虛實(shí)結(jié)合無人機(jī)攝影測(cè)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與效果評(píng)價(jià)

段祝庚，陳豐田，岳 雄，江學(xué)良，王麗穎

（1.中南林業(yè)科技大學(xué)土木工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410004；2.青海省地質(zhì)測(cè)繪地理信息院，西寧 810000；3.青海省高原測(cè)繪地理信息新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西寧 810000；4.武漢兆格信息技術(shù)有限公司，武漢 430223）

0 引言

攝影測(cè)量技術(shù)廣泛應(yīng)用于國(guó)家基礎(chǔ)測(cè)繪、數(shù)字城市建設(shè)、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)、國(guó)土資源治理等眾多領(lǐng)域。近年來隨著低空無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，無人機(jī)攝影測(cè)量已經(jīng)成為獲取空間信息數(shù)據(jù)最為有效、經(jīng)濟(jì)的手段之一。因此，行業(yè)對(duì)無人機(jī)攝影測(cè)量專業(yè)人才的需求，尤其對(duì)人才質(zhì)量的需求也在不斷提升。

傳統(tǒng)的無人機(jī)攝影測(cè)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要采用實(shí)驗(yàn)理論與實(shí)際操作實(shí)踐實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)模式，實(shí)驗(yàn)理論主要由教師課堂講授實(shí)驗(yàn)基本原理和方法，實(shí)際操作實(shí)踐實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容是無人機(jī)航飛和基于單機(jī)版無人機(jī)攝影測(cè)量軟件的影像數(shù)據(jù)處理。實(shí)驗(yàn)條件與教學(xué)模式相對(duì)陳舊，與新技術(shù)的發(fā)展相比，存在諸多方面不足，與實(shí)際生產(chǎn)環(huán)節(jié)存在較大的差距，難以適應(yīng)生產(chǎn)實(shí)際的需求。

（1）學(xué)校專業(yè)實(shí)驗(yàn)室開放學(xué)時(shí)有限，并且長(zhǎng)期以來攝影測(cè)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)使用的平臺(tái)和軟件一般都是單機(jī)模式，基本上與網(wǎng)絡(luò)無關(guān)，學(xué)生一般難以全開放式靈活使用實(shí)驗(yàn)室設(shè)備和專業(yè)軟件，學(xué)生很少能自由選擇時(shí)間、地點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)環(huán)境與時(shí)間嚴(yán)重受限。

（2）測(cè)繪型無人機(jī)價(jià)格仍然不低，無人機(jī)設(shè)備實(shí)驗(yàn)資金投入較大，電池等低耗品消耗較多。無人機(jī)臺(tái)套數(shù)難以滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要，受設(shè)備臺(tái)套數(shù)限制，學(xué)生實(shí)驗(yàn)參與度不高，而且無人機(jī)航飛時(shí)存在較高風(fēng)險(xiǎn)。

（3）實(shí)驗(yàn)教學(xué)的學(xué)習(xí)交流環(huán)境與條件不足，缺乏虛擬教學(xué)環(huán)境以及圖文并茂的網(wǎng)絡(luò)交流與討論平臺(tái)，不能對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)進(jìn)度及效果進(jìn)行全程監(jiān)控。

隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)可應(yīng)用于課程教學(xué)設(shè)計(jì)、虛擬教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)與資源平臺(tái)建設(shè)、虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理與改革等方面［1-3］，虛擬仿真技術(shù)也逐步應(yīng)用于測(cè)量實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域［4-6］，可解決測(cè)繪學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中存在儀器不足、成本高、風(fēng)險(xiǎn)大和容易受天氣影響等問題［7-8］。

