無人機參與攝影測量學課程實踐教學的應用探索

摘要：無人機是近年來興起的研究熱點，在測繪科學領域得到了一定的應用和發展。文章以中山大學地理信息科學專業攝影測量學課程為例，通過分析已有教學工作偏重于理論講授和內業數據處理，對數據采集重視不足的問題，探索嘗試將無人機技術應用于攝影測量學課程的實踐教學環節中，并在可行性分析、建設內容與目標、保障體系等方面展開分析，為促進高校地理信息科學專業本科課程教學的先進化、科學化和規范化提供參考。

關鍵詞：無人機;實踐教學;科研訓練

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2020）01-0261-02

一、引言

攝影測量學是對非接觸物體進行攝影，量測和解譯所獲得的影像，獲取被攝物體的幾何信息和物理信息的一門科學和技術[1，2]。課程教學環節側重于研究影像獲取、處理的理論和技術，以及將成果用圖形、圖像或數字表示的方法。該門課程是典型的理論與實踐緊密結合教學模式，其中實踐教學環節對培養學生理論知識的掌握與運用具有重要作用。

攝影測量的生產作業包括了外業的航空攝影以及內業數據處理分析兩大部分[3]。攝影測量學課程已有教學實踐環節對內業實踐教學環節完成較好，但對外業實踐教學工作開展不足[4]。主要是受限于早期的航空相片采集平臺的限制，利用直升機、中型運輸機等作為航空數據采集的平臺，數據獲取過程中的成本較高，極少數的課程能夠接觸到航空相片采集環節。近年來廣泛應用的無人機技術，給攝影測量發展帶來了快速、靈活、低成本的數據采集技術方法。無人機對起降場地要求不高，飛行靈活，作業方便快速，已逐漸成為航空攝影測量的主要平臺之一[5]。經過無人機攝影測量技術的探索與發展，已形成了一套成熟的無人機數據處理方法，為大量測繪單位所使用[6]。

將無人機引入攝影測量實踐教學中，將航攝外業生產流程代入課程，可彌補之前教學中航空攝影部分的空白，使學生完整地學習和理解攝影測量學實際生產應用，同時緊跟攝影測量的技術發展。本文結合中山大學攝影測量課程實踐教學經驗，從可行性分析、教學課程建設內容以及保障體系等方面探討無人機在攝影測量課程中的實踐教學設計。

二、無人機應用實踐教學的可行性分析

在技術可行性方面，目前市場上的消費級無人機可以滿足基本低空航空攝影測量需求[7]，且多數攝影測量數據處理軟件支持消費級無人機數據的校正與拼接。以大疆精靈系列消費級無人機為例，攝影測量的生產流程包括了航線規劃、實地飛行、影像校正拼接等步驟，最終得到數字正射影像圖與數字表面模型。目前，多數攝影測量軟件支持大疆無人機影像，如Pix4d、OneButton、Photoscan、Drone2Map等，其數據處理步驟等基本相同。

在人員可行性方面，本攝影測量學課程教學團隊中有三人具備無人機飛行經驗和相關的操作證書，熟練地掌握無人機飛行技術與航片采集工作。同時能夠將攝影測量學理論與實踐結合，在數據采集與處理環節融合理論知識，加深學生對理論知識的理解。野外教學實踐中有多位指導教師參與，保證實踐教學的實習效果與安全。

在教學投入可行性方面，大疆精靈消費級無人機面向消費者市場，硬件成本較低;且消費級無人機操作簡單，學生可在短時間內完成基本操作的學習，無須花費太多的時間成本。依托中山大學地理科學與規劃學院教學機房已有的高性能計算機軟硬件資源，能夠滿足無人機影像處理的需求，將無人機引入攝影測量課程的總成本相對較低。

三、無人機應用于實踐教學的建設內容

實踐教學的前期準備課時包含無人機結構與飛行原理、無人機操作講解、安全教育、航線規劃與自主飛行、攝影測量學軟件教學等內容，可在課堂中完成。隨后課時組織野外實習課程，學生預先分組，領取航攝任務，合作完成無人機數據采集工作，全部實踐過程由實習指導教師督導并負責安全。野外實踐期間鼓勵學生在保障安全的前提下，結合實際航測任務，自主分析和設計解決方案，并探索無人機在學術領域的應用價值。

建設無人機攝影測量教學案例庫，提供實踐教學素材與參考，為實踐教學提供指導。將科研項目中無人機攝影測量相關工作整理匯總，作為教學案例，展示無人機在科研中發揮的重要作用。邀請學科教授開展講座，分享無人機測繪學術前沿。

