基于無人機(jī)技術(shù)的航空攝影測(cè)量實(shí)訓(xùn)課程改革

宋 博，韓月嬌，馬洋洋，唐 沖

(黑龍江工業(yè)學(xué)院，黑龍江 雞西 158100)

隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)低空遙感技術(shù)作為一門新興信息技術(shù)，憑借其航攝機(jī)動(dòng)靈活、快速高效、數(shù)據(jù)精細(xì)準(zhǔn)確、影像時(shí)空分辨率高、受氣象條件影響小和作業(yè)成本較低等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于工程測(cè)量、大比例尺測(cè)圖、地籍測(cè)量、高精度遙感監(jiān)測(cè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、三維實(shí)景建模與虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域[1-5]，并且無人機(jī)航空攝影測(cè)量在測(cè)繪教學(xué)中已經(jīng)得到了較廣泛的應(yīng)用[6-7]?；跓o人機(jī)技術(shù)的航空攝影測(cè)量實(shí)訓(xùn)課程改革，對(duì)于培養(yǎng)應(yīng)用型本科人才具有重要意義。

1 基于無人機(jī)技術(shù)的航空攝影測(cè)量實(shí)訓(xùn)課程改革

本研究基于黑龍江工業(yè)學(xué)院環(huán)境與建筑藝術(shù)工程學(xué)院測(cè)繪工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案和教學(xué)大綱要求，專業(yè)教師近幾年的攝影測(cè)量教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，指導(dǎo)學(xué)生參加無人機(jī)測(cè)繪技能大賽經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合近幾年無人機(jī)技術(shù)的普及發(fā)展，對(duì)測(cè)繪工程專業(yè)航空攝影測(cè)量實(shí)訓(xùn)課程進(jìn)行了改革，從教學(xué)理念改革、教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)、實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)、師資隊(duì)伍要求、硬件設(shè)施及教學(xué)資源建設(shè)、考核方法優(yōu)化等方面進(jìn)行了改革與探索。

1.1 教學(xué)理念改革

改變傳統(tǒng)以教師為主體的理念，堅(jiān)持“以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)”的教學(xué)理念，充分利用現(xiàn)有無人機(jī)技術(shù)，根據(jù)攝影測(cè)量實(shí)訓(xùn)的特點(diǎn)采用任務(wù)型教學(xué)模式，使學(xué)生在完成任務(wù)的過程中掌握攝影測(cè)量技能。教師根據(jù)各測(cè)量模塊的要求，結(jié)合新的實(shí)踐場(chǎng)地，從學(xué)生“學(xué)”的角度出發(fā)，對(duì)內(nèi)容進(jìn)行再加工，精心設(shè)計(jì)各種教學(xué)任務(wù)。運(yùn)用多樣化的方法和手段，在教師主導(dǎo)下，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性、主動(dòng)性和創(chuàng)造性，使學(xué)生最大限度地參與到課堂教學(xué)活動(dòng)中，真正成為學(xué)習(xí)的主人，在道德、知識(shí)、技能、身心素質(zhì)上獲得全面提升。教師應(yīng)改變單一、枯燥的傳統(tǒng)教學(xué)活動(dòng)，尊重學(xué)生、關(guān)心學(xué)生、理解學(xué)生、幫助學(xué)生，建立新型的師生關(guān)系，營造寬松、和諧、民主的教學(xué)氣氛，激發(fā)師生活力和熱情。同時(shí)，運(yùn)用現(xiàn)代化教學(xué)手段，促進(jìn)線上線下教學(xué)相結(jié)合，提升信息傳遞的質(zhì)量和效率，提高課堂教學(xué)效果。

