蔡 鵬 岳 雄 李笑瑜 艾慧麗 戚文杰 楊文杰

(1. 江蘇航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航空工程學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212134; 2. 江蘇航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 鎮(zhèn)江市無人機(jī)應(yīng)用創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn), 江蘇 鎮(zhèn)江 212134; 3. 武漢兆格信息技術(shù)有限公司, 湖北 武漢 430223)

0 引言

隨著攝影測(cè)量技術(shù)與無人機(jī)應(yīng)用技術(shù)的迅猛發(fā)展,攝影測(cè)量已逐漸為廣大生產(chǎn)單位在實(shí)際生產(chǎn)中使用。無人機(jī)航測(cè)實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生能力培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié),無人機(jī)航測(cè)實(shí)踐教學(xué)包括外業(yè)和內(nèi)業(yè)實(shí)踐教學(xué)兩部分。

文獻(xiàn)[1]提出無人機(jī)航測(cè)多元化教學(xué)模式,能提高學(xué)生的無人機(jī)航測(cè)實(shí)踐創(chuàng)新能力。文獻(xiàn)[2]提出基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出的教育模式(Outcomes-Based Education, OBE)理念的攝影測(cè)量學(xué)實(shí)踐教學(xué)方法,建立了以實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化、平臺(tái)建設(shè)和多元化評(píng)價(jià)方法為核心的攝影測(cè)量實(shí)踐教學(xué)體系,鍛煉了學(xué)生攝影測(cè)量實(shí)踐能力。文獻(xiàn)[3]探索基于桌面云實(shí)驗(yàn)室的攝影測(cè)量實(shí)驗(yàn)的全新開放教學(xué)模式,培養(yǎng)了學(xué)生自主實(shí)踐操作能力。文獻(xiàn)[4]提出特色攝影測(cè)量實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降膭?chuàng)建方案,能幫助學(xué)生理解和掌握攝影測(cè)量理論和技能,并增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力。文獻(xiàn)[5]在攝影測(cè)量實(shí)踐教學(xué)過程中,通過“分組攝影、分片成圖、連成一體”的方式,實(shí)現(xiàn)了校區(qū)無人機(jī)航測(cè)成圖的實(shí)踐教學(xué)工作。文獻(xiàn)[6]對(duì)無人機(jī)攝影測(cè)量課程的實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行了探討,為具備無人機(jī)硬件設(shè)備的攝影測(cè)量學(xué)課程實(shí)踐教學(xué)提供重要參考。文獻(xiàn)[7]探討無人機(jī)航測(cè)內(nèi)業(yè)與外業(yè)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，對(duì)相關(guān)高校和專業(yè)開設(shè)類似實(shí)驗(yàn)具有一定的借鑒意義。文獻(xiàn)[8]對(duì)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育與專業(yè)教育相融合的測(cè)繪工程專業(yè)人才培養(yǎng)模式進(jìn)行了探討。以上無人機(jī)航測(cè)的實(shí)踐教學(xué)模式中，缺乏對(duì)國內(nèi)外航測(cè)內(nèi)業(yè)軟件不同特點(diǎn)進(jìn)行比較的實(shí)踐教學(xué)，缺乏切實(shí)可行的基于手機(jī)近景攝影的三維建模的實(shí)踐教學(xué)。

本文提出一種循序漸進(jìn)的無人機(jī)航測(cè)實(shí)踐教學(xué)模式,分為基本能力實(shí)訓(xùn)和強(qiáng)化能力實(shí)訓(xùn)?；灸芰Φ耐鈽I(yè)實(shí)訓(xùn)通過無人機(jī)地面站設(shè)置2D航線以獲取垂直影像,內(nèi)業(yè)實(shí)訓(xùn)通過DPGrid和Pix4Dmapper軟件生產(chǎn)數(shù)字地圖;強(qiáng)化能力的外業(yè)實(shí)訓(xùn)通過無人機(jī)地面站設(shè)置3D航線以獲取傾斜影像,內(nèi)業(yè)實(shí)訓(xùn)通過Agisoft Metashape和ContextCapture軟件生產(chǎn)3D模型。分模塊按步驟執(zhí)行且人機(jī)交互多的DPGrid和Agisoft Metashape軟件更適合無人機(jī)航測(cè)實(shí)踐教學(xué)。本文通過切實(shí)可行的手機(jī)近景攝影進(jìn)行三維建模的實(shí)踐教學(xué)，以增強(qiáng)無人機(jī)航測(cè)實(shí)踐教學(xué)效果。

