鄧?yán)? 李永新 段福洲 李博旭 毛智慧

摘 ? 要：航空攝影測(cè)量是一門理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在其中起著關(guān)鍵的作用。本文首先對(duì)該課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題以及教學(xué)改革的必要性進(jìn)行了分析，然后結(jié)合無人機(jī)航空攝影測(cè)量實(shí)習(xí)的特點(diǎn)，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，建立了無人機(jī)航空攝影測(cè)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。對(duì)于解決實(shí)踐環(huán)節(jié)中成本高、風(fēng)險(xiǎn)大、時(shí)間長(zhǎng)、效果差等問題極具理論和現(xiàn)實(shí)意義，可為遙感科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)改革提供有益的參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：航空攝影測(cè)量 ?實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革 ?無人機(jī) ?虛擬現(xiàn)實(shí)

中圖分類號(hào)：P231-4;G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）09（b）-0223-04

Abstract： Photogrammetry is a very theoretical and practical course， and experimental teaching plays a key role in it. This paper first analyzes the problems in the experiment teaching and the necessity of the teaching reform， and then combines the characteristics of the photogrammetry practice and advantages of VR technology to set up an experimental teaching platform for the UAV-based photogrammetry. It is of great theoretical and practical significance to solve the problems of high cost， high risk， long time and poor effect in the practice， which can provide useful reference for the reform of the practical teaching of Remote Sensing Science and technology.

Key Words： Photogrammetry; Experimental teaching reform; Unmanned aerial vehicle; Virtual reality

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality， VR）技術(shù)是人與計(jì)算機(jī)生成的虛擬環(huán)境進(jìn)行交互活動(dòng)的技術(shù)手段[1]，其融合了真實(shí)場(chǎng)景和虛擬世界，以三維建模、實(shí)時(shí)互動(dòng)、人工智能和身臨其境等特征，成為“未來教育改革”的重要發(fā)展趨勢(shì)[2-3]。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為一種新興的實(shí)驗(yàn)教育形式，能夠?qū)崿F(xiàn)學(xué)習(xí)媒體的情景化及自然交互性，基于VR技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)具有安全性、沉浸性、交互性、針對(duì)性等特征，有助于構(gòu)建一種可控的、逼近真實(shí)、多感知一體化的學(xué)習(xí)環(huán)境，使學(xué)生由被動(dòng)接受者變成課堂的主導(dǎo)者，并通過人與虛擬世界的多元感知和自然交互，實(shí)現(xiàn)自主探索和認(rèn)識(shí)客觀事物的目標(biāo)。

攝影測(cè)量學(xué)是一門理論與實(shí)踐并重的課程，其實(shí)驗(yàn)教學(xué)部分是培養(yǎng)學(xué)生扎實(shí)的攝影測(cè)量學(xué)處理技能、完成從理論學(xué)習(xí)到實(shí)踐應(yīng)用的關(guān)鍵過程[4-5]。特別是近年來隨著無人機(jī)技術(shù)的興起和持續(xù)升溫，基于無人機(jī)的航空攝影測(cè)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)在實(shí)踐中起到了越來越重要的作用。但是，由于軟、硬件設(shè)備投入成本高，學(xué)生人數(shù)眾多，以及實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)的限制，目前主要是以實(shí)驗(yàn)室參觀展示功能為主，很難滿足每個(gè)學(xué)生獨(dú)立學(xué)習(xí)和交互操作的需求。此外，由于受無人機(jī)飛行安全因素、場(chǎng)地環(huán)境及天氣條件等因素的限制，導(dǎo)致目前航空攝影測(cè)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)陷入實(shí)訓(xùn)成本高、拓展資源少、教學(xué)效果差、實(shí)踐探究有限的不利境地。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)正面臨著一場(chǎng)深刻的實(shí)驗(yàn)手段變革。引入VR技術(shù)，無論對(duì)于實(shí)踐教學(xué)模式的改革還是學(xué)生自主深度學(xué)習(xí)的提高都有很強(qiáng)的促進(jìn)意義[6-7]。因此，本文對(duì)VR技術(shù)在航空攝影測(cè)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用探索進(jìn)行研究，基于VR技術(shù)進(jìn)行虛擬無人機(jī)航空攝影測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

