羅顯圣

（貴州交通職業(yè)技術(shù)學院 建筑工程系，貴州 貴陽 550008）

0 引 言

近年來，教育部等部門在職業(yè)教育提質(zhì)培優(yōu)行動計劃的有關(guān)通知中提出要順應(yīng)科技革命的需求，以“信息技術(shù)+”升級傳統(tǒng)專業(yè)，要求職業(yè)教育示范性虛擬仿真實訓(xùn)基地要依托虛擬現(xiàn)實和人工智能等信息技術(shù)的不斷提升，促進實訓(xùn)設(shè)施“以實帶虛、以虛助實、虛實結(jié)合”，促進教育教學改革高質(zhì)量發(fā)展。

無人機航空攝影測量課程需要系統(tǒng)學習無人機實操、航空影像獲取、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及三維建模等知識。大多數(shù)設(shè)置測繪地理信息相關(guān)專業(yè)的高校均已開設(shè)了無人機航測相關(guān)實訓(xùn)課程，而無人機航測的戶外實操，對起降場地和周邊空域的要求非常高，同時具有一定的危險性，墜機和傷人事件時有發(fā)生，存在很大的安全隱患，從而導(dǎo)致了學生戶外實操環(huán)節(jié)缺失，沒有完全參與整個無人機航空攝影測量的作業(yè)流程，相關(guān)課程的教學及實訓(xùn)效果到不到預(yù)期。

1 無人機航空攝影測量模擬系統(tǒng)的介紹

無人機航空攝影測量模擬系統(tǒng)主要包括：豐富地形地貌的沙盤、高精度“工”字形軌道、軌道及相機運轉(zhuǎn)的控制系統(tǒng)、軌道及曝光控制軟件等組成。

1.1 豐富地形地貌的模擬沙盤

模擬沙盤的長寬尺寸是7 m×5 m，有住宅小區(qū)、學校、工業(yè)區(qū)、道路、河流、山坡、休閑公園等豐富的地物地貌信息，高度接近生產(chǎn)項目，便于后期采取影像數(shù)據(jù)和建立三維模型，生產(chǎn)4D數(shù)字測繪產(chǎn)品。

在模擬沙盤外圍四周設(shè)置架設(shè)全站儀的控制點，便于學生利用全站儀進行控制測量、數(shù)字地形圖測繪、土石方測量的相關(guān)實訓(xùn)，實現(xiàn)實訓(xùn)室共建共享，避免重復(fù)建設(shè)。

模擬實訓(xùn)室內(nèi)建有LED大屏幕，航測數(shù)據(jù)處理軟件建好的三維立體模型，可以進行演示和匯報，如圖1所示。

圖1 LED屏幕展示三維立體模型

1.2 高精度“工”字形軌道

高精度“工”字形軌道系統(tǒng)主要由兩根平行的直線導(dǎo)軌以及一根安裝于兩條平行直線導(dǎo)軌之上的橫梁組成，在5 m×7 m模擬沙盤的外圍用鋼架外框加固，設(shè)置四個立柱支撐，立柱上安裝高強度軌道，兩個平行軌道中間設(shè)置可移動橫梁，配置步進電機控制軌道的運行，詳如圖2所示。

圖2 高精度“工”字形軌道

1.3 軌道及相機運轉(zhuǎn)的控制系統(tǒng)

軌道運行系統(tǒng)由兩個電機控制，電機控制軌道橫梁的運行速度以及相機位移的速度和距離，航線設(shè)計軟件控制橫梁的速度，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 軌道及相機運轉(zhuǎn)的控制系統(tǒng)

1.4 軌道及曝光控制軟件

無人機航空攝影測量模擬系統(tǒng)軌道上設(shè)置有一根橫梁，控制軟件設(shè)置好橫梁的縱向位移速度，相機在橫梁上勻速移動，然后定時定距曝光，這樣相機運行和曝光的軌跡形成個“工”字，模擬無人機在上空飛行，呈“S”形往返。當相機運行到曝光的時間，航線軟件上可以定位曝光點的坐標，類似于模擬的GPS定位。如圖4所示為軌道及曝光控制系統(tǒng)。

