wú)人機(jī)遙感”課程的講授，其能夠很好地融合該課程概念抽象、較難理解的特點(diǎn)，給學(xué)生帶來(lái)更直觀的體驗(yàn)，便于他們理解和掌握相關(guān)技巧，進(jìn)而提高教學(xué)質(zhì)量。

3三維建模平臺(tái)在“無(wú)人機(jī)遙感”課程中的應(yīng)用及未來(lái)

3.1三維建模平臺(tái)在“無(wú)人機(jī)遙感”課程中的導(dǎo)入

雖然在傳統(tǒng)的日常教學(xué)過(guò)程中，已經(jīng)引入了部分基于傾斜攝影測(cè)量的半自動(dòng)建模技術(shù)相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容，但這項(xiàng)技術(shù)聽起來(lái)就較為乏味枯燥，仍需結(jié)合現(xiàn)實(shí)生活中大量的無(wú)人機(jī)遙感相關(guān)的內(nèi)容進(jìn)行教授。為了破除傳統(tǒng)教學(xué)的弊端以及彌補(bǔ)教學(xué)過(guò)程中存在的不足，對(duì)于“無(wú)人機(jī)遙感”課程而言，課程內(nèi)容的設(shè)計(jì)尤為重要。教師可對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行必要的調(diào)整，提高學(xué)生解決實(shí)際遙感問(wèn)題的能力。授課教師可挑選學(xué)生熟悉的場(chǎng)景，現(xiàn)場(chǎng)展示并講解數(shù)據(jù)的采集方法，以及三維模型的創(chuàng)建流程，加深學(xué)生學(xué)習(xí)印象，改善學(xué)生對(duì)于當(dāng)前行業(yè)發(fā)展階段的認(rèn)識(shí)，能夠有效提高學(xué)生對(duì)于實(shí)習(xí)的積極性。

如圖1所示，在“無(wú)人機(jī)遙感”課程中引入三維建模，可生動(dòng)直觀地講解無(wú)人機(jī)遙感的內(nèi)容，并將無(wú)人機(jī)遙感、遙感的應(yīng)用，通過(guò)三維建模的模式進(jìn)行講解，相較于傳統(tǒng)的無(wú)人機(jī)理論教學(xué)，其更直觀、形象、立體、生動(dòng)，更易讓學(xué)生理解，同時(shí)擴(kuò)展學(xué)生關(guān)于本課程的學(xué)習(xí)空間。在教師講授過(guò)程中，通過(guò)山東交通學(xué)院自主研發(fā)的軟件平臺(tái)，獲取物體表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、拼接等，得到物體真實(shí)的三維形狀，不再是機(jī)械地進(jìn)行圖片和理論知識(shí)講解，讓學(xué)生在這個(gè)過(guò)程中真正地融人教學(xué)中，學(xué)到相關(guān)知識(shí)。

3.2三維建模平臺(tái)在“無(wú)人機(jī)遙感”課程中的應(yīng)用

在遙感科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)習(xí)過(guò)程中，認(rèn)知實(shí)踐部分是不可或缺的，三維建模知識(shí)被引入“無(wú)人機(jī)遙感”課程中，能夠強(qiáng)化無(wú)人機(jī)遙感數(shù)據(jù)展示的意義，從而進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際操作能力[4]。在“無(wú)人機(jī)遙感”課程講述中，授課教師挑選典型事例，結(jié)合實(shí)際三維建模平臺(tái)，采用“理論導(dǎo)向，三維驅(qū)動(dòng)”理論和實(shí)際一體化的教學(xué)模式，以真實(shí)場(chǎng)景來(lái)開展啟發(fā)式教學(xué)，讓學(xué)生對(duì)其所學(xué)的“無(wú)人機(jī)遙感”課程理論方法的應(yīng)用有更加深刻的認(rèn)識(shí)。通過(guò)無(wú)人機(jī)拍攝真實(shí)校園全景照片進(jìn)行三維建模，通過(guò)熟悉的場(chǎng)景引導(dǎo)，激起學(xué)生求知的渴望。與此同時(shí)，基于三維建模的復(fù)合式教學(xué)，可以降低教學(xué)成本，提高教學(xué)效率。如圖2所示，在案例分析課上，將三維建模的真實(shí)校園場(chǎng)景和無(wú)人機(jī)遙感基礎(chǔ)理論引入課堂進(jìn)行交流和討論，引導(dǎo)學(xué)生積極思考，由被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)換為主動(dòng)學(xué)習(xí)，使其自發(fā)地學(xué)習(xí)新技術(shù)。通過(guò)教師教與學(xué)生學(xué)的相互結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生自主發(fā)展，大大提高他們的空間感知思維，并改善學(xué)生對(duì)于當(dāng)前行業(yè)發(fā)展階段的認(rèn)識(shí)，能夠有效提高學(xué)生對(duì)于實(shí)習(xí)的積極性。