1 無人機(jī)航測(cè)的循序漸進(jìn)實(shí)踐模式

本文通過循序漸進(jìn)的實(shí)踐教學(xué)模式,以培養(yǎng)和增強(qiáng)學(xué)生的無人機(jī)航測(cè)實(shí)踐能力。

無人機(jī)航測(cè)外業(yè)通過無人機(jī)地面站設(shè)置2D航線以獲取垂直影像,內(nèi)業(yè)通過DPGrid和Pix4Dmapper攝影測(cè)量軟件進(jìn)行垂直影像處理,利用DPGrid軟件生產(chǎn)數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)、數(shù)字正射影像(Digital Orthophoto Map，DOM)、數(shù)字線劃地圖(Digital Line Graphic，DLG),利用Pix4Dmapper軟件生產(chǎn)數(shù)字地表模型(Digital Surface Model，DSM)、DOM,以培養(yǎng)學(xué)生無人機(jī)航測(cè)實(shí)踐的基本能力,分模塊按步驟執(zhí)行且人機(jī)交互多的DPGrid軟件更適合基本能力的實(shí)踐教學(xué)。

無人機(jī)航測(cè)外業(yè)通過無人機(jī)地面站設(shè)置3D航線以獲取傾斜影像,內(nèi)業(yè)通過Agisoft Metashape和ContextCapture攝影測(cè)量軟件進(jìn)行傾斜影像處理,生產(chǎn)3D模型,以增強(qiáng)學(xué)生的無人機(jī)航測(cè)實(shí)踐能力,ContextCapture軟件的三維重建效果好,分模塊按步驟執(zhí)行過程詳細(xì)的Agisoft Metashape軟件更適合強(qiáng)化能力的實(shí)踐教學(xué)。

2 無人機(jī)航測(cè)基本能力實(shí)訓(xùn)

無人機(jī)航測(cè)外業(yè)通過大疆精靈4 RTK無人機(jī)飛2D航線以獲取垂直影像,內(nèi)業(yè)通過DPGrid和Pix4Dmapper攝影測(cè)量軟件對(duì)垂直影像進(jìn)行處理,生產(chǎn)DEM、DOM、DLG、DSM,以培養(yǎng)學(xué)生無人機(jī)航測(cè)實(shí)踐的基本能力。

DPGrid軟件是數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量網(wǎng)格處理系統(tǒng),為中國工程院院士張祖勛提出并指導(dǎo)研制出的新一代數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)[9-12]。DPGrid主要包括原始資料分析與整理、新建工程、匹配連接點(diǎn)、自由網(wǎng)平差及交互編輯、添加控制點(diǎn)、控制點(diǎn)平差及交互編輯、模型生成、密集匹配、點(diǎn)云處理、DEM生產(chǎn)、DOM生產(chǎn)、DLG生產(chǎn)等部分。

如圖1(a)通過大疆精靈4 RTK無人機(jī)地面站設(shè)置江蘇航院局部范圍的2D航線,即無人機(jī)在一定高度的二維平面飛行且攝像頭垂直向下,并設(shè)置重疊率、飛行速度和高度、返航點(diǎn)等飛行參數(shù)。上述步驟教師先在實(shí)訓(xùn)室課堂上給學(xué)生講清楚,在室外的實(shí)際場(chǎng)景中演示給學(xué)生看,然后,讓學(xué)生親自動(dòng)手進(jìn)行實(shí)際操作。大疆精靈4 RTK無人機(jī)自動(dòng)起飛、自動(dòng)按設(shè)置航線飛行并攝影,完成任務(wù)后自動(dòng)返回。

圖1 DPGrid軟件的DEM生產(chǎn)和DOM拼接

圖1中,大疆精靈4 RTK無人機(jī)自動(dòng)拍攝142幅影像,DPGrid軟件通過匹配連接點(diǎn)、自由網(wǎng)平差及交互編輯、添加控制點(diǎn)、控制點(diǎn)平差及交互編輯、模型生成、密集匹配等主要步驟后生成DEM如圖1(b)所示,上述142幅影像在DEM上經(jīng)過像片糾正生成142個(gè)單片DOM，圖1(c)是其中的20個(gè)單片DOM,然后拼接生成1個(gè)完整的正射影像圖如圖1(d)所示。老師對(duì)上述具體步驟邊講解邊演示,然后,學(xué)生完成相應(yīng)的步驟?？紤]到在普通臺(tái)式機(jī)上142幅影像密集匹配生成DEM時(shí)間長達(dá)幾個(gè)小時(shí)以上,可以在實(shí)訓(xùn)課上直接給出142幅影像已有DEM成果,讓學(xué)生在課上完成142個(gè)單片DOM生產(chǎn)和拼接實(shí)訓(xùn)如圖1(c)～(d)所示。