最近一二十年，現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)有了快速發(fā)展，云端服務(wù)正不斷涌現(xiàn)，云計(jì)算技術(shù)日趨成熟［9-10］。云計(jì)算具有虛擬化、低成本和靈活性等特點(diǎn)［11-12］。通過網(wǎng)絡(luò)連接遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和信息共享等服務(wù)，可讓用戶共享云端服務(wù)器的快速處理能力和各種優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，從而為用戶節(jié)約成本，提高工作效率。將云計(jì)算技術(shù)應(yīng)用到無人機(jī)攝影測(cè)量生產(chǎn)實(shí)踐及實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，這將改變攝影測(cè)量生產(chǎn)實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的作業(yè)模式，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、開放式攝影測(cè)量作業(yè)［13］。

本研究將虛擬仿真技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)應(yīng)用于無人機(jī)攝影測(cè)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)，采用虛實(shí)結(jié)合的開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，開展網(wǎng)絡(luò)化、開放式攝影測(cè)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索，并通過問卷調(diào)查進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果評(píng)價(jià)，旨在提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

1 虛實(shí)結(jié)合開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式及其特點(diǎn)

1.1 虛實(shí)結(jié)合開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

無人機(jī)航空攝影測(cè)量實(shí)驗(yàn)的核心任務(wù)是讓學(xué)生掌握無人機(jī)航空攝影測(cè)量數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理的原理、方法和作業(yè)流程。虛實(shí)結(jié)合開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式（見表1）的“實(shí)”是指實(shí)際操作實(shí)踐，主要內(nèi)容包括無人機(jī)航飛、像控點(diǎn)測(cè)量和利用無人機(jī)攝影測(cè)量軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。特別引進(jìn)了基于云計(jì)算的桌面云攝影測(cè)量軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單機(jī)版軟件進(jìn)行無人機(jī)影像數(shù)據(jù)處理，生產(chǎn)數(shù)字測(cè)繪產(chǎn)品，學(xué)生可隨時(shí)隨地注冊(cè)登錄該軟件進(jìn)行作業(yè)，開展網(wǎng)絡(luò)化開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)［14-15］。“虛”即虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)開發(fā)了無人機(jī)攝影測(cè)量虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由無人機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)模塊、無人機(jī)部件功能練習(xí)模塊、仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K、無人機(jī)操作視頻模塊、知識(shí)練習(xí)模塊和學(xué)生成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)模塊構(gòu)成，建立了虛擬仿真模型庫(kù)、實(shí)景三維模型庫(kù)、知識(shí)練習(xí)庫(kù)、用戶數(shù)據(jù)庫(kù)等提供相應(yīng)數(shù)據(jù)支持（見圖1）。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)免費(fèi)向開設(shè)無人機(jī)攝影測(cè)量課程的學(xué)生開放。學(xué)生通過注冊(cè)賬號(hào)登錄，隨時(shí)隨地進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。以無人機(jī)攝影測(cè)量數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理為核心教學(xué)內(nèi)容，虛實(shí)結(jié)合，將實(shí)際實(shí)踐操作實(shí)驗(yàn)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)相互融合，充分利用各自的優(yōu)勢(shì)，增強(qiáng)學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)的主體地位，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

圖1 無人機(jī)航空攝影測(cè)量實(shí)驗(yàn)虛擬仿真系統(tǒng)截圖

1.2 基于云計(jì)算無人機(jī)攝影測(cè)量軟件的特點(diǎn)

（1）基于云計(jì)算的軟件可使用賬號(hào)登錄系統(tǒng)，時(shí)間、地點(diǎn)、電腦不受限制，增加實(shí)驗(yàn)課時(shí)，屬于網(wǎng)絡(luò)化開放式教學(xué)模式。教師組織、講授與示范，學(xué)生自主完成實(shí)驗(yàn)。而傳統(tǒng)的商業(yè)軟件為單機(jī)版，需要加密授權(quán)，實(shí)驗(yàn)通常固定機(jī)房、電腦、地點(diǎn)、時(shí)間，教學(xué)的機(jī)動(dòng)性、靈活性有限，屬于相對(duì)封閉機(jī)房式教學(xué)模式。

