張?bào)荇?胡運(yùn)海 李高杰

摘 要：目前，無人機(jī)攝影測(cè)量被廣泛運(yùn)用于各領(lǐng)域中。將小型低空無人機(jī)引入攝影測(cè)量實(shí)踐教學(xué)，能使學(xué)生在校期間掌握無人機(jī)航測(cè)的全過程，更好地適應(yīng)在無人機(jī)航測(cè)生產(chǎn)方面的社會(huì)需求。本文基于小型低空無人機(jī)航測(cè)，以綿陽(yáng)師范學(xué)院校園作為無人機(jī)數(shù)據(jù)采集的實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地，提出遙感科學(xué)與技術(shù)專業(yè)攝影測(cè)量學(xué)實(shí)踐教學(xué)模式，并對(duì)課程改革后的教學(xué)環(huán)節(jié)給出相應(yīng)的改革辦法。

關(guān)鍵詞：小型低空無人機(jī)；攝影測(cè)量學(xué)；實(shí)踐教學(xué)；教學(xué)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(cè)量學(xué)是綿陽(yáng)師范學(xué)院遙感科學(xué)與技術(shù)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(yán)密［1］?；谝酝臄z影測(cè)量課程教學(xué)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中基本存在對(duì)重、難點(diǎn)的理解不足，學(xué)習(xí)興趣不夠，實(shí)踐能力不足，以及不能主動(dòng)學(xué)習(xí)等諸多問題。同時(shí)，實(shí)踐教學(xué)仍主要采用室內(nèi)成果圖件制作方式開展教學(xué)，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(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。

現(xiàn)階段，社會(huì)對(duì)無人機(jī)攝影測(cè)量人才的需求日益增大，且絕大多數(shù)高等院校在相關(guān)專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)課程中均逐漸在推廣低空無人機(jī)的攝影測(cè)量教學(xué)。小型低空無人機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)具有體積小、維護(hù)成本低、分辨率高等特點(diǎn)，且飛行高度低、操作方便以及局限性小，被廣泛應(yīng)用測(cè)繪、地理國(guó)情監(jiān)測(cè)、地質(zhì)災(zāi)害防治、礦山資源與環(huán)境保護(hù)等各領(lǐng)域。

將小型低空無人機(jī)作為實(shí)用性、可操作性非常強(qiáng)的技術(shù)引入課堂實(shí)踐教學(xué)，可實(shí)現(xiàn)校內(nèi)無人機(jī)航測(cè)成圖的實(shí)踐教學(xué)工作，使學(xué)生在校期間熟悉無人機(jī)影像獲取至圖形輸出的整個(gè)過程，讓學(xué)生掌握當(dāng)下攝影測(cè)量的一門主流技術(shù)，更好地適應(yīng)在無人機(jī)航測(cè)方面的社會(huì)需求。課程實(shí)踐教學(xué)改革以后，學(xué)生能通過實(shí)踐回歸對(duì)教材的理解，激發(fā)學(xué)生在攝影測(cè)量學(xué)方面的濃厚興趣，變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)。

2 教學(xué)改革的思路

我校攝影測(cè)量學(xué)的教學(xué)環(huán)節(jié)包括理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)。在理論教學(xué)方面，由于攝影測(cè)量學(xué)涉及眾多的基本概念，且貫穿整個(gè)課程的公式推導(dǎo)以及計(jì)算較多，對(duì)學(xué)生的數(shù)學(xué)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(xué)與技術(shù)專業(yè)的學(xué)生數(shù)學(xué)基礎(chǔ)普遍較為薄弱，且在大學(xué)期間對(duì)高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)等數(shù)學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)較淺，在理解攝影測(cè)量學(xué)的部分知識(shí)點(diǎn)上相對(duì)較為困難。攝影測(cè)量學(xué)主要解決由二維像點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算三維的地面點(diǎn)坐標(biāo)［2］，涉及三維立體圖形、坐標(biāo)系的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換等知識(shí)，空間關(guān)系較為復(fù)雜，需要學(xué)生具有較強(qiáng)的空間能力、推導(dǎo)能力以及辯證能力。同時(shí)，攝影測(cè)量學(xué)涉及多種學(xué)科，學(xué)科之間交叉融合后，學(xué)生如果難以掌握課程的主要內(nèi)容，會(huì)逐漸失去信心，產(chǎn)生不良情緒。

