無人機+實景三維建模技術(shù)與攝影測量學(xué)相融合的教學(xué)模式探討

丁華 王素君 李如仁

關(guān)鍵詞：無人機技術(shù);三維實景建模

攝影測量學(xué)是測繪類專業(yè)的專業(yè)核心課程，其任務(wù)是通過本課程的學(xué)習(xí)，掌握航空攝影測量的基本要求、共線條件方程的原理及應(yīng)用;了解人造立體視覺產(chǎn)生條件及主要實現(xiàn)方法;掌握單張相片和雙象解析的基本原理、方法和公式;掌握數(shù)字攝影測量核心理論，包括數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)、最小二乘相關(guān)和影像匹配等內(nèi)容;把握從影像獲取到生成4D產(chǎn)品的全過程，并了解攝影測量的最新發(fā)展方向，為進一步深造以及畢業(yè)后從事相關(guān)工作打下基礎(chǔ)。

攝影測量學(xué)發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)進入了全數(shù)字攝影測量階段，傳統(tǒng)的航空攝影測量技術(shù)難以滿足人們對影像數(shù)據(jù)實時性和實效性的要求，因此基于攝影測量學(xué)的無人機技術(shù)快速發(fā)展起來，并成為獲取高精度地理數(shù)據(jù)最常用的技術(shù)手段。傳統(tǒng)測繪成果大多以4D產(chǎn)品為主，而目前測繪成果的表達則要求具有高精度、真實感強及全景瀏覽等特點，因此基于無人機傾斜攝影的實景三維建模技術(shù)成為目前發(fā)展的熱點。實景三維英文稱為3D IVR，是一種運用數(shù)碼相機對現(xiàn)有場景進行多角度環(huán)視拍攝，然后進行后期縫合并加載播放程序來完成的一種三維虛擬展示技術(shù)。實景三維建模技術(shù)突破了維度限制，將真實的地物和地貌在地理空間中展現(xiàn)出來，打破4D產(chǎn)品自身的局限性，被廣泛應(yīng)用于自然資源、智慧城市、施工監(jiān)測及應(yīng)急指揮等多個領(lǐng)域。無人機及實景三維建模技術(shù)是目前攝影測量發(fā)展的前沿且潛力巨大，很多高校開設(shè)了相關(guān)專業(yè)的碩、博士點。因此在本科攝影測量學(xué)課程中融入無人機和實景三維建模技術(shù)，并進行教學(xué)模式的探索是十分必要的。

針對將先進技術(shù)引入攝影測量學(xué)教學(xué)的改革問題，很多同行進行了相關(guān)研究，也取得了一定的成果。葉欣等指出隨著無人機與數(shù)碼相機技術(shù)的發(fā)展，基于無人機平臺的攝影測量技術(shù)占有絕對的優(yōu)勢，因此緊跟社會需要，培養(yǎng)出具備相關(guān)實踐操作能力的人才是目前攝測測量學(xué)課程改革的重要方向;陳建軍等人將無人機技術(shù)引入攝影測量教學(xué)課程中，通過精選項目案例使學(xué)生掌握無人機操作及項目實施的主要流程，達到激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生能力的效果;尤號田對無人機技術(shù)在攝影測量學(xué)課程改革中的應(yīng)用進行分析，在教學(xué)、實習(xí)和科研中結(jié)合無人機技術(shù)，從而提高攝影測量學(xué)的教學(xué)質(zhì)量;劉吉凱為了適應(yīng)攝影測量行業(yè)發(fā)展，在保留原有的核心內(nèi)容的基礎(chǔ)上，在攝影測量教學(xué)中補充了新型航空攝影測量系統(tǒng)、近景攝影測量等新內(nèi)容。將新科技引入攝影測量教學(xué)中，是提高攝影測量教學(xué)質(zhì)量的有效手段，也是以成果為導(dǎo)向教學(xué)的需要。

1攝影測量教學(xué)存在的問題

攝影測量學(xué)涉及高等數(shù)學(xué)、工程測量、測量平差、數(shù)字圖像處理、計算機等眾多學(xué)科。該課程具有原理復(fù)雜、內(nèi)容多且抽象、覆蓋范圍廣等特點，是測量工程專業(yè)較難的一門專業(yè)必修課程。結(jié)合我校多年的教學(xué)實踐，發(fā)現(xiàn)了一系列問題，具體如下：

