无人机采集数据与数字化教学

摘要：建筑信息建模BIM（Building Information Model））技术在设计阶段，被认为是一个非常有用的工具。通过对无人机的测绘数据进行编程生成点云后，可以确定大小和形狀物体、体积、面积、距离等特征，并进一步重建高质量的模型。基于从BIM技术衍生的AHHIM（Art&humanities heritage information model）技术入手，数字化教学就此凸显出其资源丰富、形式多样、开放式教学、无时空限的制特有优势。现如今，高校用于教学的数字化技术已不限于多媒体演示、视频分享、高校网络教育平台等，无人机扫和三维激光扫描、3D打印技术、现实虚拟技术等可以创建三维空间、实现沉浸式体验的数字化技术也走进课堂。

关键词：无人机、数字化教学、艺术人文遗产信息

概述

无人机扫描可生成点云，通过编程运算导出有真实数值的参数模型，运算过程需要很长时间才能完成。从扫描开始，生成最终的3D模型需要尽可能多的点云数字信息，并将这些信息叠加到模型中。目前用于教育的研究主要集中在自动化流程，学生便捷应用上，3D数字模型从采集数据到3D打印数字模型都比手动方法更高效，也避免了信息和数据的丢失。基于AHHIM的数字化教学主要使用两种主要方法：第一种方法将点云（或3D数字模型）与数据库中已有对象的相关数据库进行比对，也可将扫描数据汇总生成虚拟现实;第二个过程使用点云来执行类型的分类。数字化模型包含其关于几何、物理性质、组成材料等参数信息。从无人机或激光测绘数据采集开始，获得带有信息的数字模型，产生匹配的数字“目录”，在需要时查询。

使用扫描生成技术促进艺术文化遗产的数字化存储，通过在网络上共享模型或实现虚拟、增强现实，为高校研究者、学生提供准确数据信息。3D扫描技术的应用应是在国家实施制造强国战略、新文科背景下艺术人文学科教学的主流趋势。

在摄影测量的数据集的采集阶段，为了使无人机获得一个具有厘米精度的点云数据，并重建一个高质量的，可供艺术人文学科研究及教学的数字模型，图像采集首先应进行三个步骤：首先，图像采集类型的定义、地面采样距离（GSD）的定义和图像重叠的定义;其次，图像采集类型设置为自动航点飞行任务，使无人机进行自动飞行;最后，软件自动计算图像采集计划和任务设置，定义以下参数：飞行路线重叠率和采区域，遵守《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例》（后文简称“条例”）里规定的飞行高度等各种规定，做到符合“公共安全、飞行安全”的要求。以大疆MavicPro为例，SW=真实传感器宽度=128333mm，FR=真实焦距=8.6mm，imW=图像宽度像素5472，imH=图像高度像素3648，垂直飞行的最大飞行高度设置为30米（“条例”规定飞行范围在目视视距内半径500米、相对高度低于120米）。使用飞行规划软件自动执行数据采集对象沿线不同的循环任务，采用20、25和30米的圆形飞行平面图，相机倾斜度设置为70°采集到的飞行图像与地面的其他图像进行集合编程生成点云。3d数据处理可使用Agisoft或非参数化建模软SketchUp、Rhino、Maya、3ds Max 、ZBrush等软件执行。详细阐述过程由三个不同的阶段组成：1. 照片对齐，以图像生成点云时能充分、合理的叠加;你必须有很少的阴影和足够的照明;2.利用图像匹配算法的生成点云;3.生成基于点云的标准网格物（网格是将对象切割为多个“面”）;4.渲染，通过软件还原真实场景、色彩。

学科融合

《建筑模型制作与工艺》（下文简称《建模》）是环境艺术设计教学的一个重要教学环节。建筑模型可以提升设计者的三维空间创造力，也可以用在建筑方案的讨论，便于推敲研究设计方案，也可为艺术人文遗产（AHHIM）进行数字化保存、研究。《建模》传统教学方式是手工或CNN切割制作建筑模型，建筑的相关参数只能通过实地考察、人工丈量的方式进行数据记录，展示课程的知识点仅通过PPT或视频，此方式耗时较长且数值易出现偏差，模型制作工艺难有待提高。数字化教学将倾斜摄影技术、三维激光扫描技术、3D打印技术、现实虚拟技术应用于该课堂，可用倾斜摄影技术进行勘测考察还原真实数值，运用3D打印技术、CNC数控雕刻技术等进行模型制作，运用VR现实虚拟技术进行展示。由此类技术衍生的数字化教学相对传统教学，具有沉浸性、交互性、构想性、仿真虚拟性等特征，可对具有地域性的建筑特征进行多分辨率、多尺度、多时空和多种类的描述。

数字化的模型信息采集和应用是一个过程，几乎包含了相关特征的所有信息，软件生成的点云模型非常适合国家倡导新文科背景下的数字化教学。

参考文献

[1]《基于HBIM的嘉峪关信息化测绘研究 ——以嘉峪关木构建筑为例》，李珂 天津大学，《天津大学2015.12。

[2]《HBIM在建筑遗产勘察数据管理中的应用——以上海张园石库门建筑为例》，张恩铭、曹永康、潘文卓，上海交通大学设计学院，《建筑与文化》2021，（07）。

[3]《人工智能与无人机遥感测绘技术的教学实践》，韩孝强，滨州学院航空工程学院、山东省航空材料与器件工程技术研究中心、滨州市航空光电材料与器件重点实验室，《集成电路应用》2021，38（08）

[4]《无人机数据链半实物仿真实验教学方法探索》王东、王涛、黄克明、李猛、郑臣，陆军炮兵防空兵学院无人机应用系，《实验室研究与探索》 2021，40（08）。

[5]《无人机航拍实训教学基础飞行机型选择与使用研究》，卜清柔，广州民航职业技术学院，《科技风》2021，（26）。

项目：《艺术人文学科与物理、计算机等多学科深度融合的数字化课程建设的探索与实践一一以《建筑模型制作与工艺》课程为例》，2021年度广西高等教育本科教学改革工程项目，项目编号：2021JGB124

作者简介：胡毅（1982-），男，水族，浙江绍兴人，美术学硕士，任职于广西大学讲师，研究方向：雕塑、数字艺术、AHHIM。