1 ?無人機(jī)航空攝影測(cè)量虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容

教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)對(duì)專業(yè)學(xué)習(xí)而言非常重要，根據(jù)攝影測(cè)量技術(shù)特點(diǎn)設(shè)計(jì)可操作性強(qiáng)的虛擬實(shí)踐項(xiàng)目，是虛擬仿真實(shí)踐研究的主要目標(biāo)。隨著測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)的蓬勃發(fā)展，攝影測(cè)量有許多創(chuàng)新性研究成果，無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)是這其中典型的代表。遙感科學(xué)與技術(shù)專業(yè)屬于技術(shù)應(yīng)用型專業(yè)，對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)有很高的標(biāo)準(zhǔn)和要求[8-9]。為了使攝影測(cè)量課程的實(shí)踐教學(xué)與新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用相適應(yīng)，開闊學(xué)生視野，培養(yǎng)學(xué)生的研究創(chuàng)新能力，我們將攝影測(cè)量實(shí)踐的內(nèi)容在數(shù)據(jù)獲取和處理方面進(jìn)行了適當(dāng)?shù)臄U(kuò)展和更新，讓學(xué)生能夠跟蹤攝影測(cè)量技術(shù)發(fā)展的前沿水平，培養(yǎng)提高學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力和學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)、研究創(chuàng)新和工程實(shí)踐能力。

無人機(jī)航空攝影測(cè)量的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涵蓋了整個(gè)無人機(jī)攝影測(cè)量的過程，在教學(xué)內(nèi)容組織、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目選擇上，有明確的針對(duì)性和明確的培養(yǎng)目標(biāo)。整體設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：無人機(jī)及成像傳感器選取、無人機(jī)航線設(shè)計(jì)規(guī)劃、無人機(jī)操控與安全防護(hù)、地面控制點(diǎn)布設(shè)[10]、影像預(yù)處理、基于SFM算法[11]的三維重建、數(shù)字正射影像（DOM）和數(shù)字表面模型（DSM）的生產(chǎn)等。

2 ?虛擬無人機(jī)航空攝影測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用游戲化、趣味性的設(shè)計(jì)理念，整個(gè)系統(tǒng)分為五大模塊，如圖1所示。其中，知識(shí)學(xué)院提供了大量理論知識(shí)和相關(guān)的法律法規(guī)，供學(xué)生進(jìn)行理論學(xué)習(xí)和系統(tǒng)使用參考;數(shù)據(jù)中心是進(jìn)行無人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)處理的地方，學(xué)生可以在其中進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理、三維建模和數(shù)據(jù)產(chǎn)品的制作;在商城中，學(xué)生可以選擇不同類型的無人機(jī)和成像傳感器;任務(wù)模式和考核模式是系統(tǒng)的核心，主要按照無人機(jī)航空攝影測(cè)量的過程分為以下相對(duì)獨(dú)立的環(huán)節(jié)，下面分別對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹。

2.1 虛擬無人機(jī)

系統(tǒng)中有固定翼和旋翼兩種無人機(jī)三維模型，可采用“爆炸”視圖將無人機(jī)拆分成零件的狀態(tài)，配以文字講解可使學(xué)生掌握典型無人機(jī)的相關(guān)組件，更好地了解無人機(jī)。同時(shí)，無人機(jī)的選擇，需要根據(jù)法律法規(guī)、區(qū)域環(huán)境、載重與續(xù)航時(shí)間等因素進(jìn)行調(diào)整。主要內(nèi)容包括：

（1）選擇固定翼或者多旋翼無人機(jī)，同時(shí)展示不同類型無人機(jī)的特點(diǎn)和參數(shù)信息，例如給出該無人機(jī)的載重與續(xù)航時(shí)間，讓學(xué)生了解直接影響機(jī)型選擇和航線規(guī)劃的重要因素;

（2）虛擬一鍵拆解安裝。在拆解時(shí)，學(xué)生可查看無人機(jī)零件的參數(shù)信息，如螺旋槳、機(jī)架、電池等。

2.2 虛擬成像傳感器

該模塊（圖2）通過形象的動(dòng)畫并配以文字講解，使學(xué)生理解焦距、感光器件尺寸、影像尺寸、成像距離與地面分辨率及成像比例尺之間的關(guān)系，掌握評(píng)價(jià)和選擇成像傳感器的一般原則。

2.3 虛擬起飛/降落地點(diǎn)選擇

起飛和降落地點(diǎn)的選擇將直接影響無人機(jī)的飛行安全以及是否能夠達(dá)成任務(wù)目標(biāo)。該模塊通過身臨其境的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，訓(xùn)練學(xué)生對(duì)無人機(jī)起降地點(diǎn)、周邊環(huán)境和氣象條件的觀察與判斷能力。主要內(nèi)容包括：