3.3三維建模平臺(tái)在“無(wú)人機(jī)遙感”課程中的未來(lái)

在這個(gè)高新技術(shù)迅速發(fā)展的時(shí)代，人們對(duì)于數(shù)字與媒體的需求也變得越來(lái)越多[7]。三維建模技術(shù)能使人們更好地與現(xiàn)實(shí)世界的事物相聯(lián)系。在大數(shù)據(jù)背景下，三維建模平臺(tái)的發(fā)展前景十分廣闊，且具有一定的生存空間，或?qū)⒊蔀榘l(fā)展的主流趨勢(shì)。與此同時(shí)，三維建模技術(shù)將來(lái)為“無(wú)人機(jī)遙感”課程提供的服務(wù)會(huì)越來(lái)越便利。在不久的將來(lái)，三維模型建模技術(shù)將會(huì)更多地融人“無(wú)人機(jī)遙感”課程。但是，如何將三維建模平臺(tái)和“無(wú)人機(jī)遙感”課程較好地融合在一起，還需要教師進(jìn)行相關(guān)探究和技術(shù)轉(zhuǎn)化。

4結(jié)束語(yǔ)

鑒于“無(wú)人機(jī)遙感”課程教學(xué)中存在的多個(gè)難點(diǎn)，本文嘗試將三維模型平臺(tái)與“無(wú)人機(jī)遙感”課程有機(jī)結(jié)合，使整個(gè)教學(xué)過(guò)程更加有趣和直觀，從而激起學(xué)生學(xué)習(xí)遙感技術(shù)的興趣，提高教學(xué)質(zhì)量，達(dá)到教學(xué)目的，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生對(duì)無(wú)人機(jī)遙感的應(yīng)用能力。實(shí)踐時(shí)，授課教師挑選典型案例，現(xiàn)場(chǎng)展示并講解實(shí)景三維建模平臺(tái)搭建流程，以及數(shù)據(jù)的采集，加深學(xué)生學(xué)習(xí)印象，改善學(xué)生對(duì)于當(dāng)前行業(yè)發(fā)展階段的認(rèn)識(shí)，能夠有效提高學(xué)生對(duì)于實(shí)習(xí)的積極性。在后續(xù)的教學(xué)過(guò)程中，還將繼續(xù)開展基于相關(guān)技術(shù)的課程建設(shè)，探索高效的課程教學(xué)機(jī)制，真正滿足教書育人的基本要求，從而更好地服務(wù)于遙感科學(xué)與技術(shù)專業(yè)人才的培養(yǎng)。

隨著無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的更新，社會(huì)對(duì)人才需求也不斷變化，三維建模技術(shù)為課程改革提供了支撐條件。高新技術(shù)應(yīng)用于遙感科學(xué)與技術(shù)專業(yè)教學(xué)，使學(xué)生在未來(lái)就業(yè)環(huán)境中具有一定的核心競(jìng)爭(zhēng)力與技術(shù)優(yōu)勢(shì)。培養(yǎng)適應(yīng)時(shí)代需求的新基建型人才是當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的根本目標(biāo)，要不斷改革與完善。高校還應(yīng)開展以學(xué)生發(fā)展為目的的實(shí)踐性教學(xué)，增強(qiáng)校企友好合作關(guān)系，為學(xué)生實(shí)習(xí)提供良好的環(huán)境，有助于學(xué)生積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，為學(xué)生將來(lái)的工作奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

作者簡(jiǎn)介：

于文龍（1984—），博士，講師，研究方向：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人工智能機(jī)械學(xué)習(xí)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、基于智能手機(jī)的災(zāi)害實(shí)時(shí)地圖生成。