基于小型低空無人機的攝影測量學實踐教學內(nèi)容的改革研究

張筌豇 胡運海 李高杰

摘 要：目前，無人機攝影測量被廣泛運用于各領域中。將小型低空無人機引入攝影測量實踐教學，能使學生在校期間掌握無人機航測的全過程，更好地適應在無人機航測生產(chǎn)方面的社會需求。本文基于小型低空無人機航測，以綿陽師范學院校園作為無人機數(shù)據(jù)采集的實訓場地，提出遙感科學與技術專業(yè)攝影測量學實踐教學模式，并對課程改革后的教學環(huán)節(jié)給出相應的改革辦法。

關鍵詞：小型低空無人機；攝影測量學；實踐教學；教學改革

Abstract：Unmanned aerial vehicle （UAV） photogrammetry is widely used in various fields at present.Introducing small low altitude UAV into practical teaching of photogrammetry can enable students to master the entire process of UAV surveying in college and better adapt to the social needs in UAV surveying production.Based on small low altitude UAV survey，this paper takes the campus of Mianyang Normal University as the training venue for data collection，proposes a practical teaching model for photogrammetry in remote sensing science and technology，and provides corresponding reform methods for the teaching process after the curriculum reform.

Keywords：Small low altitude unmanned aerial vehicle;Photogrammetry;Practical teaching;Teaching reform

1 概述

攝影測量學是綿陽師范學院遙感科學與技術專業(yè)的一門專業(yè)核心課程，該課程內(nèi)容抽象枯燥、邏輯嚴密［1］?；谝酝臄z影測量課程教學，學生在學習過程中基本存在對重、難點的理解不足，學習興趣不夠，實踐能力不足，以及不能主動學習等諸多問題。同時，實踐教學仍主要采用室內(nèi)成果圖件制作方式開展教學，缺乏室外影像圖件的采集環(huán)節(jié)，無法形成影像、數(shù)據(jù)采集—處理成圖的完整實踐教學環(huán)節(jié)。

現(xiàn)階段，社會對無人機攝影測量人才的需求日益增大，且絕大多數(shù)高等院校在相關專業(yè)的實踐教學課程中均逐漸在推廣低空無人機的攝影測量教學。小型低空無人機攝影測量系統(tǒng)具有體積小、維護成本低、分辨率高等特點，且飛行高度低、操作方便以及局限性小，被廣泛應用測繪、地理國情監(jiān)測、地質(zhì)災害防治、礦山資源與環(huán)境保護等各領域。

將小型低空無人機作為實用性、可操作性非常強的技術引入課堂實踐教學，可實現(xiàn)校內(nèi)無人機航測成圖的實踐教學工作，使學生在校期間熟悉無人機影像獲取至圖形輸出的整個過程，讓學生掌握當下攝影測量的一門主流技術，更好地適應在無人機航測方面的社會需求。課程實踐教學改革以后，學生能通過實踐回歸對教材的理解，激發(fā)學生在攝影測量學方面的濃厚興趣，變被動學習為主動學習。

2 教學改革的思路

我校攝影測量學的教學環(huán)節(jié)包括理論教學和實踐教學。在理論教學方面，由于攝影測量學涉及眾多的基本概念，且貫穿整個課程的公式推導以及計算較多，對學生的數(shù)學功底要求較高。而我校作為以師范為主的普通地方型本科院校，招收的遙感科學與技術專業(yè)的學生數(shù)學基礎普遍較為薄弱，且在大學期間對高等數(shù)學、線性代數(shù)等數(shù)學知識的學習較淺，在理解攝影測量學的部分知識點上相對較為困難。攝影測量學主要解決由二維像點坐標計算三維的地面點坐標［2］，涉及三維立體圖形、坐標系的坐標旋轉轉換等知識，空間關系較為復雜，需要學生具有較強的空間能力、推導能力以及辯證能力。同時，攝影測量學涉及多種學科，學科之間交叉融合后，學生如果難以掌握課程的主要內(nèi)容，會逐漸失去信心，產(chǎn)生不良情緒。

