車載測量系統教學試驗設計

2019-05-10 08:16:22姚連璧張邵華楊鵬羽趙紫良

測繪通報 2019年4期

姚連璧，張邵華，楊鵬羽，趙紫良

(同濟大學測繪與地理信息學院，上海200092)

測繪是對地理空間信息的一種描述，從傳統的經緯儀、全站儀的人工測量方式，發展到以3S技術為代表的數字化測繪，再到現在以實時、自動、網絡化為特征的信息化測繪，測繪學科的理論、方法、手段、成果等都發生了質的變化[1]。測繪科學集成了計算機技術、光電技術、網絡通信技術、空間科學、信息科學等，在經濟建設、國防建設等都發揮著重要作用，且越來越受到國家重視[2]。目前，全國已有一百多所高校開設了測繪工程專業，測繪發展的日新月異，使傳統的測繪教學試驗內容已難以滿足學生對測繪新技術教學需求，部分內容過于陳舊，甚至與實際生產項目脫軌，這對測繪學科學生實踐能力的培養和教學方式改革都提出了更高的要求[3-4]。測繪專業學生不僅需要繼承傳統測繪基礎，更需要對智能化測繪等高新技術的發展、理論、應用具有一定的了解與掌握[5-6]。

隨著智能傳感器設備和測量設備的智能性、實時性、可靠性越來越高，各種集多種傳感器于一體的車載、機載、星載系統，實現了對多源時空數據的采集，地理空間信息等的描繪將越來越多地由智能設備和機器人來完成[7-8]。車載測量系統整合激光掃描儀、GPS、慣性測量單元(IMU)、全景相機等，通過集成處理，可動態進行數據采集、處理，是一種全新、獨立的測量方式，為地理信息的采集與更新開辟了一條快捷高效的途徑，可以看成一種3S技術的集成應用[9-11]，具有理論與實踐并重、多學科交叉滲透、創新發展空間大等優勢。本文嘗試將車載測量系統引入到本科教學與試驗，并與專業知識進行融合，通過實踐將理論和方法學以貫通，符合測繪教育的現代化的要求，具有一定的必要性和可行性。

1 測繪教學的現狀與存在問題

測繪工程專業建設與教育教學一直是開設本專業的高等院校所研究的重點課題之一。如何構建科學的課程體系和教學模式、定位本專業人才培養要求是研究的主要內容[12]。

目前，筆者所在院校開設了一套涵蓋基礎理論和實踐操作的教學體系。其中，基礎理論課程包括測繪學概論、測量學、大地測量學、工程測量學、測量平差、遙感、攝影測量學、地理信息系統、GPS原理、地圖學、地籍測量、程序語言設計等；實踐教學課程包括測量學實習、數字化數據采集試驗、工程測量學實習、攝影測量與遙感實習等[13]。與此同時，測繪教學裝備也從“老三儀”逐步替換電子全站儀、數字水準儀、GPS接收機等現代數據采集儀器。但在測繪技術迅猛發展的今天，傳統的測繪教學和培養方式還存在一些問題需要進行改革。

(1) 在基礎理論課程教學中，雖然學習課程豐富，但大部分屬于概論型，只學習了其基本原理，重理論而輕實踐，學生學習情緒不高且學科交叉較少，對知識的貫通應用能力弱。隨著測繪學科內涵不斷豐富、外延不斷擴展，特別是多學科的相互滲透，僅開設測繪專業基礎課程已經不能匹配學科的發展前沿。

(2) 在實踐教學課程中，開設的測量實習以水準儀、全站儀、GPS接收機等儀器為主，教授學生的生產實踐方式過于傳統，已不能滿足在實際生產中對數據采集數量和速度的要求。

(3) 在測繪儀器和裝備方面，雖然在課程學習中了解過如衛星遙感、無人機、無人車、測量機器人等測繪前沿產品，但對其系統集成、工作原理、處理應用等卻并沒有實際接觸。為了彌補當前本科生無法接觸測繪前沿技術的一大空白，可以將更為先進的測量儀器引入到本科教學，豐富教學的內容。

