无人机+实景三维建模技术与摄影测量学相融合的教学模式探讨

丁华 王素君 李如仁

关键词：无人机技术;三维实景建模

摄影测量学是测绘类专业的专业核心课程，其任务是通过本课程的学习，掌握航空摄影测量的基本要求、共线条件方程的原理及应用;了解人造立体视觉产生条件及主要实现方法;掌握单张相片和双象解析的基本原理、方法和公式;掌握数字摄影测量核心理论，包括数字图像处理基础、最小二乘相关和影像匹配等内容;把握从影像获取到生成4D产品的全过程，并了解摄影测量的最新发展方向，为进一步深造以及毕业后从事相关工作打下基础。

摄影测量学发展到现在，已经进入了全数字摄影测量阶段，传统的航空摄影测量技术难以满足人们对影像数据实时性和实效性的要求，因此基于摄影测量学的无人机技术快速发展起来，并成为获取高精度地理数据最常用的技术手段。传统测绘成果大多以4D产品为主，而目前测绘成果的表达则要求具有高精度、真实感强及全景浏览等特点，因此基于无人机倾斜摄影的实景三维建模技术成为目前发展的热点。实景三维英文称为3D IVR，是一种运用数码相机对现有场景进行多角度环视拍摄，然后进行后期缝合并加载播放程序来完成的一种三维虚拟展示技术。实景三维建模技术突破了维度限制，将真实的地物和地貌在地理空间中展现出来，打破4D产品自身的局限性，被广泛应用于自然资源、智慧城市、施工监测及应急指挥等多个领域。无人机及实景三维建模技术是目前摄影测量发展的前沿且潜力巨大，很多高校开设了相关专业的硕、博士点。因此在本科摄影测量学课程中融入无人机和实景三维建模技术，并进行教学模式的探索是十分必要的。

针对将先进技术引入摄影测量学教学的改革问题，很多同行进行了相关研究，也取得了一定的成果。叶欣等指出随着无人机与数码相机技术的发展，基于无人机平台的摄影测量技术占有绝对的优势，因此紧跟社会需要，培养出具备相关实践操作能力的人才是目前摄测测量学课程改革的重要方向;陈建军等人将无人机技术引入摄影测量教学课程中，通过精选项目案例使学生掌握无人机操作及项目实施的主要流程，达到激发学生学习兴趣，提高学生能力的效果;尤号田对无人机技术在摄影测量学课程改革中的应用进行分析，在教学、实习和科研中结合无人机技术，从而提高摄影测量学的教学质量;刘吉凯为了适应摄影测量行业发展，在保留原有的核心内容的基础上，在摄影测量教学中补充了新型航空摄影测量系统、近景摄影测量等新内容。将新科技引入摄影测量教学中，是提高摄影测量教学质量的有效手段，也是以成果为导向教学的需要。

1摄影测量教学存在的问题

摄影测量学涉及高等数学、工程测量、测量平差、数字图像处理、计算机等众多学科。该课程具有原理复杂、内容多且抽象、覆盖范围广等特点，是测量工程专业较难的一门专业必修课程。结合我校多年的教学实践，发现了一系列问题，具体如下：

（1）摄影测量学教学内容滞后于行业发展，缺乏新技术和新理论的渗入。随着近年来新科学、新技术的快速发展，摄影测量学面对的行业发生了巨大的变化，尤其是异军突起的无人机技术解决了传统摄影测量发展的瓶颈问题——设备昂贵和数据不易获取，并以方便、快捷和灵活的特点，成为摄影测量学发展的一个主要方向。目前教学中虽然也引入了一些新技术和新方法，但是教学内容仍以解析摄影测量和数字摄影测量为主，而基于无人机的基本理论和数据处理方法讲解学时很少，因此摄影测量学课程的教学内容需要进行深度调整，从而构建新的摄影测量学课程内容体系。

（2）摄影测量学实践教学与实际应用严重脱钩。过去摄影测量学实践教学多是利用数字摄影测量系统（VirtuoZo平台、Mapmatrix平台等）处理已有的数码航片，由于设备昂贵学生根本不可能参与航摄影像的外业采集过程，此外数字摄影测量工作站需要长时间的专业训练才能完全掌握，生成精度较高的4D产品。现在无人机技术快速发展起来，已经形成了一套成熟的内、外业一体化无人机测量数据采集和处理方法。无人机技术具有外业数据采集设备便宜，内业软件操作自动化高以及生产成果精度高等特点，弥补了数字摄影测量工作站的不足，成为测绘行业采集地理数据的主要方法之一。虽然很多高校购买了无人机设备，但是受摄影测量理论教学内容和学时的束缚，摄影测量实践教学中无人机使用率很低，这与行业实际应用存在很大差距。

