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        虛實結(jié)合無人機攝影測量實驗教學(xué)改革與效果評價

        2021-12-14 07:16:42段祝庚陳豐田江學(xué)良王麗穎
        實驗室研究與探索 2021年10期
        關(guān)鍵詞:顯著性攝影實驗教學(xué)

        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,長沙 410004;2.青海省地質(zhì)測繪地理信息院,西寧 810000;3.青海省高原測繪地理信息新技術(shù)重點實驗室,西寧 810000;4.武漢兆格信息技術(shù)有限公司,武漢 430223)

        0 引言

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

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

        (1)學(xué)校專業(yè)實驗室開放學(xué)時有限,并且長期以來攝影測量實驗教學(xué)使用的平臺和軟件一般都是單機模式,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驗室設(shè)備和專業(yè)軟件,學(xué)生很少能自由選擇時間、地點進行實驗,學(xué)習(xí)環(huán)境與時間嚴(yán)重受限。

        (2)測繪型無人機價格仍然不低,無人機設(shè)備實驗資金投入較大,電池等低耗品消耗較多。無人機臺套數(shù)難以滿足實驗教學(xué)需要,受設(shè)備臺套數(shù)限制,學(xué)生實驗參與度不高,而且無人機航飛時存在較高風(fēng)險。

        (3)實驗教學(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,不能對學(xué)生實驗進度及效果進行全程監(jiān)控。

        隨著計算機、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、虛擬教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)與資源平臺建設(shè)、虛擬實驗教學(xué)管理與改革等方面[1-3],虛擬仿真技術(shù)也逐步應(yīng)用于測量實驗領(lǐng)域[4-6],可解決測繪學(xué)科實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中存在儀器不足、成本高、風(fēng)險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)和云計算技術(shù)有了快速發(fā)展,云端服務(wù)正不斷涌現(xiàn),云計算技術(shù)日趨成熟[9-10]。云計算具有虛擬化、低成本和靈活性等特點[11-12]。通過網(wǎng)絡(luò)連接遠(yuǎn)程服務(wù)器進行數(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。將云計算技術(shù)應(yīng)用到無人機攝影測量生產(chǎn)實踐及實驗教學(xué)中,這將改變攝影測量生產(chǎn)實踐和實驗教學(xué)的作業(yè)模式,實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、開放式攝影測量作業(yè)[13]。

        本研究將虛擬仿真技術(shù)和云計算技術(shù)應(yīng)用于無人機攝影測量實驗教學(xué),采用虛實結(jié)合的開放式實驗教學(xué)模式,開展網(wǎng)絡(luò)化、開放式攝影測量實驗教學(xué)改革探索,并通過問卷調(diào)查進行實驗教學(xué)效果評價,旨在提高實驗教學(xué)效果。

        1 虛實結(jié)合開放式實驗教學(xué)模式及其特點

        1.1 虛實結(jié)合開放式實驗教學(xué)模式

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

        圖1 無人機航空攝影測量實驗虛擬仿真系統(tǒng)截圖

        1.2 基于云計算無人機攝影測量軟件的特點

        (1)基于云計算的軟件可使用賬號登錄系統(tǒng),時間、地點、電腦不受限制,增加實驗課時,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)生自主完成實驗。而傳統(tǒng)的商業(yè)軟件為單機版,需要加密授權(quán),實驗通常固定機房、電腦、地點、時間,教學(xué)的機動性、靈活性有限,屬于相對封閉機房式教學(xué)模式。

        (2)部分軟件集成自動化程度較高,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、分步驟開展實驗,有利于學(xué)生掌握和理解基本理論和概念。

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

        (4)可處理真實數(shù)據(jù),生產(chǎn)實際測繪成果。但真實數(shù)據(jù)量大,處理時間較長,時間往往不可控。

        1.3 虛擬仿真系統(tǒng)的特點

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

        (2)實驗數(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)步驟開展實驗,有利于學(xué)生掌握攝影測量基本理論和概念,實驗時間短且可控。

        (3)學(xué)生可在線提交實驗報告,師生可通過平臺上的在線答疑功能進行互動交流,教師在線評分并及時反饋給學(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,可對學(xué)生實驗進度及效果進行全程監(jiān)控。

        (4)實驗?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)實際測繪成果。

        2 實驗教學(xué)效果調(diào)查與評價

        2.1 實驗教學(xué)效果調(diào)查與評價方法

        面向我校測繪工程、地理信息科學(xué)專業(yè)本科生開展了無人機攝影測量學(xué)實驗教學(xué)模式改革對比研究。對照組為實驗教學(xué)改革前的103 名本科學(xué)生,按傳統(tǒng)實驗?zāi)J浇虒W(xué)。研究組為實驗教學(xué)改革后的114 名本科學(xué)生,按虛實結(jié)合實驗教學(xué)模式教學(xué)。

