虛擬現(xiàn)實技術(shù)在無人機航空攝影測量實驗教學中的應用①

鄧磊 李永新 段福洲 李博旭 毛智慧

摘 ? 要：航空攝影測量是一門理論性和實踐性都很強的課程，實驗教學在其中起著關(guān)鍵的作用。本文首先對該課程實驗教學中存在的問題以及教學改革的必要性進行了分析，然后結(jié)合無人機航空攝影測量實習的特點，采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，建立了無人機航空攝影測量實驗教學平臺。對于解決實踐環(huán)節(jié)中成本高、風險大、時間長、效果差等問題極具理論和現(xiàn)實意義，可為遙感科學與技術(shù)專業(yè)的實踐教學改革提供有益的參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：航空攝影測量 ?實驗教學改革 ?無人機 ?虛擬現(xiàn)實

中圖分類號：P231-4;G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）09（b）-0223-04

Abstract： Photogrammetry is a very theoretical and practical course， and experimental teaching plays a key role in it. This paper first analyzes the problems in the experiment teaching and the necessity of the teaching reform， and then combines the characteristics of the photogrammetry practice and advantages of VR technology to set up an experimental teaching platform for the UAV-based photogrammetry. It is of great theoretical and practical significance to solve the problems of high cost， high risk， long time and poor effect in the practice， which can provide useful reference for the reform of the practical teaching of Remote Sensing Science and technology.

Key Words： Photogrammetry; Experimental teaching reform; Unmanned aerial vehicle; Virtual reality

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality， VR）技術(shù)是人與計算機生成的虛擬環(huán)境進行交互活動的技術(shù)手段[1]，其融合了真實場景和虛擬世界，以三維建模、實時互動、人工智能和身臨其境等特征，成為“未來教育改革”的重要發(fā)展趨勢[2-3]。虛擬實驗教學作為一種新興的實驗教育形式，能夠?qū)崿F(xiàn)學習媒體的情景化及自然交互性，基于VR技術(shù)的實驗教學系統(tǒng)具有安全性、沉浸性、交互性、針對性等特征，有助于構(gòu)建一種可控的、逼近真實、多感知一體化的學習環(huán)境，使學生由被動接受者變成課堂的主導者，并通過人與虛擬世界的多元感知和自然交互，實現(xiàn)自主探索和認識客觀事物的目標。

攝影測量學是一門理論與實踐并重的課程，其實驗教學部分是培養(yǎng)學生扎實的攝影測量學處理技能、完成從理論學習到實踐應用的關(guān)鍵過程[4-5]。特別是近年來隨著無人機技術(shù)的興起和持續(xù)升溫，基于無人機的航空攝影測量實驗教學在實踐中起到了越來越重要的作用。但是，由于軟、硬件設(shè)備投入成本高，學生人數(shù)眾多，以及實驗學時的限制，目前主要是以實驗室參觀展示功能為主，很難滿足每個學生獨立學習和交互操作的需求。此外，由于受無人機飛行安全因素、場地環(huán)境及天氣條件等因素的限制，導致目前航空攝影測量實驗教學陷入實訓成本高、拓展資源少、教學效果差、實踐探究有限的不利境地。

實驗教學正面臨著一場深刻的實驗手段變革。引入VR技術(shù)，無論對于實踐教學模式的改革還是學生自主深度學習的提高都有很強的促進意義[6-7]。因此，本文對VR技術(shù)在航空攝影測量實驗教學中的應用探索進行研究，基于VR技術(shù)進行虛擬無人機航空攝影測量實驗系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)。

1 ?無人機航空攝影測量虛擬仿真實驗的主要內(nèi)容

教學實踐環(huán)節(jié)對專業(yè)學習而言非常重要，根據(jù)攝影測量技術(shù)特點設(shè)計可操作性強的虛擬實踐項目，是虛擬仿真實踐研究的主要目標。隨著測繪科學與技術(shù)的蓬勃發(fā)展，攝影測量有許多創(chuàng)新性研究成果，無人機攝影測量技術(shù)是這其中典型的代表。遙感科學與技術(shù)專業(yè)屬于技術(shù)應用型專業(yè)，對學生實踐能力的培養(yǎng)有很高的標準和要求[8-9]。為了使攝影測量課程的實踐教學與新技術(shù)的發(fā)展和應用相適應，開闊學生視野，培養(yǎng)學生的研究創(chuàng)新能力，我們將攝影測量實踐的內(nèi)容在數(shù)據(jù)獲取和處理方面進行了適當?shù)臄U展和更新，讓學生能夠跟蹤攝影測量技術(shù)發(fā)展的前沿水平，培養(yǎng)提高學生實踐動手能力和學習興趣，提高學生的綜合設(shè)計、研究創(chuàng)新和工程實踐能力。