我校攝影測(cè)量學(xué)仍采用理論與實(shí)踐相結(jié)合的方式，培養(yǎng)學(xué)生基本理論知識(shí)與基本技能，實(shí)踐教學(xué)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(jī)航測(cè)技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)已成為常見的數(shù)據(jù)獲取手段，引入無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)，學(xué)生可更好地適應(yīng)在無人機(jī)航測(cè)生產(chǎn)方面的社會(huì)需求。對(duì)于我校而言，較大型的無人機(jī)普遍價(jià)格較為昂貴，由于經(jīng)費(fèi)有限，不容易支付，教師僅能夠從理論上講解無人機(jī)的相關(guān)知識(shí)；較為大型的無人機(jī)通常體積過大，在實(shí)施無人機(jī)實(shí)踐教學(xué)時(shí)，在學(xué)校場(chǎng)地?zé)o法完成無人機(jī)的起降，對(duì)實(shí)踐教學(xué)造成諸多困難；在進(jìn)行較為大型的無人機(jī)航攝影像采集前，按照我國(guó)航空攝影的規(guī)章制度，需向當(dāng)?shù)睾娇罩鞴懿块T申請(qǐng)升空權(quán)，相關(guān)手續(xù)煩瑣，待空管部門審批后在申請(qǐng)的時(shí)間范圍內(nèi)進(jìn)行航飛，可能與本課程實(shí)踐教學(xué)時(shí)間不一致。

由于小型低空無人機(jī)體積小、飛行高度低、飛行時(shí)間短且操作簡(jiǎn)單，能較快較好地獲取影像，在飛行任務(wù)前不需要完成相關(guān)煩瑣手續(xù)，同時(shí)，還能將我校校園作為攝影測(cè)量實(shí)踐教學(xué)場(chǎng)地，利用學(xué)校場(chǎng)地進(jìn)行影像的數(shù)據(jù)采集工作，便于開展常態(tài)化的實(shí)踐教學(xué)工作。將小型低空無人機(jī)相關(guān)知識(shí)引入實(shí)踐教學(xué)，不僅能完善實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生充分學(xué)習(xí)無人機(jī)航測(cè)的外業(yè)與內(nèi)業(yè)全過程，還能加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐技能，激發(fā)學(xué)生在攝影測(cè)量學(xué)方面的濃厚興趣，培養(yǎng)適應(yīng)當(dāng)下的應(yīng)用型人才，更好地適應(yīng)社會(huì)的需求。

3 小型低空無人機(jī)攝影測(cè)量實(shí)踐教學(xué)模式

攝影測(cè)量學(xué)實(shí)踐教學(xué)的目的主要是讓學(xué)生具備影像信息獲取及其信息識(shí)別、處理、提取和表達(dá)的知識(shí)與技能［3］，能夠利用計(jì)算機(jī)將數(shù)字/數(shù)字化影像數(shù)據(jù)進(jìn)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(guān)的工程問題。因此，將攝影測(cè)量學(xué)實(shí)踐教學(xué)分為：無人機(jī)航攝影像獲取、數(shù)據(jù)處理與成果輸出。

3.1 無人機(jī)航攝影像獲取

采用大疆小型無人機(jī)作為實(shí)踐教學(xué)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，校園作為無人機(jī)的實(shí)踐教學(xué)場(chǎng)地，向?qū)W生介紹該無人機(jī)的組成、無人機(jī)的飛行原理及操縱技術(shù)，讓學(xué)生對(duì)無人機(jī)構(gòu)成、飛行模式、操作有充分的了解，并對(duì)學(xué)生進(jìn)行操縱練習(xí)，讓他們能熟練掌握無人機(jī)的操控技術(shù)。

重點(diǎn)向?qū)W生講授無人機(jī)航線規(guī)劃、像片控制點(diǎn)布設(shè)、無人機(jī)智能飛行、無人機(jī)影像質(zhì)量檢查等知識(shí)，讓學(xué)生能掌握無人機(jī)影像獲取的知識(shí)、操作流程，利用學(xué)校實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地進(jìn)行航線規(guī)劃以及完成無人機(jī)航測(cè)影像數(shù)據(jù)的采集工作。影像數(shù)據(jù)采集后，讓學(xué)生利用所學(xué)的飛行質(zhì)量檢查與影像質(zhì)量檢查知識(shí)，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(xué)生完成影像數(shù)據(jù)獲取后，采用DoubleGrid無人機(jī)航測(cè)軟件進(jìn)行無人機(jī)數(shù)據(jù)處理的室內(nèi)實(shí)踐教學(xué)。該實(shí)踐教學(xué)包含空中三角測(cè)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(cè)量過程主要是通過影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入相機(jī)參數(shù)設(shè)置并進(jìn)行相應(yīng)的處理，即內(nèi)定向處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)原始影像的像片畸變糾正并構(gòu)建攝影瞬間的投影光束。對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行特征點(diǎn)提取及特征匹配，即相對(duì)定向過程，通過同名像點(diǎn)坐標(biāo)解算出兩張影像之間的相對(duì)定向元素，構(gòu)建與實(shí)地相似的立體模型。進(jìn)行像片控制點(diǎn)導(dǎo)入與編輯處理，實(shí)現(xiàn)影像上的像點(diǎn)與對(duì)應(yīng)地面點(diǎn)的相互關(guān)聯(lián)，通過空中三角測(cè)量平差處理，實(shí)現(xiàn)解析法絕對(duì)定向，解算絕對(duì)定向元素，構(gòu)建與實(shí)地一致的立體模型，并解算出控制點(diǎn)所在坐標(biāo)系下每張像片的外方位元素，最終由空中三角測(cè)量結(jié)果導(dǎo)出立體模型。通過該實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生能夠掌握無人機(jī)原始影像的數(shù)據(jù)處理、空中三角測(cè)量的平差解算、立體模型生成等技能，加深對(duì)像片方位元素、相對(duì)定向、絕對(duì)定向等理論知識(shí)的理解。