Pix4Dmapper軟件是由瑞士Pix4D公司研發(fā),是一款集全自動(dòng)、快速、專業(yè)精度為一體的無人機(jī)數(shù)據(jù)和航空影像數(shù)據(jù)處理軟件[13-14]。Pix4Dmapper處理過程完全自動(dòng)化,無需人工干預(yù),可以將上千張影像快速制作成專業(yè)的、精確的二維地圖和三維模型。Pix4Dmapper主要包括初始資料準(zhǔn)備、工程建立與數(shù)據(jù)導(dǎo)入、快速處理檢查(可選)、控制點(diǎn)添加、全自動(dòng)處理等部分,全自動(dòng)處理部分包括初始化設(shè)置、點(diǎn)云加密、DSM和DOM生產(chǎn)。

通過大疆精靈4 RTK無人機(jī)在江蘇航院局部范圍飛2D航線,如圖2(a)所示,自動(dòng)拍攝146幅影像,并利用Pix4Dmapper軟件生成密集點(diǎn)云,如圖2(b)所示,DSM如圖2(c)所示,DOM如圖2(d)所示。其自動(dòng)化程度高、人機(jī)交互少、生成成果質(zhì)量較好。在上述無人機(jī)航測(cè)外業(yè)和內(nèi)業(yè)實(shí)訓(xùn)中,教師先講解和演示具體步驟,然后,學(xué)生再模仿完成相應(yīng)的步驟。由于普通臺(tái)式機(jī)使用Pix4Dmapper軟件生成146幅影像的DSM及DOM成果時(shí)間長達(dá)幾個(gè)小時(shí),因此，選取其中23幅影像,保證學(xué)生能在有限的課堂時(shí)間內(nèi)完成實(shí)訓(xùn)任務(wù)。

圖2 Pix4Dmapper軟件的點(diǎn)云、DSM和DOM生產(chǎn)

Pix4Dmapper軟件自動(dòng)化程度高,人機(jī)交互少,學(xué)生不能體驗(yàn)單片DOM 生產(chǎn)和多個(gè)單片DOM拼接這個(gè)完整的過程;而DPGrid軟件可以讓學(xué)生體驗(yàn)上述過程,使學(xué)生不僅知其然(DOM拼接的最終結(jié)果),而且知其所以然(DOM拼接的整個(gè)過程),能有效培養(yǎng)學(xué)生無人機(jī)航測(cè)的扎實(shí)基本功。

DPGrid軟件功能齊全,通過其立體影像測(cè)圖模塊可實(shí)現(xiàn)DLG生產(chǎn),這是Pix4Dmapper等其他攝影測(cè)量軟件所不具備的。如圖3所示,DPGrid軟件利用立體影像測(cè)圖功能通過對(duì)道路、房屋等地物的三維坐標(biāo)采集,獲取局部的一個(gè)立體對(duì)像[圖3(a)]的DLG成果，如圖3(b)所示。實(shí)訓(xùn)課上,教師講解并演示如何利用一個(gè)立體像對(duì)獲取相應(yīng)的局部區(qū)域的DLG成果,然后,學(xué)生處理完成全部立體像對(duì)的DLG采集及相鄰像對(duì)之間的接邊,最終生產(chǎn)出完整的DLG,這樣可以培養(yǎng)學(xué)生利用攝影測(cè)量軟件生產(chǎn)DLG的基本能力。

圖3 DPGrid軟件的DLG生產(chǎn)

3 無人機(jī)航測(cè)強(qiáng)化能力實(shí)訓(xùn)

無人機(jī)航測(cè)外業(yè)通過大疆精靈4 RTK無人機(jī)飛3D航線以獲取傾斜影像,內(nèi)業(yè)通過Agisoft Metashape和ContextCapture攝影測(cè)量軟件對(duì)傾斜影像進(jìn)行處理,生產(chǎn)3D模型,以增強(qiáng)學(xué)生的無人機(jī)航測(cè)實(shí)踐能力。

Agisoft Metashape軟件是Agisoft PhotoScan軟件的后續(xù)版本,Agisoft Metashape軟件是基于最新的多視圖3D重建技術(shù),圖像對(duì)齊和3D模型重建都是自動(dòng)的,其工作流程完全自動(dòng)化[15]。Context Capture軟件是一個(gè)三維建模軟件,是在其前身Smart3DCapture技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新的軟件解決方案,從拍攝的照片生產(chǎn)出高分辨率的3D模型,無需任何人工干預(yù)[13-16]。