（1）攝影測量學(xué)教學(xué)內(nèi)容滯后于行業(yè)發(fā)展，缺乏新技術(shù)和新理論的滲入。隨著近年來新科學(xué)、新技術(shù)的快速發(fā)展，攝影測量學(xué)面對的行業(yè)發(fā)生了巨大的變化，尤其是異軍突起的無人機技術(shù)解決了傳統(tǒng)攝影測量發(fā)展的瓶頸問題——設(shè)備昂貴和數(shù)據(jù)不易獲取，并以方便、快捷和靈活的特點，成為攝影測量學(xué)發(fā)展的一個主要方向。目前教學(xué)中雖然也引入了一些新技術(shù)和新方法，但是教學(xué)內(nèi)容仍以解析攝影測量和數(shù)字攝影測量為主，而基于無人機的基本理論和數(shù)據(jù)處理方法講解學(xué)時很少，因此攝影測量學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容需要進行深度調(diào)整，從而構(gòu)建新的攝影測量學(xué)課程內(nèi)容體系。

（2）攝影測量學(xué)實踐教學(xué)與實際應(yīng)用嚴(yán)重脫鉤。過去攝影測量學(xué)實踐教學(xué)多是利用數(shù)字攝影測量系統(tǒng)（VirtuoZo平臺、Mapmatrix平臺等）處理已有的數(shù)碼航片，由于設(shè)備昂貴學(xué)生根本不可能參與航攝影像的外業(yè)采集過程，此外數(shù)字攝影測量工作站需要長時間的專業(yè)訓(xùn)練才能完全掌握，生成精度較高的4D產(chǎn)品。現(xiàn)在無人機技術(shù)快速發(fā)展起來，已經(jīng)形成了一套成熟的內(nèi)、外業(yè)一體化無人機測量數(shù)據(jù)采集和處理方法。無人機技術(shù)具有外業(yè)數(shù)據(jù)采集設(shè)備便宜，內(nèi)業(yè)軟件操作自動化高以及生產(chǎn)成果精度高等特點，彌補了數(shù)字攝影測量工作站的不足，成為測繪行業(yè)采集地理數(shù)據(jù)的主要方法之一。雖然很多高校購買了無人機設(shè)備，但是受攝影測量理論教學(xué)內(nèi)容和學(xué)時的束縛，攝影測量實踐教學(xué)中無人機使用率很低，這與行業(yè)實際應(yīng)用存在很大差距。

（3）不能將攝影測量中的相關(guān)理論和本專業(yè)實際工程相結(jié)合，導(dǎo)致知識僅限于書本上，很難讓學(xué)生提升學(xué)習(xí)興趣。目前攝影測量學(xué)仍以理論知識輔以少量實驗的教學(xué)方法為主，很少讓學(xué)生參與實際工程項目中，忽視學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。攝影測量學(xué)理論知識枯燥，公式很多且內(nèi)容極為抽象，如果沒有足夠的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生很難堅持學(xué)習(xí)。攝影測量教學(xué)與實際應(yīng)用脫節(jié)，學(xué)不知其所用是學(xué)生喪失學(xué)習(xí)興趣，缺乏學(xué)習(xí)熱情的主要原因。因此需要尋找有效的途徑將學(xué)習(xí)與實踐緊密結(jié)合起來，引入攝影測量學(xué)中的新技術(shù)和新知識，介紹其發(fā)展前沿的內(nèi)容，從而調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

2攝影測量學(xué)新教學(xué)模式探索

無人機及實景三維建模技術(shù)對于學(xué)生來說既新奇也具有很強的實用性，可以極大的激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新的思維及能力。本文探討將無人機和實景三維建模技術(shù)融入攝影測量學(xué)課程中，從課堂教學(xué)內(nèi)容體系、教學(xué)方法、實踐教學(xué)體系等三個方面進行新教學(xué)模式的探索。