我校攝影測量學仍采用理論與實踐相結合的方式，培養(yǎng)學生基本理論知識與基本技能，實踐教學一直是室內(nèi)數(shù)據(jù)處理與成果圖件的制作。隨著無人機航測技術的發(fā)展，無人機已成為常見的數(shù)據(jù)獲取手段，引入無人機測繪技術的實踐教學，學生可更好地適應在無人機航測生產(chǎn)方面的社會需求。對于我校而言，較大型的無人機普遍價格較為昂貴，由于經(jīng)費有限，不容易支付，教師僅能夠從理論上講解無人機的相關知識；較為大型的無人機通常體積過大，在實施無人機實踐教學時，在學校場地無法完成無人機的起降，對實踐教學造成諸多困難；在進行較為大型的無人機航攝影像采集前，按照我國航空攝影的規(guī)章制度，需向當?shù)睾娇罩鞴懿块T申請升空權，相關手續(xù)煩瑣，待空管部門審批后在申請的時間范圍內(nèi)進行航飛，可能與本課程實踐教學時間不一致。

由于小型低空無人機體積小、飛行高度低、飛行時間短且操作簡單，能較快較好地獲取影像，在飛行任務前不需要完成相關煩瑣手續(xù)，同時，還能將我校校園作為攝影測量實踐教學場地，利用學校場地進行影像的數(shù)據(jù)采集工作，便于開展常態(tài)化的實踐教學工作。將小型低空無人機相關知識引入實踐教學，不僅能完善實踐教學環(huán)節(jié)，讓學生充分學習無人機航測的外業(yè)與內(nèi)業(yè)全過程，還能加強學生的實踐技能，激發(fā)學生在攝影測量學方面的濃厚興趣，培養(yǎng)適應當下的應用型人才，更好地適應社會的需求。

3 小型低空無人機攝影測量實踐教學模式

攝影測量學實踐教學的目的主要是讓學生具備影像信息獲取及其信息識別、處理、提取和表達的知識與技能［3］，能夠利用計算機將數(shù)字/數(shù)字化影像數(shù)據(jù)進行圖像處理獲得各種形式的數(shù)字產(chǎn)品和可視化產(chǎn)品，最終了解影像獲取到成圖的全過程，解決相關的工程問題。因此，將攝影測量學實踐教學分為：無人機航攝影像獲取、數(shù)據(jù)處理與成果輸出。

3.1 無人機航攝影像獲取

采用大疆小型無人機作為實踐教學的實驗設備，校園作為無人機的實踐教學場地，向?qū)W生介紹該無人機的組成、無人機的飛行原理及操縱技術，讓學生對無人機構成、飛行模式、操作有充分的了解，并對學生進行操縱練習，讓他們能熟練掌握無人機的操控技術。

重點向?qū)W生講授無人機航線規(guī)劃、像片控制點布設、無人機智能飛行、無人機影像質(zhì)量檢查等知識，讓學生能掌握無人機影像獲取的知識、操作流程，利用學校實訓場地進行航線規(guī)劃以及完成無人機航測影像數(shù)據(jù)的采集工作。影像數(shù)據(jù)采集后，讓學生利用所學的飛行質(zhì)量檢查與影像質(zhì)量檢查知識，完成影像成果的質(zhì)量檢查。

3.2 數(shù)據(jù)處理與成果輸出

學生完成影像數(shù)據(jù)獲取后，采用DoubleGrid無人機航測軟件進行無人機數(shù)據(jù)處理的室內(nèi)實踐教學。該實踐教學包含空中三角測量、數(shù)字高程模型（DEM）生成、數(shù)字正射影像圖（DOM）生成、數(shù)字線劃地圖（DLG）生成幾方面內(nèi)容。

