姚連璧，張邵華，楊鵬羽，趙紫良

(同濟大學測繪與地理信息學院，上海200092)

測繪是對地理空間信息的一種描述，從傳統(tǒng)的經(jīng)緯儀、全站儀的人工測量方式，發(fā)展到以3S技術為代表的數(shù)字化測繪，再到現(xiàn)在以實時、自動、網(wǎng)絡化為特征的信息化測繪，測繪學科的理論、方法、手段、成果等都發(fā)生了質(zhì)的變化[1]。測繪科學集成了計算機技術、光電技術、網(wǎng)絡通信技術、空間科學、信息科學等，在經(jīng)濟建設、國防建設等都發(fā)揮著重要作用，且越來越受到國家重視[2]。目前，全國已有一百多所高校開設了測繪工程專業(yè)，測繪發(fā)展的日新月異，使傳統(tǒng)的測繪教學試驗內(nèi)容已難以滿足學生對測繪新技術教學需求，部分內(nèi)容過于陳舊，甚至與實際生產(chǎn)項目脫軌，這對測繪學科學生實踐能力的培養(yǎng)和教學方式改革都提出了更高的要求[3-4]。測繪專業(yè)學生不僅需要繼承傳統(tǒng)測繪基礎，更需要對智能化測繪等高新技術的發(fā)展、理論、應用具有一定的了解與掌握[5-6]。

隨著智能傳感器設備和測量設備的智能性、實時性、可靠性越來越高，各種集多種傳感器于一體的車載、機載、星載系統(tǒng)，實現(xiàn)了對多源時空數(shù)據(jù)的采集，地理空間信息等的描繪將越來越多地由智能設備和機器人來完成[7-8]。車載測量系統(tǒng)整合激光掃描儀、GPS、慣性測量單元(IMU)、全景相機等，通過集成處理，可動態(tài)進行數(shù)據(jù)采集、處理，是一種全新、獨立的測量方式，為地理信息的采集與更新開辟了一條快捷高效的途徑，可以看成一種3S技術的集成應用[9-11]，具有理論與實踐并重、多學科交叉滲透、創(chuàng)新發(fā)展空間大等優(yōu)勢。本文嘗試將車載測量系統(tǒng)引入到本科教學與試驗，并與專業(yè)知識進行融合，通過實踐將理論和方法學以貫通，符合測繪教育的現(xiàn)代化的要求，具有一定的必要性和可行性。

1 測繪教學的現(xiàn)狀與存在問題

測繪工程專業(yè)建設與教育教學一直是開設本專業(yè)的高等院校所研究的重點課題之一。如何構建科學的課程體系和教學模式、定位本專業(yè)人才培養(yǎng)要求是研究的主要內(nèi)容[12]。

目前，筆者所在院校開設了一套涵蓋基礎理論和實踐操作的教學體系。其中，基礎理論課程包括測繪學概論、測量學、大地測量學、工程測量學、測量平差、遙感、攝影測量學、地理信息系統(tǒng)、GPS原理、地圖學、地籍測量、程序語言設計等；實踐教學課程包括測量學實習、數(shù)字化數(shù)據(jù)采集試驗、工程測量學實習、攝影測量與遙感實習等[13]。與此同時，測繪教學裝備也從“老三儀”逐步替換電子全站儀、數(shù)字水準儀、GPS接收機等現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集儀器。但在測繪技術迅猛發(fā)展的今天，傳統(tǒng)的測繪教學和培養(yǎng)方式還存在一些問題需要進行改革。

(1) 在基礎理論課程教學中，雖然學習課程豐富，但大部分屬于概論型，只學習了其基本原理，重理論而輕實踐，學生學習情緒不高且學科交叉較少，對知識的貫通應用能力弱。隨著測繪學科內(nèi)涵不斷豐富、外延不斷擴展，特別是多學科的相互滲透，僅開設測繪專業(yè)基礎課程已經(jīng)不能匹配學科的發(fā)展前沿。