2.1建立新的攝影測量學(xué)課程內(nèi)容體系

傳統(tǒng)的攝影測量學(xué)課程以模擬、解析和數(shù)字攝影測量為主，一般在課程的最后幾節(jié)介紹一下攝影測量學(xué)的前沿內(nèi)容。模擬和解析攝影測量理論是攝影測量學(xué)的理論基礎(chǔ)，很多概念和原理被沿用到數(shù)字攝影測量和無人機技術(shù)中，因此傳統(tǒng)的攝影測量理論仍然是課程必講內(nèi)容。為了緊跟社會發(fā)展和行業(yè)應(yīng)用的需求，在課堂中引入完整的無人機和實景三維建模技術(shù)理論，改進教學(xué)內(nèi)容并建立新的攝影測量學(xué)課程內(nèi)容體系。如圖1所示，在課堂教學(xué)中弱化傳統(tǒng)的模擬/攝影測量學(xué)基礎(chǔ)理論，增加了10個學(xué)時的無人機和實景三維建模技術(shù)的基知識。在攝影測量學(xué)課程內(nèi)容體系既保留了原有的核心內(nèi)容，又補充了最新發(fā)展趨勢，同時也為新實踐教學(xué)體系的構(gòu)建打下基礎(chǔ)。

2.2探索基于項目驅(qū)動的攝影測量教學(xué)方法

在理論教學(xué)和實踐教學(xué)中，將相關(guān)的科研項目融入攝影測量理論教學(xué)和實踐教學(xué)中，是提高攝影測量學(xué)教育質(zhì)量的有效手段。通過課堂教學(xué)，通過圖片、視頻及PPT等多種方式，全面系統(tǒng)的講解和演示科研項目完成的全過程，包括項目整體設(shè)計思路，外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理、成果輸出及精度控制等（圖2）。在對應(yīng)的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)則組織學(xué)生進行無人機外業(yè)實測，并將項目實測數(shù)據(jù)分發(fā)給學(xué)生，運用PIE-UAV和PIE-TDModeler軟件平臺進行無人機數(shù)據(jù)處理和三維建模，最后輸出三維實景模型。讓學(xué)生親自參與整個項目的數(shù)據(jù)采集、處理及建模流程，獨立完成各自的任務(wù)，這種教學(xué)方式極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有利于學(xué)生對無人機及實景三維建模技術(shù)的充分理解和思考，并能將所學(xué)知識應(yīng)用與未來的實際科研和工作中。

2.3構(gòu)建新的攝影測量實踐教學(xué)體系

攝影測量的實踐教學(xué)包括實驗和實習(xí)兩部分，在攝影測量實踐教學(xué)中引入新的實驗項目和實習(xí)內(nèi)容，構(gòu)建新的實踐教學(xué)體系。在實驗中引入無人機影像數(shù)據(jù)處理軟件認識實驗，要求學(xué)生掌握其主要功能和數(shù)據(jù)處理的流程，引入實景三維建模軟件學(xué)習(xí)實驗，使學(xué)生熟悉軟件的組成模塊及各模塊主要功能，掌握實景三維建模技術(shù)的主要操作流程，并利用已有無人機數(shù)據(jù)建立一個小區(qū)域的三維模型;在實習(xí)中結(jié)合實際項目，借助五鏡頭無人機外業(yè)采集影像，利用航天宏圖pie系列軟件，對影像數(shù)據(jù)進空中三角測量、正射校正、影像鑲嵌、構(gòu)建立體模型，最后對生成的實景三維模型的精度進行分析。如圖2所示，通過理論一實驗一實習(xí)的相互配合，將無人機和實景三維建模技術(shù)融入攝影測量整個教學(xué)體系中，系統(tǒng)地設(shè)計實驗項目及實習(xí)內(nèi)容，從而構(gòu)建新的攝影測量實踐體系（見下表）。

3結(jié)語

攝影測量學(xué)是測繪專業(yè)的核心課程，隨著計算機技術(shù)、空間技術(shù)和信息技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的攝影測量學(xué)已經(jīng)無法適應(yīng)對應(yīng)行業(yè)現(xiàn)狀和社會發(fā)展的要求。現(xiàn)代攝影測量已經(jīng)大大溢出傳統(tǒng)的攝影測量的范疇，而無人機技術(shù)和實景三維建模技術(shù)是目前攝影測量發(fā)展的熱點。本文將這些技術(shù)引入攝影測量學(xué)課程中，并將其融入課堂一實驗一實習(xí)中。這種教學(xué)模式能夠豐富教學(xué)內(nèi)容，改善教學(xué)方法，改進實踐教學(xué)體系，培養(yǎng)符合行業(yè)發(fā)展需求、適應(yīng)性強且有創(chuàng)新思維的高素質(zhì)測繪人才。