無人機航空攝影測量的實驗內(nèi)容涵蓋了整個無人機攝影測量的過程，在教學內(nèi)容組織、實驗項目選擇上，有明確的針對性和明確的培養(yǎng)目標。整體設(shè)計內(nèi)容包括：無人機及成像傳感器選取、無人機航線設(shè)計規(guī)劃、無人機操控與安全防護、地面控制點布設(shè)[10]、影像預處理、基于SFM算法[11]的三維重建、數(shù)字正射影像（DOM）和數(shù)字表面模型（DSM）的生產(chǎn)等。

2 ?虛擬無人機航空攝影測量實驗系統(tǒng)的實現(xiàn)

該虛擬仿真實驗系統(tǒng)采用游戲化、趣味性的設(shè)計理念，整個系統(tǒng)分為五大模塊，如圖1所示。其中，知識學院提供了大量理論知識和相關(guān)的法律法規(guī)，供學生進行理論學習和系統(tǒng)使用參考;數(shù)據(jù)中心是進行無人機航測數(shù)據(jù)處理的地方，學生可以在其中進行數(shù)據(jù)預處理、三維建模和數(shù)據(jù)產(chǎn)品的制作;在商城中，學生可以選擇不同類型的無人機和成像傳感器;任務模式和考核模式是系統(tǒng)的核心，主要按照無人機航空攝影測量的過程分為以下相對獨立的環(huán)節(jié)，下面分別對其進行簡要的介紹。

2.1 虛擬無人機

系統(tǒng)中有固定翼和旋翼兩種無人機三維模型，可采用“爆炸”視圖將無人機拆分成零件的狀態(tài)，配以文字講解可使學生掌握典型無人機的相關(guān)組件，更好地了解無人機。同時，無人機的選擇，需要根據(jù)法律法規(guī)、區(qū)域環(huán)境、載重與續(xù)航時間等因素進行調(diào)整。主要內(nèi)容包括：

（1）選擇固定翼或者多旋翼無人機，同時展示不同類型無人機的特點和參數(shù)信息，例如給出該無人機的載重與續(xù)航時間，讓學生了解直接影響機型選擇和航線規(guī)劃的重要因素;

（2）虛擬一鍵拆解安裝。在拆解時，學生可查看無人機零件的參數(shù)信息，如螺旋槳、機架、電池等。

2.2 虛擬成像傳感器

該模塊（圖2）通過形象的動畫并配以文字講解，使學生理解焦距、感光器件尺寸、影像尺寸、成像距離與地面分辨率及成像比例尺之間的關(guān)系，掌握評價和選擇成像傳感器的一般原則。

2.3 虛擬起飛/降落地點選擇

起飛和降落地點的選擇將直接影響無人機的飛行安全以及是否能夠達成任務目標。該模塊通過身臨其境的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，訓練學生對無人機起降地點、周邊環(huán)境和氣象條件的觀察與判斷能力。主要內(nèi)容包括：

（1）法律法規(guī)學習。通過法律法規(guī)的學習，使學生掌握我國對無人機飛行的相關(guān)法律法規(guī)信息，熟悉飛行審批的流程;

（2）環(huán)境條件觀察與判斷。通過觀察虛擬場景中設(shè)定的城市、山區(qū)等情景，結(jié)合飛行任務以及選用的無人機（多旋翼或固定翼），選擇合適的起飛/降落地點。環(huán)境條件主要包括是否在禁飛區(qū)內(nèi)、障礙物、場地平整性、時間、風力、天氣情況等。

2.4 航線設(shè)計與規(guī)劃

參照無人機地面站[12]的設(shè)計，根據(jù)學生所選的無人機和成像傳感器進行飛行任務的設(shè)計和規(guī)劃（如圖3所示）。通過飛行參數(shù)的變化，學生可以直觀地了解飛行高度與地面分辨率的關(guān)系、旁向重疊對任務執(zhí)行時間的影響、傳感器視場角對分辨率和航向重疊的影響，讓學生充分理解和掌握飛行任務參數(shù)設(shè)置對飛行任務的影響。主要內(nèi)容包括：

（1）飛行任務區(qū)域設(shè)定，用于確認飛行任務覆蓋的地理空間范圍;