        教學(xué)效果評價主要采用學(xué)生問卷調(diào)查和課程考核成績進行評價(見圖2)。學(xué)生問卷調(diào)查采用匿名全額調(diào)查方式進行,區(qū)分不同組別進行學(xué)生人數(shù)統(tǒng)計。教學(xué)效果評價指標(biāo)主要包括實驗累計作業(yè)時長、自主實驗程度、對無人機攝影測量學(xué)課程教學(xué)的幫助程度、學(xué)生對實驗課的興趣度和滿意度5 個指標(biāo)。實驗累計作業(yè)時長包括課堂計劃課時和課余作業(yè)時間,課余作業(yè)時間由虛擬仿真系統(tǒng)自動統(tǒng)計實際作業(yè)時間。自主實驗程度是指學(xué)生自由選擇實驗時間和地點,自主主導(dǎo)操作,獨立完成實驗的程度,區(qū)分于按實驗計劃安排固定實驗時間和地點及需在老師主導(dǎo)或協(xié)助完成的實驗,分為不能、一般、較大和很大4 個等級,統(tǒng)計賦值分別為1~4。對課程的幫助程度是虛實結(jié)合教學(xué)模式對學(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 個等級,統(tǒng)計賦值分別為1~4。興趣度指學(xué)生對攝影測量實驗項目的感興趣程度及主動進行實驗的程度,未完成全部實驗項目的評定為不感興趣,分為不感興趣、一般、較感興趣和非常感興趣4 個等級,統(tǒng)計賦值分別為1~4。滿意度是指對實驗?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 個等級,統(tǒng)計賦值分別為1~4。課程考核采用理論考試和實際操作考核相結(jié)合的形式,對照組和研究組理論考試試題難易程度相當(dāng),實際操作考核分別對應(yīng)傳統(tǒng)實際操作考核和虛實結(jié)合實驗考核,理論考試成績和實際操作考核成績占總成績的權(quán)重分別為40%和60%。學(xué)生考核成績按分?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 個等級,統(tǒng)計賦值分別為1~5。

        采用統(tǒng)計軟件SPSS 21.0 對調(diào)查數(shù)據(jù)進行處理,對對照組和研究組兩組樣本進行樣本均值t檢驗。根據(jù)統(tǒng)計學(xué)原理,由于兩組調(diào)查數(shù)據(jù)屬于獨立樣本,需要先檢驗兩組調(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,分別使用獨立樣本等方差t檢驗和異方差t檢驗,再依據(jù)t檢驗概率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 評價結(jié)果

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

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

        表3 調(diào)查指標(biāo)均值和標(biāo)準(zhǔn)差

        (1)累計作業(yè)時長在Levene方差齊性檢驗中,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檢驗的顯著性水平Sig.的值為0.000 <0.05,且累計作業(yè)時長均值由1.00提升為3.11,即在對照組和研究組間累計作業(yè)時長具有顯著性差異,且研究組較對照組累計作業(yè)時長大幅增加。

        (2)自主實驗程度在Levene方差齊性檢驗中,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檢驗的顯著性水平Sig.的值為0.000 <0.05,且自主實驗程度均值由1.60提升為3.12,即在對照組和研究組間自主實驗程度具有顯著性差異,且研究組較對照組自主實驗程度明顯增加。

        對課程的幫助程度在Levene方差齊性檢驗中,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檢驗的顯著性水平Sig.的值為0.000 <0.05,且對課程的幫助程度均值由2.43 提升為3.27,即在對照組和研究組間自主實驗程度具有顯著性差異,且研究組較對照組自主實驗程度明顯增加。

        (3)興趣度在Levene方差齊性檢驗中,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,即在對照組和研究組間興趣度具有顯著性差異,且研究組較對照組興趣度略有增加。

        (4)滿意度在Levene方差齊性檢驗中,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,即在對照組和研究組間滿意度具有顯著性差異,且研究組較對照組滿意度明顯增加。

        (5)考核成績在Levene方差齊性檢驗中,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檢驗的顯著性水平Sig.的值為0.004 <0.05,且考核成績均值由3.75 提升為4.13,即在對照組和研究組間學(xué)生考核成績具有顯著性差異,且研究組較對照組考核成績略有提升。

        綜上所述,統(tǒng)計分析結(jié)果表明,虛實結(jié)合實驗教學(xué)模式對實驗累計作業(yè)時長、自主實驗程度、課程教學(xué)的幫助程度、學(xué)生對實驗課的興趣度和滿意度、課程考核成績等調(diào)查指標(biāo)均有不同程度地提高,實驗教學(xué)效果有明顯提升。

        3 結(jié)語

        隨著無人機攝影測量技術(shù)的日趨成熟,攝影測量技術(shù)有了更大的應(yīng)用發(fā)展空間。無人機攝影測量技術(shù)的發(fā)展變化對測繪教學(xué)、科研、生產(chǎn)均產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。無人機攝影測量實驗教學(xué)顯得尤為重要。無人機攝影測量實驗教學(xué)應(yīng)與生產(chǎn)實踐緊密接合,服務(wù)于生產(chǎn)實踐。虛擬仿真技術(shù)和云計算技術(shù)具有網(wǎng)絡(luò)化、開放性和交互性的特點和優(yōu)勢,將虛擬仿真技術(shù)和云計算技術(shù)應(yīng)用于無人機攝影測量實驗教學(xué),可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、開放式實驗教學(xué)。虛實結(jié)合實驗教學(xué)模式,可解決實驗課時不夠、高風(fēng)險、高成本的難題,減少學(xué)校實驗室建設(shè)資金投入,增加學(xué)生實驗時長,提高學(xué)生自主實驗的程度、興趣、滿意度及考核成績,從而增強實驗教學(xué)效果,提高學(xué)生的研究創(chuàng)新和工程實踐能力。但虛擬仿真技術(shù)和云計算技術(shù)應(yīng)用到無人機攝影測量實驗教學(xué),這是一項探索性的系統(tǒng)工程,在實踐課程的體系設(shè)計、實習(xí)實踐環(huán)節(jié)和施教方式等方面還需要進一步改進、完善和優(yōu)化。

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