圖4 軌道及曝光控制系統(tǒng)

無人機航空攝影測量模擬系統(tǒng)有效的控制航向重疊率和旁向重疊率，所用的數(shù)字相機CCD的尺寸為35.8 mm×23.9 mm，攝像頭距地面相對高度是3 m，軌道在運行過程中航向重疊度為70%，旁向重疊度為35%，相鄰航線間隔2 m，航線長度5 m，能進行4條航線的飛行。

無人機航空攝影測量模擬系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)還包括：影像傳輸、組合導(dǎo)航系統(tǒng)POS、數(shù)碼相機集成檢校軟件、空中三角測量軟件、全數(shù)字多元影像處理系統(tǒng)、遙感影像核線生產(chǎn)軟件、不同轉(zhuǎn)角系統(tǒng)轉(zhuǎn)換軟件等。無人機航空攝影測量模擬系統(tǒng)采用信息化技術(shù)控制攝像頭在模擬沙盤上空的模擬飛行，實現(xiàn)了打破空間限制，杜絕無人機安全隱患，實現(xiàn)室內(nèi)的教學和實訓(xùn)。

2 無人機航空攝影測量模擬系統(tǒng)的優(yōu)勢

無人機航空攝影測量模擬系統(tǒng)可以有效地防止墜機和傷人事件的發(fā)生，杜絕在實訓(xùn)環(huán)節(jié)的安全隱患。同時，融入了無人機航空攝影過程及影像數(shù)據(jù)的處理。由于受到數(shù)字航空攝影儀及飛行器械的限制，攝影測量教學過程中很少涉及航空攝影過程中航線設(shè)計、相機操作以及航空影像初級處理的過程，該實驗系統(tǒng)結(jié)合實際的航空攝影過程，加入了航線設(shè)計、航空補拍、影像質(zhì)量檢查、勻色勻光等實驗內(nèi)容。

無人機航空攝影測量模擬系統(tǒng)實現(xiàn)了打破空間限制，不管天干下雨都可以室內(nèi)進行教學和實操。同時，利用室內(nèi)的地形地貌沙盤，讓學生自主設(shè)計控制網(wǎng)及布設(shè)控制點，培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性。在軌道系統(tǒng)中加入了虛擬GPS的內(nèi)容，以利于開展GPS輔助空中三角測量的實驗內(nèi)容。

無人機航空攝影測量模擬系統(tǒng)融入了攝影測量、地形測量、三維建模方面的實訓(xùn)內(nèi)容。模擬系統(tǒng)除了具有攝影測量的教學內(nèi)容之外，還能利用室內(nèi)豐富的地形地貌沙盤進行地形測量方面的教學實驗，同時，利用數(shù)字攝影測量工作站獲取的“4D”數(shù)據(jù)，還能進行三維建模、紋理映射、空間分析等方面的教學實驗。

3 無人機航空攝影測量模擬系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 打破空間限制

無人機航空攝影測量模擬系統(tǒng)采用信息化技術(shù)控制攝像頭在模擬沙盤上空的模擬飛行，實現(xiàn)了打破空間限制，杜絕無人機安全隱患。同時滿足了以“信息技術(shù)+”升級傳統(tǒng)專業(yè)，依托虛擬現(xiàn)實和人工智能等信息技術(shù)的不斷提升。

3.2 促進“理虛實一體化”模式實訓(xùn)中的應(yīng)用

無人機航測實訓(xùn)室配套采購了大量的硬件設(shè)備，主要包括航測無人機大疆M600一臺、大疆精靈4RTK三臺、大疆御2專業(yè)版無人機35臺、航測軟件及視頻制作軟件等。實現(xiàn)理論教學、虛擬實驗和實物實訓(xùn)的有機融合。虛實結(jié)合為教學服務(wù)，滿足無人機航測技術(shù)方向的課程的教學需求。實訓(xùn)設(shè)施“以實帶虛、以虛助實、虛實結(jié)合”，促進教育教學改革高質(zhì)量發(fā)展。航測軟件建三維模型如圖5所示。