（3）不能将摄影测量中的相关理论和本专业实际工程相结合，导致知识仅限于书本上，很难让学生提升学习兴趣。目前摄影测量学仍以理论知识辅以少量实验的教学方法为主，很少让学生参与实际工程项目中，忽视学生实践能力和创新能力的培养。摄影测量学理论知识枯燥，公式很多且内容极为抽象，如果没有足够的学习兴趣，学生很难坚持学习。摄影测量教学与实际应用脱节，学不知其所用是学生丧失学习兴趣，缺乏学习热情的主要原因。因此需要寻找有效的途径将学习与实践紧密结合起来，引入摄影测量学中的新技术和新知识，介绍其发展前沿的内容，从而调动学生的学习积极性。

2摄影测量学新教学模式探索

无人机及实景三维建模技术对于学生来说既新奇也具有很强的实用性，可以极大的激发学生的学习热情，培养学生自主创新的思维及能力。本文探讨将无人机和实景三维建模技术融入摄影测量学课程中，从课堂教学内容体系、教学方法、实践教学体系等三个方面进行新教学模式的探索。

2.1建立新的摄影测量学课程内容体系

传统的摄影测量学课程以模拟、解析和數字摄影测量为主，一般在课程的最后几节介绍一下摄影测量学的前沿内容。模拟和解析摄影测量理论是摄影测量学的理论基础，很多概念和原理被沿用到数字摄影测量和无人机技术中，因此传统的摄影测量理论仍然是课程必讲内容。为了紧跟社会发展和行业应用的需求，在课堂中引入完整的无人机和实景三维建模技术理论，改进教学内容并建立新的摄影测量学课程内容体系。如图1所示，在课堂教学中弱化传统的模拟/摄影测量学基础理论，增加了10个学时的无人机和实景三维建模技术的基知识。在摄影测量学课程内容体系既保留了原有的核心内容，又补充了最新发展趋势，同时也为新实践教学体系的构建打下基础。

2.2探索基于项目驱动的摄影测量教学方法

在理论教学和实践教学中，将相关的科研项目融入摄影测量理论教学和实践教学中，是提高摄影测量学教育质量的有效手段。通过课堂教学，通过图片、视频及PPT等多种方式，全面系统的讲解和演示科研项目完成的全过程，包括项目整体设计思路，外业数据采集、内业数据处理、成果输出及精度控制等（图2）。在对应的实践教学环节则组织学生进行无人机外业实测，并将项目实测数据分发给学生，运用PIE-UAV和PIE-TDModeler软件平台进行无人机数据处理和三维建模，最后输出三维实景模型。让学生亲自参与整个项目的数据采集、处理及建模流程，独立完成各自的任务，这种教学方式极大地提高了学生的学习兴趣，有利于学生对无人机及实景三维建模技术的充分理解和思考，并能将所学知识应用与未来的实际科研和工作中。

2.3构建新的摄影测量实践教学体系

摄影测量的实践教学包括实验和实习两部分，在摄影测量实践教学中引入新的实验项目和实习内容，构建新的实践教学体系。在实验中引入无人机影像数据处理软件认识实验，要求学生掌握其主要功能和数据处理的流程，引入实景三维建模软件学习实验，使学生熟悉软件的组成模块及各模块主要功能，掌握实景三维建模技术的主要操作流程，并利用已有无人机数据建立一个小区域的三维模型;在实习中结合实际项目，借助五镜头无人机外业采集影像，利用航天宏图pie系列软件，对影像数据进空中三角测量、正射校正、影像镶嵌、构建立体模型，最后对生成的实景三维模型的精度进行分析。如图2所示，通过理论一实验一实习的相互配合，将无人机和实景三维建模技术融入摄影测量整个教学体系中，系统地设计实验项目及实习内容，从而构建新的摄影测量实践体系（见下表）。

3结语

摄影测量学是测绘专业的核心课程，随着计算机技术、空间技术和信息技术的快速发展，传统的摄影测量学已经无法适应对应行业现状和社会发展的要求。现代摄影测量已经大大溢出传统的摄影测量的范畴，而无人机技术和实景三维建模技术是目前摄影测量发展的热点。本文将这些技术引入摄影测量学课程中，并将其融入课堂一实验一实习中。这种教学模式能够丰富教学内容，改善教学方法，改进实践教学体系，培养符合行业发展需求、适应性强且有创新思维的高素质测绘人才。