DEM是地形起伏的數(shù)字化表達(dá)，常用一系列地面點(diǎn)的平面坐標(biāo)X、Y以及該點(diǎn)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(dá)形式，能直觀地展示地表高程起伏，存儲(chǔ)的信息包括地形圖無法容納與表達(dá)的垂直分布地物信息，可方便地轉(zhuǎn)換成與遙感有關(guān)的其他形式的數(shù)字產(chǎn)品或可視化產(chǎn)品［5］。學(xué)生利用DoubleGrid軟件中的DemMaker模塊，自動(dòng)生成DEM數(shù)據(jù)，同時(shí)在DemEdit模塊下對(duì)DEM格網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)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(duì)航空像片或遙感影像經(jīng)逐個(gè)像元進(jìn)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(zhǔn)確、制作時(shí)間短、易于判讀，可按需要對(duì)DOM比例尺進(jìn)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(yīng)用在城市規(guī)劃、地籍測(cè)量、土地管理等方面。數(shù)字正射影像制作作為遙感科學(xué)與技術(shù)專業(yè)必備的技能，學(xué)生通過該課程實(shí)踐，可掌握DOM制作原理以及利用DoubleGrid軟件進(jìn)行DOM生產(chǎn)生成正射影像以及拼接線，對(duì)拼接線進(jìn)行編輯后輸出正射影像圖。

數(shù)字線劃地圖（DLG）是攝影測(cè)量的主要數(shù)字化地圖產(chǎn)品之一，是按一定比例尺將測(cè)區(qū)內(nèi)各地物和地貌要素縮小后，經(jīng)制圖綜合以點(diǎn)、線、面形式和地圖特定圖形符號(hào)形式，表達(dá)地形要素的地理信息矢量數(shù)據(jù)集。學(xué)生通過該課程實(shí)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(shí)踐教學(xué)模式

基于大疆小型低空無人機(jī)與武漢大學(xué)DoubleGrid無人機(jī)航測(cè)軟件，通過對(duì)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的改革研究，形成我校遙感科學(xué)與技術(shù)專業(yè)攝影測(cè)量學(xué)的實(shí)踐教學(xué)模式（見圖1）。通過航飛采集數(shù)據(jù)，充分學(xué)習(xí)無人機(jī)航測(cè)的相關(guān)知識(shí)、技能以及能力，從而得到充分鍛煉。利用無人機(jī)采集的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行產(chǎn)品制作，形成完整的無人機(jī)航測(cè)的攝影測(cè)量學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)。

4 教學(xué)環(huán)節(jié)的改革措施

將小型低空無人機(jī)應(yīng)用到攝影測(cè)量學(xué)的實(shí)踐教學(xué)中，讓學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)學(xué)習(xí)到無人機(jī)從飛行—成果輸出的全過程，學(xué)生可進(jìn)行攝影測(cè)量數(shù)字產(chǎn)品及可視化產(chǎn)品的制作，也能進(jìn)行三維城市建模、三維景觀重建等，實(shí)現(xiàn)攝影測(cè)量學(xué)較為完整的實(shí)踐訓(xùn)練，同時(shí)也對(duì)教學(xué)的各環(huán)節(jié)提出了新的要求。