本文通過讓學(xué)生用手機(jī)對(duì)江蘇航院中某個(gè)物體進(jìn)行圍繞拍攝,然后,利用Agisoft Metashape軟件和ContextCapture軟件進(jìn)行三維重建,生產(chǎn)相應(yīng)3D模型,并進(jìn)行效果比較,可以讓學(xué)生對(duì)基于無人機(jī)航測(cè)的三維重建有一個(gè)直觀認(rèn)識(shí)。

如圖4所示,教師讓學(xué)生通過手機(jī)圍繞江蘇航院校園中路牙角落的石頭拍38幅影像,也可以讓學(xué)生選擇其他物體進(jìn)行手機(jī)攝影,這樣可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生主觀能動(dòng)性。然后,教師分別通過Agisoft Metashape軟件和ContextCapture軟件對(duì)上述石頭場(chǎng)景的影像進(jìn)行三維重建,對(duì)軟件步驟邊講解邊演示,并安排足夠時(shí)間給學(xué)生完成相應(yīng)步驟。

圖4 手機(jī)攝影三維重建效果

上述兩種軟件操作過程不一樣, Agisoft Metashape軟件可以分為點(diǎn)云生成、網(wǎng)格生成和紋理生成等主要步驟,每步都產(chǎn)生相應(yīng)的中間結(jié)果,先后生成石頭場(chǎng)景的稀疏點(diǎn)云、加密點(diǎn)云、網(wǎng)格模型和帶紋理的網(wǎng)格模型，如圖4(a)所示。這些中間結(jié)果的生成參數(shù)都可以分別設(shè)置,生產(chǎn)步驟較為詳細(xì),這樣可以加深學(xué)生對(duì)三維重建的基本步驟的理解和操作(圖5);而ContextCapture軟件自動(dòng)化程度高,且使用上具有一定的專業(yè)技巧性,軟件直接生成最終的帶紋理的網(wǎng)格模型如圖4(b)所示,不能加深學(xué)生對(duì)三維重建的基本步驟的理解和操作。

圖5 Agisoft Metashape軟件的部分操作流程

關(guān)于江蘇航院某局部場(chǎng)景,Agisoft Metashape軟件和ContextCapture軟件對(duì)石頭部分的三維重建質(zhì)量整體上都挺好,但對(duì)與石頭的幾何特征不同的路牙部分,ContextCapture軟件重建質(zhì)量比Agisoft Metashape軟件好,這樣可以讓學(xué)生對(duì)這兩種軟件三維重建效果有個(gè)直觀比較,從而增強(qiáng)對(duì)這兩種三維重建軟件的理解和操作。

在江蘇航院某局部場(chǎng)景中，如圖6(a)所示,通過大疆精靈4 RTK無人機(jī)地面站設(shè)置3D航線(即井字路線),橫向和縱向航線位置的攝像頭分別傾斜一定角度,總共拍攝227幅影像。圖6(a)是通過ContextCapture軟件重建江蘇航院局部區(qū)域的3D模型,圖6(b)和(c)分別是Agisoft Metashape軟件和ContextCapture軟件進(jìn)行三維重建的局部效果圖,可以看出ContextCapture軟件比Agisoft Metashape軟件三維重建效果好。通過這兩種軟件的建模效果比較,能增強(qiáng)學(xué)生對(duì)無人機(jī)航測(cè)影像的三維模型重建過程的理解和操作。

圖6 無人機(jī)攝影三維重建效果

4 結(jié)束語

本文提出一種循序漸進(jìn)的無人機(jī)航測(cè)實(shí)踐教學(xué)模式,分為基本能力實(shí)訓(xùn)和強(qiáng)化能力實(shí)訓(xùn)。基本能力的外業(yè)實(shí)訓(xùn)通過設(shè)置2D航線以獲取垂直影像,內(nèi)業(yè)實(shí)訓(xùn)利用DPGrid和Pix4Dmapper軟件生產(chǎn)DEM、DOM、DLG、DSM,分模塊按步驟執(zhí)行且人機(jī)交互多的DPGrid軟件更適合基本能力的實(shí)踐教學(xué);強(qiáng)化能力的外業(yè)實(shí)訓(xùn)通過設(shè)置3D航線以獲取傾斜影像,內(nèi)業(yè)實(shí)訓(xùn)通過Agisoft Metashape和ContextCapture軟件生產(chǎn)3D模型,ContextCapture軟件的三維重建效果好,分模塊按步驟執(zhí)行且入門更容易的Agisoft Metashape軟件更適合強(qiáng)化能力的實(shí)踐教學(xué)。