(2) 在實踐教學課程中，開設的測量實習以水準儀、全站儀、GPS接收機等儀器為主，教授學生的生產(chǎn)實踐方式過于傳統(tǒng)，已不能滿足在實際生產(chǎn)中對數(shù)據(jù)采集數(shù)量和速度的要求。

(3) 在測繪儀器和裝備方面，雖然在課程學習中了解過如衛(wèi)星遙感、無人機、無人車、測量機器人等測繪前沿產(chǎn)品，但對其系統(tǒng)集成、工作原理、處理應用等卻并沒有實際接觸。為了彌補當前本科生無法接觸測繪前沿技術的一大空白，可以將更為先進的測量儀器引入到本科教學，豐富教學的內(nèi)容。

2 車載測量系統(tǒng)引入教學的前沿性與可行性

測繪行業(yè)正在經(jīng)歷智能革命的浪潮，人工智能為測繪學科帶來了機遇和挑戰(zhàn)，對時間和空間位置服務的需求變?yōu)閷崟r、動態(tài)、精準及全方位，對傳統(tǒng)測繪造成了一定的沖擊。測繪行業(yè)不在僅限于數(shù)據(jù)采集，更多的在于數(shù)據(jù)分析、模擬與決策，由此也催生了一些新領域，如北斗定位、嫦娥探月、無人駕駛、智能監(jiān)測等[14]。測繪專業(yè)學生在學習傳統(tǒng)測繪的基本理論、方法后，還應該具有對測繪新科技的靈敏嗅覺與精確方向性，不斷提高自身的專業(yè)技能與素質(zhì)，在面向信息化的大數(shù)據(jù)流中，與時俱進，掌握新技術、新動態(tài)[15]。

車載移動測量系統(tǒng)可以移動采集獲取密集的點云坐標數(shù)據(jù)，用于數(shù)字城市、實景導航、地理國情監(jiān)測、應急測繪保障等領域，屬于測繪新產(chǎn)品[16]。圖1所示為筆者所在單位研發(fā)的第三代產(chǎn)品，集兩個激光斷面掃描儀、IMU及GNSS接收機天線、360°全景相機、GPS時鐘、路由器等多個傳感器于一體的車載測量系統(tǒng)，硬件總價值60萬元左右。激光掃描儀可以在車體移動時掃描獲取場景的斷面點云數(shù)據(jù)；GNSS天線與IMU提供原始數(shù)據(jù)，利用Inertial Explorer后處理軟件解算提供車體運動的空間位置與姿態(tài)信息(POS系統(tǒng))，可將獲得的斷面點云轉(zhuǎn)換為三維連續(xù)點云；全景相機將采集獲取的多幅影像拼接得到現(xiàn)場實景，用于可視化顯示等；GPS時鐘、路由器用于本系統(tǒng)的時間同步等。車載測量系統(tǒng)集多種技術于一體，將其引入到本科教學，彌補了傳統(tǒng)測繪課堂的單一性，具有一定的前沿與必要性。

圖1 車載測量一體化集成系統(tǒng)

車載移動掃描系統(tǒng)的關鍵技術包括：①多傳感器集成；②時間、空間同步；③POS系統(tǒng)。對多個不同類型的傳感器集成，進行一體化數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過多個傳感器時間同步和坐標系的統(tǒng)一完成空間同步后，通過定位定姿解算提供軌跡參數(shù)，獲得空間數(shù)據(jù)。其中涉及測繪本科教學中學習過的一些基本原理，如掃描儀極坐標法解算坐標、GPS時間系統(tǒng)、數(shù)學插值計算、坐標系的定義與空間轉(zhuǎn)換、GPS定位、慣導的功能利用、對影像相對定向與絕對定向解算等。對本科生而言，通過適當?shù)恼n堂原理介紹與試驗設計實踐，理解難度不是很大，具有一定的適宜性與可行性。將其引入到教學，既可以避免學生課堂學習的乏味性，以及對傳統(tǒng)測繪需要人員跋山涉水進行數(shù)據(jù)采集的排斥感，對學生觀念進行更新，提高專業(yè)學習興趣，也可以通過多角度、多學科知識的學習，激發(fā)學生的創(chuàng)新與科研能力，提高就業(yè)競爭力。

