基于任務驅動的無人機航測數據處理仿真實訓

李 艷 謝燕梅

（成都航空職業技術學院 四川 成都 610100）

2019 年國務院發布的《國家職業教育改革實施方案》中提出，隨著我國進入發展新階段，各行業均迫切需求技術技能人才，沒有職業教育現代化就沒有教育現代化。2021 年《無人機測繪操控員國家職業技能標準》中提出“職業活動為導向、職業技能為核心”的指導思想，對無人機測繪操控員的技能水平和理論知識水平進行了明確規定。職業教育與任務聯系緊密，實施任務驅動教學模式是職業教育的理想選擇，航測數據處理作為無人機測繪操控員的重要技能之一，在教學過程中需要堅持教學過程與實踐過程對接的職業教育理念，探索無人機航測數據處理仿真實訓教學方法，促進職業院校無人機專業課程建設的改革，提高職業教育的質量。

1 目前無人機航測數據處理仿真實訓存在的問題

1.1 多學科交叉發展，專業知識性強

無人機航測數據處理技術是一門內容抽象、邏輯嚴密、實用性強的專業課，該課程可以使學生系統地掌握無人機航空攝影測量的基本理論與方法。無人機航測數據處理涉及高等數學、線性代數、計算機、攝影測量學等多個學科的知識；數據處理過程涉及多個坐標系之間的轉換，空間關系復雜，空間立體感強，需要學生具有較強的空間想象能力。

1.2 教學過程與實際應用脫節，效果不理想

無人機航空攝影測量如今已進入數碼攝影測量時代，在“數字城市”“智慧城市”“地理國情普查”等領域發揮了非常重要的作用。無人機應用技術的不斷發展對人才提出了更高的要求，當前教學過程中，學生對無人機航測數據處理的學習僅僅停留在對公式的理解和推導上，與實際生產脫節，該課程的教學效果并不理想，因此，需要對無人機航空攝影測量教學進行新的探索與教學改革。

1.3 學生缺乏對無人機航測數據處理過程的理解，任務導向不明確

數據處理是無人機航空攝影測量的重要內容，在國內外形成了很多成熟的數據處理軟件，由于軟件“傻瓜式”的操作流程，在生產過程中有操作便捷的優勢，而用于職業教學則存在較大的局限性：學生在使用這些數據處理軟件時，通常采用默認參數，數據處理過程中任務不明確，學生對無人機攝影測量知識沒有一個整體認識。在任務驅動教學過程中，教師將數據處理過程設計成多個任務，而非僅通過數據處理軟件運行出結果這一個任務，以任務驅動引導學生思考，在完成數據處理任務過程中提升職業能力。隨著國內職業教育教學手段的發展，任務驅動教學和仿真教學方法取得了積極的進展，兩者既與高職教學目標相適應，又與無人機航測數據處理教學內容相匹配。

2 基于任務驅動的無人機航測數據處理仿真實訓

基于任務驅動的無人機航測數據處理仿真實訓以具體任務形式開展教學過程，堅持以學生為中心的實訓教學理念，遵照仿真實訓項目“能實不虛，虛實結合”的原則，通過典型工作任務來實現學生“做中學”，培養學生交叉學科的航測數據處理方法和解決復雜問題的綜合能力。任務驅動的無人機航測數據處理仿真實訓過程包括三個實訓任務和九個仿真知識點，如圖1 所示。

圖1 任務驅動的無人機航測數據處理仿真實訓

2.1 無人機航測數據處理實訓任務

航測數據準備與工程創建。通過無人機“航測數據準備與工程創建”實訓任務，首先要求學生掌握航測數據組成、檢查數據完整性，理解數據投影坐標系；對工程文件、相機焦距、光圈、圖像分辨率等參數的設置，可對比不同參數對數據處理效果的影響。

航測數據空中三角測量。通過無人機“航測數據空中三角測量”實訓任務，可以直觀地展示出傳統教學中難以解釋清楚的概念和原理，包括像控點布設、外方位元素、共線方程、共面方程等，要求學生理解內定向、相對定向、絕對定向等攝影測量的基本原理，使其真正掌握數據處理技術流程而非操作步驟，達到掌握一個數據處理空中三角測量軟件，其他軟件也可以觸類旁通的效果。

航測數據成果生成與輸出。通過“航測數據成果生成與輸出”實訓任務，要求學生利用空中三角測量成果，采用全自動空中三角測量導入的方式，通過分辨率、投影坐標等不同參數的設置，生成數字正射影像圖（DOM）、數字高程模型（DEM），對各類無人機航測成果數據進行展示，使學生能夠完成航測數據成果的生成與輸出，并了解該成果在各行業的應用。