圖5 航測軟件建三維模型

3.3 滿足課程教學需求

無人機航測教學具有很強的靈活性、安全性、自主性、隨時隨地為學生提供模擬實訓(xùn)的平臺，有利于調(diào)動學生實操的積極性、增強學習專業(yè)知識的趣味性立足無人機航空攝影測量知識的教育培養(yǎng)，以攝影測量員、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理員的生產(chǎn)與崗位需求為目標，職業(yè)能力構(gòu)建為基礎(chǔ)，與無人機航測生產(chǎn)單位廣泛進行校企合作，實施“工作過程導(dǎo)向，真設(shè)備、真環(huán)境、真項目、真成果、真考核”的職業(yè)能力訓(xùn)練人才培養(yǎng)。

3.4 為提高師資水平和推動教學改革服務(wù)

無人機航空攝影測量模擬系統(tǒng)有利于提高師資水平和推動教學改革，促進專業(yè)教學設(shè)計、教學方式、教學方法的改革創(chuàng)新，推動教學高質(zhì)量發(fā)展。促進與企業(yè)合作，建成技術(shù)裝備先進的校內(nèi)外生產(chǎn)性實訓(xùn)環(huán)境，開發(fā)生產(chǎn)性實訓(xùn)項目，在真實工作任務(wù)環(huán)境中，建成融教學與生產(chǎn)為一體的高技能人才培養(yǎng)基地，為地理國情普查、監(jiān)測、國土規(guī)劃、基礎(chǔ)測繪以及區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展提供更多高技能型人才支持。

3.5 有利于助力鄉(xiāng)村振興

無人機航空攝影測量模擬系統(tǒng)虛實結(jié)合的應(yīng)用，有利于深入調(diào)研鄉(xiāng)村村情村貌，航拍傳統(tǒng)文化村落保護與發(fā)展現(xiàn)狀、當?shù)芈糜萎a(chǎn)業(yè)發(fā)展的情況。大力宣傳具有濃厚地域和民族特色的文化內(nèi)涵，帶領(lǐng)農(nóng)村群眾一起下好旅游產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級高質(zhì)量發(fā)展這盤棋，開創(chuàng)百姓富生態(tài)美多彩鄉(xiāng)村新未來。

3.6 打造無人機航測方向的課程的培養(yǎng)基地

借助現(xiàn)有的無人機航空攝影測量實訓(xùn)室硬件和軟件條件，充分調(diào)動專業(yè)教師的積極性，精心打造特色課程，推進課程育人。積極申報無人機應(yīng)用方向的“三全育人”課程試點，進一步優(yōu)化和完善素質(zhì)拓展課程體系，修訂全生源人才培養(yǎng)學分制框架方案，一二課堂和特色課程學分互換，學分互認，構(gòu)建課上課下、線上線下協(xié)同育人機制。開展第二課堂特色實踐課程，推動實踐育人厚基工程，是通過開展各類特色課程、項目、活動，作為對第一課堂和第二課堂的有效補充，開發(fā)特色選修課程、項目發(fā)掘?qū)W生興趣，提升實踐動手能力，使學生善進退、能獨立、有特長、知榮辱、懂禮節(jié)、敢擔當。為推動學院“三全育人”試點工作服務(wù)，打造無人機航測方向的三全育人課程的培養(yǎng)基地。

3.7 提升系部社會服務(wù)能力

（1）加強校企合作，充分利用協(xié)調(diào)創(chuàng)新中心機房進行航測數(shù)據(jù)處理。學校與生產(chǎn)單位建立專業(yè)生產(chǎn)實操基地，利用寒暑假，節(jié)假日與單位合作生產(chǎn)，合作模式可為單位外包項目給學校，也可是雇傭?qū)W校場地和學生進行生產(chǎn)，共同開發(fā)2個生產(chǎn)性實訓(xùn)項目。通過校企合作，師生參與企業(yè)生產(chǎn)項目，讓教師革新教學觀念，更新教學方法與內(nèi)容，讓學生零距離接觸生產(chǎn)，全面提高學生綜合素質(zhì)。