空中三角測量過程主要是通過影像數(shù)據(jù)導入相機參數(shù)設置并進行相應的處理，即內(nèi)定向處理，實現(xiàn)對無人機原始影像的像片畸變糾正并構建攝影瞬間的投影光束。對影像數(shù)據(jù)進行特征點提取及特征匹配，即相對定向過程，通過同名像點坐標解算出兩張影像之間的相對定向元素，構建與實地相似的立體模型。進行像片控制點導入與編輯處理，實現(xiàn)影像上的像點與對應地面點的相互關聯(lián)，通過空中三角測量平差處理，實現(xiàn)解析法絕對定向，解算絕對定向元素，構建與實地一致的立體模型，并解算出控制點所在坐標系下每張像片的外方位元素，最終由空中三角測量結果導出立體模型。通過該實踐教學環(huán)節(jié)，學生能夠掌握無人機原始影像的數(shù)據(jù)處理、空中三角測量的平差解算、立體模型生成等技能，加深對像片方位元素、相對定向、絕對定向等理論知識的理解。

DEM是地形起伏的數(shù)字化表達，常用一系列地面點的平面坐標X、Y以及該點的高程Z組成的數(shù)據(jù)陣列［4］。DEM作為地面信息的一種數(shù)字表達形式，能直觀地展示地表高程起伏，存儲的信息包括地形圖無法容納與表達的垂直分布地物信息，可方便地轉換成與遙感有關的其他形式的數(shù)字產(chǎn)品或可視化產(chǎn)品［5］。學生利用DoubleGrid軟件中的DemMaker模塊，自動生成DEM數(shù)據(jù)，同時在DemEdit模塊下對DEM格網(wǎng)點進行編輯修改，制作出合格的數(shù)字高程模型（DEM）。

數(shù)字正射影像（DOM）是利用數(shù)字高程模型（DEM）對航空像片或遙感影像經(jīng)逐個像元進行投影差改正，再按影像鑲嵌，根據(jù)圖幅范圍裁剪生成的影像［6］。DOM精度高、信息量大、地物直觀、灰度準確、制作時間短、易于判讀，可按需要對DOM比例尺進行任意調(diào)整與輸出，是一種廣受歡迎的地圖產(chǎn)品類型，被廣泛應用在城市規(guī)劃、地籍測量、土地管理等方面。數(shù)字正射影像制作作為遙感科學與技術專業(yè)必備的技能，學生通過該課程實踐，可掌握DOM制作原理以及利用DoubleGrid軟件進行DOM生產(chǎn)生成正射影像以及拼接線，對拼接線進行編輯后輸出正射影像圖。

數(shù)字線劃地圖（DLG）是攝影測量的主要數(shù)字化地圖產(chǎn)品之一，是按一定比例尺將測區(qū)內(nèi)各地物和地貌要素縮小后，經(jīng)制圖綜合以點、線、面形式和地圖特定圖形符號形式，表達地形要素的地理信息矢量數(shù)據(jù)集。學生通過該課程實踐，利用DoubleGrid軟件采集模型的各種地物、地貌要素，最終形成DLG成果圖件。

3.3 實踐教學模式

基于大疆小型低空無人機與武漢大學DoubleGrid無人機航測軟件，通過對實踐教學內(nèi)容的改革研究，形成我校遙感科學與技術專業(yè)攝影測量學的實踐教學模式（見圖1）。通過航飛采集數(shù)據(jù)，充分學習無人機航測的相關知識、技能以及能力，從而得到充分鍛煉。利用無人機采集的數(shù)據(jù)資料進行產(chǎn)品制作，形成完整的無人機航測的攝影測量學實踐環(huán)節(jié)。

4 教學環(huán)節(jié)的改革措施

將小型低空無人機應用到攝影測量學的實踐教學中，讓學生在短時間內(nèi)學習到無人機從飛行—成果輸出的全過程，學生可進行攝影測量數(shù)字產(chǎn)品及可視化產(chǎn)品的制作，也能進行三維城市建模、三維景觀重建等，實現(xiàn)攝影測量學較為完整的實踐訓練，同時也對教學的各環(huán)節(jié)提出了新的要求。