1.2 教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的攝影測(cè)量實(shí)訓(xùn)或?qū)嶒?yàn)課程主要基于大飛機(jī)或大型航攝無人機(jī)所獲取的航空影像數(shù)據(jù)進(jìn)行室內(nèi)數(shù)據(jù)處理與軟件培訓(xùn)，僅能滿足內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件操作技能的訓(xùn)練[8]。隨著小型無人機(jī)的普及，無人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)在實(shí)際測(cè)繪工作中也得到了廣泛應(yīng)用，高校也在航空攝影測(cè)量實(shí)訓(xùn)課程中引入了外業(yè)數(shù)據(jù)采集的教學(xué)內(nèi)容。雖然部分無人機(jī)的航測(cè)系統(tǒng)具備免像控功能，但為了更好地保證航測(cè)的成圖精度，實(shí)際工作中需要進(jìn)行像控點(diǎn)布設(shè)。像控點(diǎn)布設(shè)是無人機(jī)外業(yè)數(shù)據(jù)采集的主要工作內(nèi)容，因此高校在進(jìn)行實(shí)訓(xùn)內(nèi)容設(shè)計(jì)時(shí)，增加了像控點(diǎn)布設(shè)的內(nèi)容。航空攝影測(cè)量實(shí)訓(xùn)課程分為外業(yè)數(shù)據(jù)采集與內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理兩部分，外業(yè)數(shù)據(jù)采集需要學(xué)生根據(jù)測(cè)區(qū)的實(shí)際地形地貌，結(jié)合成圖要求進(jìn)行航線規(guī)劃，以奧維地圖為影像背景，進(jìn)行像控點(diǎn)位置布設(shè)，通過GNSS接收機(jī)進(jìn)行外業(yè)像控點(diǎn)坐標(biāo)采集，并制作點(diǎn)之記，應(yīng)用大疆精靈4Pro進(jìn)行航測(cè)。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時(shí)主要進(jìn)行空三處理，DEM、DOM、DLG生產(chǎn)，實(shí)訓(xùn)課程流程安排如圖1所示。

圖1 實(shí)訓(xùn)流程圖Fig.1 Training flow chart

通過全過程的實(shí)訓(xùn)課程設(shè)計(jì)，可以使學(xué)生全面掌握基于無人機(jī)技術(shù)的航空攝影測(cè)量工作主要內(nèi)容與流程，對(duì)于測(cè)繪工程專業(yè)和遙感科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生未來就業(yè)具有指導(dǎo)作用。

1.3 實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)

為了更好地完成以上實(shí)訓(xùn)課教學(xué)設(shè)計(jì)內(nèi)容，使學(xué)生掌握航空攝影測(cè)量技術(shù)，實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)至關(guān)重要。場(chǎng)地建設(shè)主要包括兩方面：一是外業(yè)數(shù)據(jù)采集場(chǎng)地建設(shè)，用于通過無人機(jī)完成外業(yè)航測(cè)任務(wù)；二是內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理場(chǎng)地建設(shè)，用于對(duì)外業(yè)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

第一，外業(yè)場(chǎng)地選取。為了實(shí)現(xiàn)無人機(jī)航空攝影測(cè)量實(shí)踐，經(jīng)過分析黑龍江工業(yè)學(xué)院西校區(qū)地勢(shì)平坦，建筑物為2～6層樓房，由教學(xué)樓、學(xué)生公寓、圖書館、操場(chǎng)構(gòu)成，地物齊全適合內(nèi)業(yè)成圖，無高層建筑物，測(cè)區(qū)適合無人機(jī)進(jìn)行航拍作業(yè)，綜合分析可以作為航空攝影測(cè)量課程外業(yè)數(shù)據(jù)獲取基地。測(cè)區(qū)正射影像如圖2所示。由于實(shí)踐過程中學(xué)生要進(jìn)行無人機(jī)操作，因此無人機(jī)起降場(chǎng)地的選取對(duì)于保證實(shí)訓(xùn)順利進(jìn)行以及學(xué)生和設(shè)備的安全至關(guān)重要，選用黑龍江工業(yè)學(xué)院實(shí)訓(xùn)中心樓頂平臺(tái)作為無人機(jī)的起降場(chǎng)地。

圖2 測(cè)區(qū)正射影像圖Fig.2 Orthophoto map of the survey area

第二，內(nèi)業(yè)場(chǎng)地選取。在黑龍江工業(yè)學(xué)院實(shí)訓(xùn)中心建立了攝影測(cè)量實(shí)訓(xùn)室，用于完成內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的實(shí)訓(xùn)任務(wù)，實(shí)訓(xùn)室配備了40臺(tái)高性能電腦以及航空攝影測(cè)量內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理相關(guān)軟件，對(duì)外業(yè)采集的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行空三處理，空三處理合格后進(jìn)行DEM、DOM、DLG的生產(chǎn)與制作。