（2）面向測繪、水利、國土資源、城市規(guī)劃、交通、石油、電力、煤炭等行業(yè)生產(chǎn)第一線，具有誠信品質(zhì)、敬業(yè)精神，責任意識，并能夠從事地形圖測繪、像片控制測量、像片調(diào)繪、解析空中三角測量、航測內(nèi)業(yè)成圖、遙感圖像處理等生產(chǎn)工作和組織管理工作，為國民經(jīng)濟建設(shè)和社會事業(yè)服務(wù)提供可靠測繪信息的高技能人才。

3.8 推動社會培訓(xùn)

在現(xiàn)有的條件下，逐步完善硬件軟件條件，輔助學校開設(shè)相關(guān)專業(yè)組建校外培訓(xùn)班，培訓(xùn)社會人才以及兄弟院校學生，為生產(chǎn)單位輸送人才，建立學校自己的人才資源庫，試點開展無人機操控社會培訓(xùn)：

（1）室內(nèi)理論培訓(xùn)。理論部分理論教學內(nèi)容主要包括民航法律法規(guī)與空域申請、氣象條件等飛行環(huán)境的選擇、空氣動力學、無人機系統(tǒng)飛行原理等內(nèi)容，通過理論知識教學，培養(yǎng)學生對于無人機系統(tǒng)的學習興趣，使學生掌握無人機系統(tǒng)基本原理，達到可完成實際無人機系統(tǒng)作業(yè)操作的能力。學生掌握航空飛行器的基本理論知識以及無人機飛行要點，同時，掌握無人機簡單維修、保養(yǎng)等相關(guān)能力；通過系統(tǒng)的學習，具備取得 AOPA 認證、測繪資質(zhì)從業(yè)資格證認證的能力。

（2）室外實操飛行培訓(xùn)部分。室外實操飛行培訓(xùn)，主要用于鞏固室內(nèi)培訓(xùn)的理論知識和手動控制飛機的能力，主要用于掌握測繪無人機飛行要點及遙感數(shù)據(jù)采集要點。通過前期室內(nèi)模擬環(huán)境下完成無人機的操控入門，將模擬練習結(jié)合實際飛行，為了降低教學成本采用訓(xùn)練機進行教學，從模擬飛行向?qū)嵱?xùn) 飛行轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)真正的飛機操控，積累實際飛行經(jīng)驗。后期熟悉室內(nèi)操作后可通過外場實際操作演練逐步達到一個合格飛手水平。

無人機航空攝影測量模擬系統(tǒng)實現(xiàn)了打破空間限制，可以有效地防止墜機和傷人事件的發(fā)生，杜絕在實訓(xùn)環(huán)節(jié)的安全隱患。以“信息技術(shù)+”升級傳統(tǒng)專業(yè)，促進“理虛實一體化”模式在攝影測量實驗實習實訓(xùn)中的應(yīng)用，在教學中的應(yīng)用有明顯的優(yōu)勢。無人機航空攝影測量模擬系統(tǒng)模擬獲取下方模擬沙盤的影像數(shù)據(jù)，然后可以下傳影像數(shù)據(jù)，對其進行空三加密、三維建模等數(shù)據(jù)處理，可以用軟件生產(chǎn)DOM、DEM、DLG等數(shù)字測繪產(chǎn)品，從而實現(xiàn)教學、演示、實訓(xùn)，虛實結(jié)合的目的，推動教育教學高質(zhì)量發(fā)展。同時加強了學生對測繪地理信息新技術(shù)、新工藝、新方法的應(yīng)用，極大地提高學生的職業(yè)技術(shù)水平，提升學生的就業(yè)核心競爭力，拓寬學生的就業(yè)面。