4.1 教學(xué)內(nèi)容的改革

隨著攝影測(cè)量學(xué)的廣泛應(yīng)用與創(chuàng)新，將理論融入實(shí)際并提高學(xué)生實(shí)踐能力則尤為重要。由于攝影測(cè)量學(xué)的專業(yè)性極強(qiáng)，對(duì)學(xué)生專業(yè)知識(shí)要求較高，為了適應(yīng)當(dāng)代攝影測(cè)量技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，引入小型低空無人機(jī)實(shí)踐教學(xué)后，在理論知識(shí)方面可適當(dāng)弱化數(shù)學(xué)公式、空中三角測(cè)量、單張像片解析等部分難以理解的知識(shí)的講解，以課程實(shí)踐來反哺教學(xué)，學(xué)生通過實(shí)踐去加深對(duì)理論知識(shí)的理解，讓理論與實(shí)踐充分融合，同時(shí)在教學(xué)上更加注重航攝項(xiàng)目設(shè)計(jì)能力、動(dòng)手能力以及應(yīng)用能力的培養(yǎng)，引入無人機(jī)航測(cè)典型案例庫(kù)，通過典型案例了解攝影測(cè)量學(xué)實(shí)際應(yīng)用，突出學(xué)生的應(yīng)用能力。由于無人機(jī)攝影測(cè)量相關(guān)知識(shí)能讓學(xué)生緊跟目前流行，通過課程改革后更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力，讓攝影測(cè)量學(xué)課程與我?！皫煼蹲鰪?qiáng)、藝體做精、應(yīng)用做實(shí)”的發(fā)展方略更契合。

4.2 教學(xué)方法的改革

在進(jìn)行攝影測(cè)量學(xué)實(shí)踐教學(xué)改革以前，我校遙感科學(xué)與技術(shù)專業(yè)實(shí)踐均是在室內(nèi)采用現(xiàn)成的樣例數(shù)據(jù)進(jìn)行成果圖件的繪制，學(xué)生對(duì)于航測(cè)影像如何獲取基本不了解，單一的室內(nèi)實(shí)踐也容易使學(xué)生感覺枯燥，導(dǎo)致學(xué)生能動(dòng)性不足。實(shí)施課程改革后，學(xué)生能參與攝影測(cè)量從數(shù)據(jù)采集—成果輸出的全過程，絕大多數(shù)學(xué)生對(duì)無人機(jī)航測(cè)非常感興趣，學(xué)生能主動(dòng)地查閱、學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)與技能，有效提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。然而，進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)改革后也將對(duì)教師的教學(xué)方法做出改變，讓教師為主角轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生當(dāng)主角，充分發(fā)揮“學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，通過分組的形式，讓學(xué)生主動(dòng)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(jìn)行無人機(jī)航攝的數(shù)據(jù)采集工作，充分發(fā)揮學(xué)生的主導(dǎo)作用。還可引入無人機(jī)航測(cè)的經(jīng)典案例，建立案例庫(kù)，讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)經(jīng)典案例，緊貼實(shí)際應(yīng)用與生產(chǎn)，讓學(xué)生能夠掌握更多的工程實(shí)踐技能，培養(yǎng)出遙感領(lǐng)域的應(yīng)用性人才。

4.3 考核方式的改革

目前，我校攝影測(cè)量學(xué)考核方式采用過程性考核與結(jié)果性考核，攝影測(cè)量學(xué)實(shí)踐課程屬于過程性考核的一部分。在課程改革以前，攝影測(cè)量學(xué)實(shí)踐課程考核基本采用上機(jī)操作與實(shí)驗(yàn)報(bào)告的形式綜合評(píng)定學(xué)生實(shí)踐考核成績(jī)。然而，這種考核方式難以體現(xiàn)學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)以及實(shí)踐應(yīng)用能力，不能充分達(dá)到實(shí)踐教學(xué)的目的。因此，課程實(shí)踐考核可以更多地考慮學(xué)生主動(dòng)思考、主動(dòng)學(xué)習(xí)等因素，通過對(duì)學(xué)生視頻案例的自主學(xué)習(xí)、航攝任務(wù)設(shè)計(jì)與討論、航攝的實(shí)施以及成果制作等全過程考核，綜合評(píng)定學(xué)生的實(shí)踐課程成績(jī)，不僅提高了學(xué)生的參與度以及綜合能力，還能促使學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、相互探索、相互總結(jié)，讓攝影測(cè)量學(xué)實(shí)踐課程的教學(xué)質(zhì)量得到進(jìn)一步提高。

結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)教學(xué)改革思路，提出了本課程實(shí)踐教學(xué)模式。在今后的教學(xué)工作中，教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考核方式還需不斷調(diào)整完善，學(xué)生通過攝影測(cè)量學(xué)實(shí)踐課程學(xué)習(xí)后，其自主學(xué)習(xí)能力、實(shí)際應(yīng)用能力、工程技能等將會(huì)進(jìn)一步提高。

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作者簡(jiǎn)介：張?bào)荇?988— ），男，漢族，四川眉山人，博士研究生，講師，主要從事3S技術(shù)、資源與環(huán)境。