3 教學設計與組織實施

將車載移動測量系統(tǒng)引入到本科教學，必須注重理論與實踐相結合，既要做到課程設計的合理性，降低學習難度，減輕學生負擔，又要發(fā)揮信息化教學的前沿性，將測繪新技術以通俗易懂的方式引入，激發(fā)興趣，拓寬思維，鍛煉學生分析問題、解決問題的能力，提高動手實踐操作能力等。因此，為適合本科生理解與學習，將教學設計分為課堂原理介紹、儀器參觀學習、試驗操作、數(shù)據(jù)處理等，進行模塊化教學，以學生試驗參與為主、老師講解為輔。

(1) 多傳感器的功能與原理教學。通過在測繪專業(yè)課“工程測量實驗課程”中增加2個課時的移動測量系統(tǒng)的原理介紹課程，讓本科生能夠了解移動測量系統(tǒng)的整體原理、架構與應用，能夠在測繪傳統(tǒng)產(chǎn)品(如水準儀、全站儀等)基礎上對測繪前沿產(chǎn)品有一定的啟蒙。通過介紹所需要的各個傳感器，如掃描儀、IMU、全景相機等，讓學生對其功能、工作原理等有一定的了解，而且在課程試驗中讓學生接觸各個傳感器如何使用、如何設置，并對獲取的數(shù)據(jù)格式、結構等進行介紹，以改變學生對傳統(tǒng)測繪的認知，提高學生對測繪新興產(chǎn)業(yè)的興趣和熱情。

(2) 硬件搭建與數(shù)據(jù)采集。車載移動測量系統(tǒng)的一體化是對多傳感器的高效利用，發(fā)揮其集成效應。設計2個課時讓學生到試驗場地參觀掃描儀、IMU等多傳感器的硬件集成和校園數(shù)據(jù)采集，通過現(xiàn)場參觀儀器搭建、連線布設，使學生能親自接觸到移動測量車的設計、搭建，并設計校園數(shù)據(jù)采集試驗，獲取多傳感器原始數(shù)據(jù)。通過進行現(xiàn)場教學，學習系統(tǒng)的試驗理論、運作流程等，避免了課堂教學帶來的乏味與難理解性，既可以增加課程的趣味和溝通性，讓學生能夠通過實踐參與，觀察分析，達到簡單易學的目的；又可激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)主動學習能力，而且能讓當前本科生接觸移動測量系統(tǒng)這一測繪前沿技術。

(3) 點云生成處理。獲得移動測量車原始采集數(shù)據(jù)后，通過2個課時講解點云生成流程，即多個傳感器的數(shù)據(jù)融合處理方法。主要介紹掃描儀基于距離和角度通過極坐標法解碼得到坐標數(shù)據(jù)；對具有GPS時間標簽的多傳感器數(shù)據(jù)，通過拉格朗日等插值算法進行時間同步內(nèi)插處理；利用Inertial Explorer軟件對IMU組合導航解算提供車體軌跡的位置和姿態(tài)參數(shù)的處理流程；對多源數(shù)據(jù)進行融合，進行空間坐標系轉(zhuǎn)換模型等講解。通過講解，最終讓學生了解移動測量系統(tǒng)三維點云生成的原理。最后向?qū)W生提供掃描儀解碼坐標數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)、掃描儀標定參數(shù)等和獨立開發(fā)的軟件MMS采集系統(tǒng)作為參考，學生以小組為單位在課下嘗試進行點云融合處理，使學生印證、檢驗、鞏固和提高在課堂學習的知識技能，有助于學生在實踐中提高動手操作能力、開拓發(fā)散創(chuàng)新能力。