建設無人機攝影測量實踐教學場地，保證實踐課程常態化開展。以地理科學與規劃學院野外實習基地為依托，加深科研合作，充分利用基地資源條件，建立穩定的無人機數據采集實踐教學基地。學生可在實踐教學基地提供無人機飛行實踐、野外調查等科研訓練活動。

積極開展教學團隊建設，保障高水平的教學質量。該實踐課程由一名骨干教師與若干教師及助教組成，骨干教師需具有豐富的教學科研經驗，治學嚴謹且學術水平高。教學團隊根據不同時期特點及時提出教學隊伍的培養、調整、補充的方案，同時接受少數本科生、研究生作為助教，培養教學與科研能力。

教材建設是實踐教學的重要內容。教學團隊根據案例庫編制實習指導書作為野外實踐指導與規范。同時根據教師自評與教學反饋每年更新實習指導書內容，不斷完善課程體系，在條件成熟時出版相關教材。

四、無人機應用實踐教學的保障體系與注意事項

1.實踐教學保障體系。無人機攝影測量實踐教學配備學科骨干教師領導的優秀教學團隊，具有豐富的實踐與教學經驗。通過科學嚴謹的實踐教材編制，理論支撐實踐的教學模式，完善的教學評價體系，保障實踐教學的質量。無人機攝影測量學實踐基地以廣東省梅州市野外實習基地為依托，保障實踐教學每年常態化開展?；匚挥诨洷鄙絽^低矮山地，距離城市人口密集區、重點設施較遠，有山地、平原、村落等多種地形地貌，可選取森林、建筑、農田等多種地物進行無人機攝影測量實訓與實地調查。本課程自開設以來獲得地理科學與規劃學院教學經費支持，目前已經購置輕小型消費級無人機5臺，同時學院實驗中心具有手持GPS、地物光譜儀、正版數據處理軟件等，以保障實踐教學的順利開展。

2.注意事項。無人機攝影測量需注意飛行的合法性與安全性。近年來中國民用航空局頒發一系列無人機管理條例，對無人機的飛行、空域、安全等進行規范。本課程中使用的消費級無人機屬于微型無人機（空機重量小于7kg），其在野外無人地區進行低空飛行由操作人員自行負責，無須申報[8]。而飛行時需遵守操作規范，注意人身財產安全：不在人員密集的場地飛行，不在干擾較大的環境飛行，不在大風天氣飛行，平穩操作，安全飛行。同時對于攝影測量作業，盡量選擇正午飛行，避免大面積陰影;保持一定飛行高度，避開障礙物。

五、結語

本文探索將消費級無人機引入攝影測量學課程中，豐富和完善攝影測量學的教學內容。消費級無人機輕便易攜帶，操作簡單，成本低廉，適用于攝影測量教學的數據采集平臺。在教學實踐中學生面臨實際問題，教師引導啟發，激發學生的主動性、創造性，也將理論與實際結合，加強課程效果。攝影測量學既有理論部分，也有實踐部分，本文將理論教學與實踐教學有機結合，進一步完善攝影測量學教學體系，為今后的攝影測量學課程改革提供參考。

參考文獻：

[1]王佩軍，徐亞明.攝影測量學[M].第三版.武漢大學出版社，2016.

[2]張劍清，潘勵，王樹根.攝影測量學[M].武漢大學出版社，2011.

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[4]張建霞.測繪工程專業《攝影測量》課程教學改革探討[J].地理空間信息，2012，（04）：170-171.

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[7]孔振，劉召芹，高云軍，等.消費級無人機在大比例尺測圖中應用與精度評價[J].測繪工程，2016，（12）：55-60.

[8]中國民用航空局飛行標準司.民用無人機駕駛員管理規定[Z].2018.

Exploration of UAV in Practical Teaching of Photogrammetry Course

LIU Kai，GONG Hui，CAO Jing-jing

（School of Geography and Planning，Sun Yat-Sen University，Guangzhou，Guangdong 510275，China）

Abstract：UAV is a research hotspot in recent years，which has been developed in the field of surveying and mapping.Taking the Photogrammetry course of Geographic Information Science Major of Sun Yat-Sen University as an example，this paper analyzes the problems that the existing teaching work focuses on theoretical teaching and internal data processing，and pays insufficient attention to data collection，and explores the application of UAV technology in the practical education of Photogrammetry course，and analyzes the feasibility analysis，construction contents and objectives，guarantee system，etc.The study provides reference for promoting the evolution，scientization，and standardization of the undergraduate course teaching of geographic information science in colleges and universities.

Key words：UAV;practical teaching;scientific training