（1）法律法規(guī)學(xué)習(xí)。通過法律法規(guī)的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握我國(guó)對(duì)無人機(jī)飛行的相關(guān)法律法規(guī)信息，熟悉飛行審批的流程;

（2）環(huán)境條件觀察與判斷。通過觀察虛擬場(chǎng)景中設(shè)定的城市、山區(qū)等情景，結(jié)合飛行任務(wù)以及選用的無人機(jī)（多旋翼或固定翼），選擇合適的起飛/降落地點(diǎn)。環(huán)境條件主要包括是否在禁飛區(qū)內(nèi)、障礙物、場(chǎng)地平整性、時(shí)間、風(fēng)力、天氣情況等。

2.4 航線設(shè)計(jì)與規(guī)劃

參照無人機(jī)地面站[12]的設(shè)計(jì)，根據(jù)學(xué)生所選的無人機(jī)和成像傳感器進(jìn)行飛行任務(wù)的設(shè)計(jì)和規(guī)劃（如圖3所示）。通過飛行參數(shù)的變化，學(xué)生可以直觀地了解飛行高度與地面分辨率的關(guān)系、旁向重疊對(duì)任務(wù)執(zhí)行時(shí)間的影響、傳感器視場(chǎng)角對(duì)分辨率和航向重疊的影響，讓學(xué)生充分理解和掌握飛行任務(wù)參數(shù)設(shè)置對(duì)飛行任務(wù)的影響。主要內(nèi)容包括：

（1）飛行任務(wù)區(qū)域設(shè)定，用于確認(rèn)飛行任務(wù)覆蓋的地理空間范圍;

（2）設(shè)置飛行高度、飛行速度、航向重疊率、旁向重疊率、相機(jī)傾斜角等信息，通過改變參數(shù)，觀察系統(tǒng)預(yù)估飛行時(shí)間的變化，并據(jù)此對(duì)參數(shù)進(jìn)行重新調(diào)整，保證達(dá)成飛行任務(wù)的目標(biāo)。

2.5 虛擬地面控制點(diǎn)布設(shè)與測(cè)量

學(xué)生可在全局視圖中對(duì)控制點(diǎn)的整體布設(shè)情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，并在虛擬地理場(chǎng)景中進(jìn)行地面控制點(diǎn)的布置與測(cè)量，用于對(duì)無人機(jī)航攝影像的幾何校正[12]。

2.6 虛擬起降與任務(wù)飛行

該可通過飛行過程中反饋的參數(shù)信息（高度、航向、電量等）以及實(shí)時(shí)顯示的飛機(jī)拍攝照片，對(duì)航攝情況進(jìn)行直觀了解。同時(shí)針對(duì)突發(fā)情況，學(xué)員可以進(jìn)行降落操作，增加學(xué)員觀察能力和應(yīng)變處理能力。主要內(nèi)容包括：

（1）飛行前安全檢查。訓(xùn)練學(xué)生按照起飛規(guī)程對(duì)電池、相機(jī)、螺旋槳等設(shè)備進(jìn)行安全檢查，培養(yǎng)安全意識(shí);

（2）自動(dòng)起飛與降落。通過虛擬地面站軟件，控制無人機(jī)的自動(dòng)起飛與降落行為;

（3）觀察飛行參數(shù)，包括高度、航向、電量等信息，同時(shí)需要注意天氣情況;

（4）觀察實(shí)時(shí)無人機(jī)拍攝照片。通過觀察實(shí)時(shí)無人機(jī)拍攝照片，學(xué)生可對(duì)航線規(guī)劃參數(shù)設(shè)置所產(chǎn)生的結(jié)果有直觀認(rèn)識(shí);

（5）突發(fā)狀況處置。無人機(jī)正常降落或遇到突發(fā)狀況時(shí)（如電量不足、惡劣天氣等），學(xué)員需要通過主觀判斷，選擇飛機(jī)降落點(diǎn)，同時(shí)對(duì)升降速度進(jìn)行控制，保證飛機(jī)安全降落。

2.7 虛擬航測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)處理

虛擬數(shù)據(jù)預(yù)處理是對(duì)無人機(jī)航拍所產(chǎn)生的照片進(jìn)行質(zhì)量檢查、導(dǎo)出與影像配套的POS信息并進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。學(xué)生可查看飛行任務(wù)所拍攝的圖片數(shù)量、日期、地理位置等信息。導(dǎo)出數(shù)據(jù)后，建立每張照片與POS信息的關(guān)聯(lián)。