（2）設(shè)置飛行高度、飛行速度、航向重疊率、旁向重疊率、相機傾斜角等信息，通過改變參數(shù)，觀察系統(tǒng)預估飛行時間的變化，并據(jù)此對參數(shù)進行重新調(diào)整，保證達成飛行任務的目標。

2.5 虛擬地面控制點布設(shè)與測量

學生可在全局視圖中對控制點的整體布設(shè)情況進行設(shè)計，并在虛擬地理場景中進行地面控制點的布置與測量，用于對無人機航攝影像的幾何校正[12]。

2.6 虛擬起降與任務飛行

該可通過飛行過程中反饋的參數(shù)信息（高度、航向、電量等）以及實時顯示的飛機拍攝照片，對航攝情況進行直觀了解。同時針對突發(fā)情況，學員可以進行降落操作，增加學員觀察能力和應變處理能力。主要內(nèi)容包括：

（1）飛行前安全檢查。訓練學生按照起飛規(guī)程對電池、相機、螺旋槳等設(shè)備進行安全檢查，培養(yǎng)安全意識;

（2）自動起飛與降落。通過虛擬地面站軟件，控制無人機的自動起飛與降落行為;

（3）觀察飛行參數(shù)，包括高度、航向、電量等信息，同時需要注意天氣情況;

（4）觀察實時無人機拍攝照片。通過觀察實時無人機拍攝照片，學生可對航線規(guī)劃參數(shù)設(shè)置所產(chǎn)生的結(jié)果有直觀認識;

（5）突發(fā)狀況處置。無人機正常降落或遇到突發(fā)狀況時（如電量不足、惡劣天氣等），學員需要通過主觀判斷，選擇飛機降落點，同時對升降速度進行控制，保證飛機安全降落。

2.7 虛擬航測數(shù)據(jù)預處理

虛擬數(shù)據(jù)預處理是對無人機航拍所產(chǎn)生的照片進行質(zhì)量檢查、導出與影像配套的POS信息并進行格式轉(zhuǎn)換。學生可查看飛行任務所拍攝的圖片數(shù)量、日期、地理位置等信息。導出數(shù)據(jù)后，建立每張照片與POS信息的關(guān)聯(lián)。

2.8 虛擬航測影像處理

通常情況下，利用真實的軟件處理大量航測影像會耗費大量的時間并具有較大的不確定性。因此，本模塊以基于SFM技術(shù)的Photoscan軟件[14-15]為原型，采用虛擬現(xiàn)實的方式模擬航測影像處理和建模的全過程，使學生掌握相關(guān)處理的軟件的基本過程和要點。具體內(nèi)容包括：導入影像、標記地面控制點、建立空三、點云加密、面片化處理、紋理貼圖以及結(jié)果輸出等。

2.9 虛擬建模效果對比與分析

在建模過程中，參數(shù)的設(shè)置將會極大地影響最終結(jié)果的效果和精度。通常情況下，學生要通過大量的嘗試，理解不同參數(shù)的意義和達成的效果，但這將耗費大量的計算時間。本模塊通過虛擬仿真的方式，讓學生直觀感受到參數(shù)設(shè)置和輸出效果之間的關(guān)系（如圖4、5所示）。

3 ?結(jié)語

在大數(shù)據(jù)時，除大飛機攝影測量數(shù)據(jù)外，無人機技術(shù)為攝影測量技術(shù)開拓了更大的發(fā)展空間。攝影測量的發(fā)展變化對教學、科研、生產(chǎn)均產(chǎn)生了深遠的影響。脫離生產(chǎn)實際的純理論教育是沒有意義和生命力的，虛擬仿真是新興的技術(shù)平臺，在該平臺下進行無人機航空攝影測量實踐教學創(chuàng)新研究，對于解決實踐環(huán)節(jié)中成本高、風險大、時間長、效果差等問題極具理論和現(xiàn)實意義，對于鞏固理論知識教學效果，培養(yǎng)提高學生實踐動手能力和學習興趣，提高學生的綜合設(shè)計、研究創(chuàng)新和工程實踐能力至關(guān)重要。同時，我們還應意識到，這是一項長期的綜合系統(tǒng)工程，沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗可供參考，還需深層次地探討實踐課程的體系設(shè)計、實習實踐環(huán)節(jié)和施教方式等問題，并提出相應的實施方案，并最終要落實到虛擬仿真軟件的研發(fā)和相關(guān)課件的建設(shè)，以及在教學實踐中逐步應用、改進，并趨于完善。

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