4.1 教學內(nèi)容的改革

隨著攝影測量學的廣泛應用與創(chuàng)新，將理論融入實際并提高學生實踐能力則尤為重要。由于攝影測量學的專業(yè)性極強，對學生專業(yè)知識要求較高，為了適應當代攝影測量技術的發(fā)展與應用，引入小型低空無人機實踐教學后，在理論知識方面可適當弱化數(shù)學公式、空中三角測量、單張像片解析等部分難以理解的知識的講解，以課程實踐來反哺教學，學生通過實踐去加深對理論知識的理解，讓理論與實踐充分融合，同時在教學上更加注重航攝項目設計能力、動手能力以及應用能力的培養(yǎng)，引入無人機航測典型案例庫，通過典型案例了解攝影測量學實際應用，突出學生的應用能力。由于無人機攝影測量相關知識能讓學生緊跟目前流行，通過課程改革后更能激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)學生的應用能力、創(chuàng)新能力，讓攝影測量學課程與我?！皫煼蹲鰪?、藝體做精、應用做實”的發(fā)展方略更契合。

4.2 教學方法的改革

在進行攝影測量學實踐教學改革以前，我校遙感科學與技術專業(yè)實踐均是在室內(nèi)采用現(xiàn)成的樣例數(shù)據(jù)進行成果圖件的繪制，學生對于航測影像如何獲取基本不了解，單一的室內(nèi)實踐也容易使學生感覺枯燥，導致學生能動性不足。實施課程改革后，學生能參與攝影測量從數(shù)據(jù)采集—成果輸出的全過程，絕大多數(shù)學生對無人機航測非常感興趣，學生能主動地查閱、學習相關知識與技能，有效提高了學生學習的主動性。然而，進行實踐教學改革后也將對教師的教學方法做出改變，讓教師為主角轉變?yōu)閷W生當主角，充分發(fā)揮“學生為中心”的教學理念，通過分組的形式，讓學生主動思考、相互協(xié)商，提出各組的具體航攝方案，組與組之間充分討論后，進行無人機航攝的數(shù)據(jù)采集工作，充分發(fā)揮學生的主導作用。還可引入無人機航測的經(jīng)典案例，建立案例庫，讓學生自主學習經(jīng)典案例，緊貼實際應用與生產(chǎn)，讓學生能夠掌握更多的工程實踐技能，培養(yǎng)出遙感領域的應用性人才。

4.3 考核方式的改革

目前，我校攝影測量學考核方式采用過程性考核與結果性考核，攝影測量學實踐課程屬于過程性考核的一部分。在課程改革以前，攝影測量學實踐課程考核基本采用上機操作與實驗報告的形式綜合評定學生實踐考核成績。然而，這種考核方式難以體現(xiàn)學生的主動學習以及實踐應用能力，不能充分達到實踐教學的目的。因此，課程實踐考核可以更多地考慮學生主動思考、主動學習等因素，通過對學生視頻案例的自主學習、航攝任務設計與討論、航攝的實施以及成果制作等全過程考核，綜合評定學生的實踐課程成績，不僅提高了學生的參與度以及綜合能力，還能促使學生主動學習、相互探索、相互總結，讓攝影測量學實踐課程的教學質(zhì)量得到進一步提高。

結語

本文根據(jù)教學改革思路，提出了本課程實踐教學模式。在今后的教學工作中，教學內(nèi)容、教學方法、考核方式還需不斷調(diào)整完善，學生通過攝影測量學實踐課程學習后，其自主學習能力、實際應用能力、工程技能等將會進一步提高。

參考文獻：

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［2］李梅.關于高職攝影測量課程教學的相關探討［J］.課程教育研究（新教師教學），2016，1：9.

［3］薛云，張維，龍岳紅，等.基于SPOC的混合式教學探索與實踐——以攝影測量學課程為例［J］.科技視界，2020，20：157158.

［4］孫文進.1：10000基礎測繪DEM制作方法的探討［J］.江西測繪，2012，1：2728.

［5］耿嬋.GIS技術支持下的小流域土壤侵蝕量研究［D］.西安：西安科技大學，2011.

［6］王占武.利用DEM生成DOM的制作與應用［J］.黑龍江科技信息，2016，10：140.

基金項目：綿陽師范學院教學研究與改革項目（MnuJY210347）；綿陽師范學院校級一流課程（線上）項目（MnuJY220065）

作者簡介：張筌豇（1988— ），男，漢族，四川眉山人，博士研究生，講師，主要從事3S技術、資源與環(huán)境。