（2）部分軟件集成自動(dòng)化程度較高，有益于提高作業(yè)效率，但不利于學(xué)生掌握和理解基本理論和概念；部分軟件模塊化，可分模塊、分步驟開展實(shí)驗(yàn)，有利于學(xué)生掌握和理解基本理論和概念。

（3）基于云計(jì)算的軟件較單機(jī)版具有明顯經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，不用購(gòu)置昂貴處理器，大量數(shù)據(jù)處理由云端服務(wù)器完成。

（4）可處理真實(shí)數(shù)據(jù)，生產(chǎn)實(shí)際測(cè)繪成果。但真實(shí)數(shù)據(jù)量大，處理時(shí)間較長(zhǎng)，時(shí)間往往不可控。

1.3 虛擬仿真系統(tǒng)的特點(diǎn)

（1）學(xué)生可使用自己電腦利用賬號(hào)登錄虛擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可課前預(yù)習(xí)，課后復(fù)習(xí)，重復(fù)多次進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。學(xué)生自主選擇時(shí)間、地點(diǎn)，不受時(shí)空及電腦限制。教師組織、講授與示范，學(xué)生自主完成實(shí)驗(yàn)，屬于基于網(wǎng)絡(luò)的開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

（2）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完整齊全，工序統(tǒng)一，作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一。系統(tǒng)作業(yè)流程全部模塊化，可分作業(yè)步驟開展實(shí)驗(yàn)，有利于學(xué)生掌握攝影測(cè)量基本理論和概念，實(shí)驗(yàn)時(shí)間短且可控。

（3）學(xué)生可在線提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，師生可通過平臺(tái)上的在線答疑功能進(jìn)行互動(dòng)交流，教師在線評(píng)分并及時(shí)反饋給學(xué)生。具有虛擬教學(xué)環(huán)境以及圖文并茂的網(wǎng)絡(luò)交流與討論平臺(tái)，可對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)進(jìn)度及效果進(jìn)行全程監(jiān)控。

（4）實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖悄M作業(yè)過程，理解和掌握作業(yè)關(guān)鍵技術(shù)與方法，虛擬數(shù)據(jù)，不能生產(chǎn)實(shí)際測(cè)繪成果。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果調(diào)查與評(píng)價(jià)

2.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果調(diào)查與評(píng)價(jià)方法

面向我校測(cè)繪工程、地理信息科學(xué)專業(yè)本科生開展了無人機(jī)攝影測(cè)量學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革對(duì)比研究。對(duì)照組為實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革前的103 名本科學(xué)生，按傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ浇虒W(xué)。研究組為實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革后的114 名本科學(xué)生，按虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式教學(xué)。