2 車載測量系統引入教學的前沿性與可行性

測繪行業正在經歷智能革命的浪潮，人工智能為測繪學科帶來了機遇和挑戰，對時間和空間位置服務的需求變為實時、動態、精準及全方位，對傳統測繪造成了一定的沖擊。測繪行業不在僅限于數據采集，更多的在于數據分析、模擬與決策，由此也催生了一些新領域，如北斗定位、嫦娥探月、無人駕駛、智能監測等[14]。測繪專業學生在學習傳統測繪的基本理論、方法后，還應該具有對測繪新科技的靈敏嗅覺與精確方向性，不斷提高自身的專業技能與素質，在面向信息化的大數據流中，與時俱進，掌握新技術、新動態[15]。

車載移動測量系統可以移動采集獲取密集的點云坐標數據，用于數字城市、實景導航、地理國情監測、應急測繪保障等領域，屬于測繪新產品[16]。圖1所示為筆者所在單位研發的第三代產品，集兩個激光斷面掃描儀、IMU及GNSS接收機天線、360°全景相機、GPS時鐘、路由器等多個傳感器于一體的車載測量系統，硬件總價值60萬元左右。激光掃描儀可以在車體移動時掃描獲取場景的斷面點云數據；GNSS天線與IMU提供原始數據，利用Inertial Explorer后處理軟件解算提供車體運動的空間位置與姿態信息(POS系統)，可將獲得的斷面點云轉換為三維連續點云；全景相機將采集獲取的多幅影像拼接得到現場實景，用于可視化顯示等；GPS時鐘、路由器用于本系統的時間同步等。車載測量系統集多種技術于一體，將其引入到本科教學，彌補了傳統測繪課堂的單一性，具有一定的前沿與必要性。

圖1 車載測量一體化集成系統

車載移動掃描系統的關鍵技術包括：①多傳感器集成；②時間、空間同步；③POS系統。對多個不同類型的傳感器集成，進行一體化數據采集，經過多個傳感器時間同步和坐標系的統一完成空間同步后，通過定位定姿解算提供軌跡參數，獲得空間數據。其中涉及測繪本科教學中學習過的一些基本原理，如掃描儀極坐標法解算坐標、GPS時間系統、數學插值計算、坐標系的定義與空間轉換、GPS定位、慣導的功能利用、對影像相對定向與絕對定向解算等。對本科生而言，通過適當的課堂原理介紹與試驗設計實踐，理解難度不是很大，具有一定的適宜性與可行性。將其引入到教學，既可以避免學生課堂學習的乏味性，以及對傳統測繪需要人員跋山涉水進行數據采集的排斥感，對學生觀念進行更新，提高專業學習興趣，也可以通過多角度、多學科知識的學習，激發學生的創新與科研能力，提高就業競爭力。

3 教學設計與組織實施

將車載移動測量系統引入到本科教學，必須注重理論與實踐相結合，既要做到課程設計的合理性，降低學習難度，減輕學生負擔，又要發揮信息化教學的前沿性，將測繪新技術以通俗易懂的方式引入，激發興趣，拓寬思維，鍛煉學生分析問題、解決問題的能力，提高動手實踐操作能力等。因此，為適合本科生理解與學習，將教學設計分為課堂原理介紹、儀器參觀學習、試驗操作、數據處理等，進行模塊化教學，以學生試驗參與為主、老師講解為輔。

(1) 多傳感器的功能與原理教學。通過在測繪專業課“工程測量實驗課程”中增加2個課時的移動測量系統的原理介紹課程，讓本科生能夠了解移動測量系統的整體原理、架構與應用，能夠在測繪傳統產品(如水準儀、全站儀等)基礎上對測繪前沿產品有一定的啟蒙。通過介紹所需要的各個傳感器，如掃描儀、IMU、全景相機等，讓學生對其功能、工作原理等有一定的了解，而且在課程試驗中讓學生接觸各個傳感器如何使用、如何設置，并對獲取的數據格式、結構等進行介紹，以改變學生對傳統測繪的認知，提高學生對測繪新興產業的興趣和熱情。