2.8 虛擬航測(cè)影像處理

通常情況下，利用真實(shí)的軟件處理大量航測(cè)影像會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間并具有較大的不確定性。因此，本模塊以基于SFM技術(shù)的Photoscan軟件[14-15]為原型，采用虛擬現(xiàn)實(shí)的方式模擬航測(cè)影像處理和建模的全過程，使學(xué)生掌握相關(guān)處理的軟件的基本過程和要點(diǎn)。具體內(nèi)容包括：導(dǎo)入影像、標(biāo)記地面控制點(diǎn)、建立空三、點(diǎn)云加密、面片化處理、紋理貼圖以及結(jié)果輸出等。

2.9 虛擬建模效果對(duì)比與分析

在建模過程中，參數(shù)的設(shè)置將會(huì)極大地影響最終結(jié)果的效果和精度。通常情況下，學(xué)生要通過大量的嘗試，理解不同參數(shù)的意義和達(dá)成的效果，但這將耗費(fèi)大量的計(jì)算時(shí)間。本模塊通過虛擬仿真的方式，讓學(xué)生直觀感受到參數(shù)設(shè)置和輸出效果之間的關(guān)系（如圖4、5所示）。

3 ?結(jié)語

在大數(shù)據(jù)時(shí)，除大飛機(jī)攝影測(cè)量數(shù)據(jù)外，無人機(jī)技術(shù)為攝影測(cè)量技術(shù)開拓了更大的發(fā)展空間。攝影測(cè)量的發(fā)展變化對(duì)教學(xué)、科研、生產(chǎn)均產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。脫離生產(chǎn)實(shí)際的純理論教育是沒有意義和生命力的，虛擬仿真是新興的技術(shù)平臺(tái)，在該平臺(tái)下進(jìn)行無人機(jī)航空攝影測(cè)量實(shí)踐教學(xué)創(chuàng)新研究，對(duì)于解決實(shí)踐環(huán)節(jié)中成本高、風(fēng)險(xiǎn)大、時(shí)間長(zhǎng)、效果差等問題極具理論和現(xiàn)實(shí)意義，對(duì)于鞏固理論知識(shí)教學(xué)效果，培養(yǎng)提高學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力和學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)、研究創(chuàng)新和工程實(shí)踐能力至關(guān)重要。同時(shí)，我們還應(yīng)意識(shí)到，這是一項(xiàng)長(zhǎng)期的綜合系統(tǒng)工程，沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗(yàn)可供參考，還需深層次地探討實(shí)踐課程的體系設(shè)計(jì)、實(shí)習(xí)實(shí)踐環(huán)節(jié)和施教方式等問題，并提出相應(yīng)的實(shí)施方案，并最終要落實(shí)到虛擬仿真軟件的研發(fā)和相關(guān)課件的建設(shè)，以及在教學(xué)實(shí)踐中逐步應(yīng)用、改進(jìn)，并趨于完善。

參考文獻(xiàn)

[1] 葉勤，關(guān)澤群，邵永社，等.測(cè)繪工程專業(yè)攝影測(cè)量學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索[J].測(cè)繪通報(bào)，2010（6）：74-77.

[2] 張正健，趙秀萍，陳蘊(yùn)智，等.構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)培養(yǎng)創(chuàng)新應(yīng)用型人才（上）[J].印刷雜志，2014（3）：59-61.

[3] 馬天輝.利用虛擬仿真技術(shù)激發(fā)學(xué)生科學(xué)研究興趣[J]. 中國(guó)科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2013（4）：173-177.

[4] 王之卓.攝影測(cè)量原理[J].測(cè)繪通報(bào)，1979（4）：50.

[5] 成曉倩，韓瑞梅，王雙亭.攝影測(cè)量學(xué)的教學(xué)改革探討與實(shí)踐[J].測(cè)繪科學(xué)，2015，40（1）：126-128.

[6] 尹偉，姬艷濤.VR虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)模式探索——以警務(wù)實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練應(yīng)用為視角[J].公安教育，2017（11）：25-29.

[7] 李慶煜.論虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在提高高校教學(xué)質(zhì)量中的作用[J].宜春學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，25（6）：56-58.

[8] 林卉，張連蓬，梁亮，等.遙感科學(xué)與技術(shù)專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)方案探索與實(shí)踐研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2015（12）：114-117.

[9] 韓瑞梅，馬超，成曉倩，等.遙感科學(xué)與技術(shù)專業(yè)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式[J].地理空間信息，2013（3）：171-172.

[10]周焱.無人機(jī)地面站發(fā)展綜述[J].航空電子技術(shù)， 2010，41（1）：1-6.

[11]王學(xué)平.遙感圖像幾何校正原理及效果分析[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2008，25（9）：102-105.

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