教學(xué)效果評(píng)價(jià)主要采用學(xué)生問卷調(diào)查和課程考核成績(jī)進(jìn)行評(píng)價(jià)（見圖2）。學(xué)生問卷調(diào)查采用匿名全額調(diào)查方式進(jìn)行，區(qū)分不同組別進(jìn)行學(xué)生人數(shù)統(tǒng)計(jì)。教學(xué)效果評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括實(shí)驗(yàn)累計(jì)作業(yè)時(shí)長(zhǎng)、自主實(shí)驗(yàn)程度、對(duì)無人機(jī)攝影測(cè)量學(xué)課程教學(xué)的幫助程度、學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課的興趣度和滿意度5 個(gè)指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)累計(jì)作業(yè)時(shí)長(zhǎng)包括課堂計(jì)劃課時(shí)和課余作業(yè)時(shí)間，課余作業(yè)時(shí)間由虛擬仿真系統(tǒng)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)實(shí)際作業(yè)時(shí)間。自主實(shí)驗(yàn)程度是指學(xué)生自由選擇實(shí)驗(yàn)時(shí)間和地點(diǎn)，自主主導(dǎo)操作，獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)的程度，區(qū)分于按實(shí)驗(yàn)計(jì)劃安排固定實(shí)驗(yàn)時(shí)間和地點(diǎn)及需在老師主導(dǎo)或協(xié)助完成的實(shí)驗(yàn)，分為不能、一般、較大和很大4 個(gè)等級(jí)，統(tǒng)計(jì)賦值分別為1～4。對(duì)課程的幫助程度是虛實(shí)結(jié)合教學(xué)模式對(duì)學(xué)生理解和掌握基本原理、方法、作業(yè)流程的幫助程度，分為沒幫助、有幫助、較大幫助和很大幫助4 個(gè)等級(jí)，統(tǒng)計(jì)賦值分別為1～4。興趣度指學(xué)生對(duì)攝影測(cè)量實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的感興趣程度及主動(dòng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的程度，未完成全部實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的評(píng)定為不感興趣，分為不感興趣、一般、較感興趣和非常感興趣4 個(gè)等級(jí)，統(tǒng)計(jì)賦值分別為1～4。滿意度是指對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ骄C合滿意程度，分為不滿意、一般、較滿意和非常滿意4 個(gè)等級(jí)，統(tǒng)計(jì)賦值分別為1～4。課程考核采用理論考試和實(shí)際操作考核相結(jié)合的形式，對(duì)照組和研究組理論考試試題難易程度相當(dāng)，實(shí)際操作考核分別對(duì)應(yīng)傳統(tǒng)實(shí)際操作考核和虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)考核，理論考試成績(jī)和實(shí)際操作考核成績(jī)占總成績(jī)的權(quán)重分別為40%和60%。學(xué)生考核成績(jī)按分?jǐn)?shù)分為不及格（＜60 分）、及格（60～70 分）、中（70～80 分）、良（80～90 分）和優(yōu)（90～100 分）5 個(gè)等級(jí)，統(tǒng)計(jì)賦值分別為1～5。

采用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS 21.0 對(duì)調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)對(duì)照組和研究組兩組樣本進(jìn)行樣本均值t檢驗(yàn)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，由于兩組調(diào)查數(shù)據(jù)屬于獨(dú)立樣本，需要先檢驗(yàn)兩組調(diào)查數(shù)據(jù)的方差是否齊性，并依據(jù)樣本是否具有方差齊性，分別使用獨(dú)立樣本等方差t檢驗(yàn)和異方差t檢驗(yàn)，再依據(jù)t檢驗(yàn)概率P＜0.05 判斷兩組調(diào)查數(shù)據(jù)是否存在顯著性差異。

2.2 評(píng)價(jià)結(jié)果

統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果為調(diào)查指標(biāo)差異顯著性檢驗(yàn)（見表2）以及調(diào)查指標(biāo)均值和標(biāo)準(zhǔn)差（見表3）。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示：

表2 對(duì)照組和研究組間調(diào)查指標(biāo)差異顯著性檢驗(yàn)

表3 調(diào)查指標(biāo)均值和標(biāo)準(zhǔn)差

（1）累計(jì)作業(yè)時(shí)長(zhǎng)在Levene方差齊性檢驗(yàn)中，顯著性水平Sig.的值為0.000 ＜0.05，拒絕原假設(shè)方差相等，得到相應(yīng)的異方差均值t檢驗(yàn)的顯著性水平Sig.的值為0.000 ＜0.05，且累計(jì)作業(yè)時(shí)長(zhǎng)均值由1.00提升為3.11，即在對(duì)照組和研究組間累計(jì)作業(yè)時(shí)長(zhǎng)具有顯著性差異，且研究組較對(duì)照組累計(jì)作業(yè)時(shí)長(zhǎng)大幅增加。

（2）自主實(shí)驗(yàn)程度在Levene方差齊性檢驗(yàn)中，顯著性水平Sig.的值為0.320 ＞0.05，接受原假設(shè)方差相等，得到相應(yīng)的等方差均值t檢驗(yàn)的顯著性水平Sig.的值為0.000 ＜0.05，且自主實(shí)驗(yàn)程度均值由1.60提升為3.12，即在對(duì)照組和研究組間自主實(shí)驗(yàn)程度具有顯著性差異，且研究組較對(duì)照組自主實(shí)驗(yàn)程度明顯增加。