(2) 硬件搭建與數據采集。車載移動測量系統的一體化是對多傳感器的高效利用，發揮其集成效應。設計2個課時讓學生到試驗場地參觀掃描儀、IMU等多傳感器的硬件集成和校園數據采集，通過現場參觀儀器搭建、連線布設，使學生能親自接觸到移動測量車的設計、搭建，并設計校園數據采集試驗，獲取多傳感器原始數據。通過進行現場教學，學習系統的試驗理論、運作流程等，避免了課堂教學帶來的乏味與難理解性，既可以增加課程的趣味和溝通性，讓學生能夠通過實踐參與，觀察分析，達到簡單易學的目的；又可激發學生的學習興趣，培養主動學習能力，而且能讓當前本科生接觸移動測量系統這一測繪前沿技術。

(3) 點云生成處理。獲得移動測量車原始采集數據后，通過2個課時講解點云生成流程，即多個傳感器的數據融合處理方法。主要介紹掃描儀基于距離和角度通過極坐標法解碼得到坐標數據；對具有GPS時間標簽的多傳感器數據，通過拉格朗日等插值算法進行時間同步內插處理；利用Inertial Explorer軟件對IMU組合導航解算提供車體軌跡的位置和姿態參數的處理流程；對多源數據進行融合，進行空間坐標系轉換模型等講解。通過講解，最終讓學生了解移動測量系統三維點云生成的原理。最后向學生提供掃描儀解碼坐標數據、POS數據、掃描儀標定參數等和獨立開發的軟件MMS采集系統作為參考，學生以小組為單位在課下嘗試進行點云融合處理，使學生印證、檢驗、鞏固和提高在課堂學習的知識技能，有助于學生在實踐中提高動手操作能力、開拓發散創新能力。

(4) 點云后處理應用。在獲得三維空間點云與影像后，對數據的后處理應用體現出車載移動測量系統的實際價值。借助Terrasolid、Pointools等工具對點云數據進行顯示、初處理等，介紹如點云與影像配準獲取RGB彩色點云、校園街景建立、校園道路及周邊三維點云建模、標志標線提取、道路檢測等測繪成果。但點云后處理應用部分內容多、難度大，只能在2個課時的課堂教學中選擇一部分進行基本原理和功能應用介紹，并提供相應的參考材料和編寫程序等，學生可根據自己的興趣，作為課程后學習探索內容。

4 教學改革效果與思考

由于現在多傳感器集成使用越來越廣泛，車載測量系統也越來越受到學校和學生的關注。將車載測量系統引入到教學，取得了一些效果：學生對測繪專業的熱愛程度增加，對傳統測繪帶來的誤解得到一定消除，而且教學氛圍活躍，同學合作能力增加；學生學習的主動性和創新能力增加，一些學生主動找教師溝通，并參與了國家大學生創新創業項目、本科畢業設計課題選擇等，能在項目中發揮自己的學習能動性與創造力，研究出一些有價值的想法、產品等；學生思考、分析、解決問題的能力得到提升，在試驗中，不是機械的記憶學習，而能用理論去分析解決遇到的難點；專業技能與素養得到提高，對專業知識能從多角度理解、應用，數據處理和編程能力均有所提高。對車載測量系統的學習，也為以后的科研或工作奠定了基礎。

雖然車載測量系統等前沿產品受到學生的歡迎，但實際引入到教學中也遇到了一些問題。如本科生學習課程多，負擔重，在實際改革教學中，只能在工程測量實習課程中分配部分學時，且課程時間安排困難，往往無法將設計的試驗完整完成與消化，設計的難度需要把握，否則會打擊學生信心與積極性，也存在考核困難等問題。因此，建議將車載測量系統當作一門興趣課程，并減少學分設置與課后作業任務，減輕學生壓力，既能讓學生以一種游戲的狀態參與學習，又可以了解測繪的信息化發展技術。

測繪學科作為眾多工科院校相關專業的一門公共必修課，除了測繪工程專業開設大量測繪類課程以外，土木、水利、交通、地質、環境等專業均開設了測量學課程，測繪學也已不再滿足于單一學科，而是多學科的交叉利用。而移動測量系統集多學科、多技術于一體，也可以應用于交通工程等行業中，如道路制圖、鐵路隧道橋梁公路養護、智能交通設計等。因此，下一步可以將本系統的原理和應用在筆者所在高校進行推廣，設計相關的課程與試驗加入到相關專業的學習擴展中。

5 結語