(4) 點云后處理應用。在獲得三維空間點云與影像后，對數(shù)據(jù)的后處理應用體現(xiàn)出車載移動測量系統(tǒng)的實際價值。借助Terrasolid、Pointools等工具對點云數(shù)據(jù)進行顯示、初處理等，介紹如點云與影像配準獲取RGB彩色點云、校園街景建立、校園道路及周邊三維點云建模、標志標線提取、道路檢測等測繪成果。但點云后處理應用部分內(nèi)容多、難度大，只能在2個課時的課堂教學中選擇一部分進行基本原理和功能應用介紹，并提供相應的參考材料和編寫程序等，學生可根據(jù)自己的興趣，作為課程后學習探索內(nèi)容。

4 教學改革效果與思考

由于現(xiàn)在多傳感器集成使用越來越廣泛，車載測量系統(tǒng)也越來越受到學校和學生的關注。將車載測量系統(tǒng)引入到教學，取得了一些效果：學生對測繪專業(yè)的熱愛程度增加，對傳統(tǒng)測繪帶來的誤解得到一定消除，而且教學氛圍活躍，同學合作能力增加；學生學習的主動性和創(chuàng)新能力增加，一些學生主動找教師溝通，并參與了國家大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目、本科畢業(yè)設計課題選擇等，能在項目中發(fā)揮自己的學習能動性與創(chuàng)造力，研究出一些有價值的想法、產(chǎn)品等；學生思考、分析、解決問題的能力得到提升，在試驗中，不是機械的記憶學習，而能用理論去分析解決遇到的難點；專業(yè)技能與素養(yǎng)得到提高，對專業(yè)知識能從多角度理解、應用，數(shù)據(jù)處理和編程能力均有所提高。對車載測量系統(tǒng)的學習，也為以后的科研或工作奠定了基礎。

雖然車載測量系統(tǒng)等前沿產(chǎn)品受到學生的歡迎，但實際引入到教學中也遇到了一些問題。如本科生學習課程多，負擔重，在實際改革教學中，只能在工程測量實習課程中分配部分學時，且課程時間安排困難，往往無法將設計的試驗完整完成與消化，設計的難度需要把握，否則會打擊學生信心與積極性，也存在考核困難等問題。因此，建議將車載測量系統(tǒng)當作一門興趣課程，并減少學分設置與課后作業(yè)任務，減輕學生壓力，既能讓學生以一種游戲的狀態(tài)參與學習，又可以了解測繪的信息化發(fā)展技術。

測繪學科作為眾多工科院校相關專業(yè)的一門公共必修課，除了測繪工程專業(yè)開設大量測繪類課程以外，土木、水利、交通、地質(zhì)、環(huán)境等專業(yè)均開設了測量學課程，測繪學也已不再滿足于單一學科，而是多學科的交叉利用。而移動測量系統(tǒng)集多學科、多技術于一體，也可以應用于交通工程等行業(yè)中，如道路制圖、鐵路隧道橋梁公路養(yǎng)護、智能交通設計等。因此，下一步可以將本系統(tǒng)的原理和應用在筆者所在高校進行推廣，設計相關的課程與試驗加入到相關專業(yè)的學習擴展中。

5 結 語

車載移動測量集多種技術于一體，在數(shù)字城市建設、道路與交通、導航數(shù)據(jù)采集和地圖更新中將發(fā)揮越來越大的作用，相較人工常規(guī)測量與調(diào)繪，其擁有成本低、快捷、準確、全面等優(yōu)點，有著廣闊的發(fā)展前景。將車載測量系統(tǒng)引入到本科生的實踐教學中，有利于學生升學或就業(yè)后快速進行移動測量系統(tǒng)的相關應用，對于提升測繪專業(yè)學生的測量新技能、創(chuàng)新能力、就業(yè)競爭力，培養(yǎng)工程領域的創(chuàng)新型人才具有重要意義，但在具體的實踐中仍需要不斷改進和完善。