對(duì)課程的幫助程度在Levene方差齊性檢驗(yàn)中，顯著性水平Sig.的值為0.253 ＞0.05，接受原假設(shè)方差相等，得到相應(yīng)的等方差均值t檢驗(yàn)的顯著性水平Sig.的值為0.000 ＜0.05，且對(duì)課程的幫助程度均值由2.43 提升為3.27，即在對(duì)照組和研究組間自主實(shí)驗(yàn)程度具有顯著性差異，且研究組較對(duì)照組自主實(shí)驗(yàn)程度明顯增加。

（3）興趣度在Levene方差齊性檢驗(yàn)中，顯著性水平Sig.的值為0.297 ＞0.05，接受原假設(shè)方差相等，得到相應(yīng)的等方差均值t檢驗(yàn)的顯著性水平Sig.的值為0.000 ＜0.05，且興趣度均值由3.13 提升為3.54，即在對(duì)照組和研究組間興趣度具有顯著性差異，且研究組較對(duì)照組興趣度略有增加。

（4）滿意度在Levene方差齊性檢驗(yàn)中，顯著性水平Sig.的值為0.524 ＞0.05，接受原假設(shè)方差相等，得到相應(yīng)的等方差均值t檢驗(yàn)的顯著性水平Sig.的值為0.000 ＜0.05，且滿意度均值由2.73 提升為3.25，即在對(duì)照組和研究組間滿意度具有顯著性差異，且研究組較對(duì)照組滿意度明顯增加。

（5）考核成績(jī)?cè)贚evene方差齊性檢驗(yàn)中，顯著性水平Sig.的值為0.000 ＜0.05，拒絕原假設(shè)方差相等，得到相應(yīng)的異方差均值t檢驗(yàn)的顯著性水平Sig.的值為0.004 ＜0.05，且考核成績(jī)均值由3.75 提升為4.13，即在對(duì)照組和研究組間學(xué)生考核成績(jī)具有顯著性差異，且研究組較對(duì)照組考核成績(jī)略有提升。

綜上所述，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式對(duì)實(shí)驗(yàn)累計(jì)作業(yè)時(shí)長(zhǎng)、自主實(shí)驗(yàn)程度、課程教學(xué)的幫助程度、學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課的興趣度和滿意度、課程考核成績(jī)等調(diào)查指標(biāo)均有不同程度地提高，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果有明顯提升。

3 結(jié)語

隨著無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)的日趨成熟，攝影測(cè)量技術(shù)有了更大的應(yīng)用發(fā)展空間。無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)的發(fā)展變化對(duì)測(cè)繪教學(xué)、科研、生產(chǎn)均產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。無人機(jī)攝影測(cè)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)顯得尤為重要。無人機(jī)攝影測(cè)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)與生產(chǎn)實(shí)踐緊密接合，服務(wù)于生產(chǎn)實(shí)踐。虛擬仿真技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)具有網(wǎng)絡(luò)化、開放性和交互性的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，將虛擬仿真技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)應(yīng)用于無人機(jī)攝影測(cè)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)。虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，可解決實(shí)驗(yàn)課時(shí)不夠、高風(fēng)險(xiǎn)、高成本的難題，減少學(xué)校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)資金投入，增加學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)，提高學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)的程度、興趣、滿意度及考核成績(jī)，從而增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，提高學(xué)生的研究創(chuàng)新和工程實(shí)踐能力。但虛擬仿真技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)應(yīng)用到無人機(jī)攝影測(cè)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)，這是一項(xiàng)探索性的系統(tǒng)工程，在實(shí)踐課程的體系設(shè)計(jì)、實(shí)習(xí)實(shí)踐環(huán)節(jié)和施教方式等方面還需要進(jìn)一步改進(jìn)、完善和優(yōu)化。