2.2 無人機航測數據處理仿真實訓過程

無人機航測數據處理實訓教學圍繞九個關鍵知識點來開展仿真。

數據組成與完整性檢查。航測數據包括影像數據、位姿數據、相機文件以及控制點數據。確認原始數據的完整性主要是檢查獲取的影像中有沒有質量不合格的影像，檢查位姿數據與影像數據對應情況，出現不對應時應手動調整。該仿真知識點中采用數據存儲技術對不同原始數據格式進行存儲與管理，通過仿真系統實現數據的自動加載與完整性檢查。

數據投影坐標系。該仿真知識點中通過建立地球橢球模型，采用不同的投影方式模擬地球曲面投影到平面的過程。通過對地球上不同經緯度的仿真實訓，學生能夠更好地理解不同的投影方式、不同地域上地圖投影帶來的誤差，還可求解不同地方的中央經線、投影帶、投影變形等信息。

相機焦距、光圈、圖像分辨率。無人機航空攝影測量過程中使用不同的焦距值，同一物體成像的大小不同，焦距越大，成像越大；大光圈易于營造背景模糊的淺景深，小光圈拍攝主體與背景都較為清晰；影像分辨率是顯示影像水平、垂直方向上的像素數，像素數越多，分辨率越高，影像質量越好。該仿真知識點通過設置不同的相機焦距、相機光圈、影像分辨率等參數，對比不同參數在數據處理過程中的仿真分析，幫助學生更好地理解相機參數帶來的效果。

控制點布設。像控點是攝影測量控制加密和測圖的基礎，像控點位置的選擇和點位的準確程度，直接影響數據處理成果的精度。像控點必須在測區范圍內合理分布，通常100 張影像6 個控制點。該仿真知識點通過對比在測區均勻分布與集中布設像控點兩種情形，對比100 張影像6 個像控點、12 個像控點、18 個像控點，對比在山地、平原布設同等數量的像控點，觀察像控點布設對數據成果精度與數據處理效率的影響。

影像外方位元素。影像外方位元素是指在恢復內方位元素的基礎上，確定攝影光束在攝影瞬間的空間位置和姿態的參數。該仿真知識點采用區域網整體平差，整體解求區域內每張相片的六個外方位元素，所有加密點的地面坐標通過已知特征點推算出未知特征點，并自動抽取所有特征點，構成整個目標地區的特征點云。

空間相對定向原理。通過量取影像的同名像點，解算兩相鄰影像的相對位置關系，空間相對定位重點在于求取同名點，由于同一物體在不同視角下的圖像有極大的不同，不同光照情況下物體遮擋，不同物體的幾何形狀、物體和攝像機之間的空間關系等因素，導致自動確定同名點非常復雜。通過不同視角、不同光照、不同物體情景下的對比分析，對空間相對定向原理進行仿真實訓教學。

空間絕對定向原理。通過量取模型的同名像點，解算兩相鄰影像的相對位置關系的過程叫空間絕對定向；若已知部分像點對應到地面的大地控制點坐標，即可將該測區納入大地坐標系中，就可計算出每對像點對應的地面點坐標。該仿真知識點中，通過將已知的部分像點對應到地面的大地控制點坐標，實現無人機航測數據處理絕對定向過程仿真教學。

數字正射影像原理分析與應用。數字正射影像圖（DOM）是對無人機拍攝的影像進行數字鑲嵌，按一定圖幅范圍裁剪生成的數字正射影像圖集，具有精度高、信息豐富、直觀逼真、獲取快捷等優點，可從中提取自然資源和社會經濟發展的歷史信息或最新信息。通過仿真實訓查看DOM在水利建設上的洪水監測、河流變遷、旱情監測，農業上的農業估算、病蟲害分析，海岸線保護和生態變化監測等行業的應用，可擴展學生對數字正射影像圖的應用知識。

數字高程模型原理分析與應用。數字高程模型（DEM）是通過有限的地形高程數據實現對地面地形的數字化模擬，在測繪、水文、氣象、地貌、地質、土壤、工程建設、通訊、軍事等國民經濟和國防建設以及人文和自然科學領域有著廣泛的應用。通過仿真實訓，學生可以查看DEM 在工程應用中的土方量計算、通視分析，防洪減災的水文分析如匯水區分析、降雨分析、蓄洪計算、淹沒分析，無線通訊基站選址上的基站分析等方面的應用，可擴展學生對數字過程模型的應用知識。

3 結語

本文將任務驅動式的教學方法與無人機航測數據處理仿真教學相結合，通過任務驅動教學方法將數據處理過程設計成多個任務促進學生對航測數據處理過程的理解，教學具有較強靈活性、目的性和任務導向性，適應高職院校教學改革的新要求。