1.4 師資隊(duì)伍要求

為滿足外業(yè)數(shù)據(jù)采集的要求，配備1名課程主講教師，完成無人機(jī)航空攝影測(cè)量實(shí)訓(xùn)課程相關(guān)知識(shí)的講授，布置實(shí)訓(xùn)任務(wù)。同時(shí)，為保證外業(yè)數(shù)據(jù)采集順利進(jìn)行，依托黑龍江工業(yè)學(xué)院無人機(jī)工程學(xué)院的特色優(yōu)勢(shì)，配備1名專業(yè)無人機(jī)教師及3名具有無人機(jī)駕駛執(zhí)照的助教，對(duì)各組無人機(jī)進(jìn)行維護(hù)和安全監(jiān)督。為了達(dá)到更好的教學(xué)效果，同時(shí)配備1名實(shí)驗(yàn)室教師進(jìn)行課堂指導(dǎo)。無人機(jī)教師和內(nèi)業(yè)實(shí)驗(yàn)教師都具備實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，多次指導(dǎo)相關(guān)專業(yè)學(xué)生參加技能競賽并取得了優(yōu)異成績，教學(xué)經(jīng)驗(yàn)豐富。

1.5 硬件設(shè)施及教學(xué)資源建設(shè)

第一，硬件設(shè)施資源。結(jié)合校內(nèi)無人機(jī)工程學(xué)院具有的設(shè)備優(yōu)勢(shì)，配備大疆精靈4Pro無人機(jī)4架，用于外業(yè)航拍數(shù)據(jù)采集，GNSS接收機(jī)4臺(tái)，用于像控點(diǎn)采集，電腦40臺(tái)，用于進(jìn)行航攝內(nèi)業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)。第二，教學(xué)資源。為了方便學(xué)生自學(xué)，準(zhǔn)備了充足的線上學(xué)習(xí)資源，除制訂了詳細(xì)的實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書外，還配套了教學(xué)視頻資源，課前錄制好操作視頻。將教學(xué)資源上傳至智慧樹中供學(xué)生下載學(xué)習(xí)，滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。

1.6 考核方法優(yōu)化

對(duì)于以實(shí)踐為主的航空攝影測(cè)量實(shí)訓(xùn)課程，主要從平時(shí)成績、期末成績兩方面進(jìn)行評(píng)分，其中平時(shí)成績主要包括實(shí)訓(xùn)過程、實(shí)訓(xùn)成果評(píng)價(jià)，期末成績主要以實(shí)訓(xùn)報(bào)告考察學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，分別占比30%、40%、30%。過程性考核從學(xué)生出勤、實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)等方面進(jìn)行考核，實(shí)訓(xùn)成果考核主要從學(xué)生提交的DEM、DOM、DLG的制作成果考察學(xué)生的完成情況，實(shí)訓(xùn)報(bào)告主要從內(nèi)容的科學(xué)合理程度、環(huán)節(jié)全面程度、語言規(guī)范程度、思路清晰程度以及實(shí)習(xí)心得等方面考察學(xué)生對(duì)實(shí)訓(xùn)的整體掌握。

2 結(jié)語

以黑龍江工業(yè)學(xué)院測(cè)繪工程專業(yè)航空攝影測(cè)量實(shí)訓(xùn)課程為例，探討了基于無人機(jī)技術(shù)的航空攝影測(cè)量實(shí)訓(xùn)課程改革策略，從實(shí)訓(xùn)課程的教學(xué)理念改革、教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)、實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地建設(shè)、師資隊(duì)伍要求、硬件設(shè)施及教學(xué)資源建設(shè)、考核方式優(yōu)化等方面介紹了課程改革與實(shí)踐，教學(xué)實(shí)踐表明學(xué)生的學(xué)習(xí)效果良好，達(dá)到了人才培養(yǎng)方案的要求。