基于小型低空无人机的摄影测量学实践教学内容的改革研究

张筌豇 胡运海 李高杰

摘 要：目前，无人机摄影测量被广泛运用于各领域中。将小型低空无人机引入摄影测量实践教学，能使学生在校期间掌握无人机航测的全过程，更好地适应在无人机航测生产方面的社会需求。本文基于小型低空无人机航测，以绵阳师范学院校园作为无人机数据采集的实训场地，提出遥感科学与技术专业摄影测量学实践教学模式，并对课程改革后的教学环节给出相应的改革办法。

关键词：小型低空无人机；摄影测量学；实践教学；教学改革

Abstract：Unmanned aerial vehicle （UAV） photogrammetry is widely used in various fields at present.Introducing small low altitude UAV into practical teaching of photogrammetry can enable students to master the entire process of UAV surveying in college and better adapt to the social needs in UAV surveying production.Based on small low altitude UAV survey，this paper takes the campus of Mianyang Normal University as the training venue for data collection，proposes a practical teaching model for photogrammetry in remote sensing science and technology，and provides corresponding reform methods for the teaching process after the curriculum reform.

Keywords：Small low altitude unmanned aerial vehicle;Photogrammetry;Practical teaching;Teaching reform

1 概述

摄影测量学是绵阳师范学院遥感科学与技术专业的一门专业核心课程，该课程内容抽象枯燥、逻辑严密［1］。基于以往的摄影测量课程教学，学生在学习过程中基本存在对重、难点的理解不足，学习兴趣不够，实践能力不足，以及不能主动学习等诸多问题。同时，实践教学仍主要采用室内成果图件制作方式开展教学，缺乏室外影像图件的采集环节，无法形成影像、数据采集—处理成图的完整实践教学环节。

现阶段，社会对无人机摄影测量人才的需求日益增大，且绝大多数高等院校在相关专业的实践教学课程中均逐渐在推广低空无人机的摄影测量教学。小型低空无人机摄影测量系统具有体积小、维护成本低、分辨率高等特点，且飞行高度低、操作方便以及局限性小，被广泛应用测绘、地理国情监测、地质灾害防治、矿山资源与环境保护等各领域。

将小型低空无人机作为实用性、可操作性非常强的技术引入课堂实践教学，可实现校内无人机航测成图的实践教学工作，使学生在校期间熟悉无人机影像获取至图形输出的整个过程，让学生掌握当下摄影测量的一门主流技术，更好地适应在无人机航测方面的社会需求。课程实践教学改革以后，学生能通过实践回归对教材的理解，激发学生在摄影测量学方面的浓厚兴趣，变被动学习为主动学习。

2 教学改革的思路

我校摄影测量学的教学环节包括理论教学和实践教学。在理论教学方面，由于摄影测量学涉及众多的基本概念，且贯穿整个课程的公式推导以及计算较多，对学生的数学功底要求较高。而我校作为以师范为主的普通地方型本科院校，招收的遥感科学与技术专业的学生数学基础普遍较为薄弱，且在大学期间对高等数学、线性代数等数学知識的学习较浅，在理解摄影测量学的部分知识点上相对较为困难。摄影测量学主要解决由二维像点坐标计算三维的地面点坐标［2］，涉及三维立体图形、坐标系的坐标旋转转换等知识，空间关系较为复杂，需要学生具有较强的空间能力、推导能力以及辩证能力。同时，摄影测量学涉及多种学科，学科之间交叉融合后，学生如果难以掌握课程的主要内容，会逐渐失去信心，产生不良情绪。

我校摄影测量学仍采用理论与实践相结合的方式，培养学生基本理论知识与基本技能，实践教学一直是室内数据处理与成果图件的制作。随着无人机航测技术的发展，无人机已成为常见的数据获取手段，引入无人机测绘技术的实践教学，学生可更好地适应在无人机航测生产方面的社会需求。对于我校而言，较大型的无人机普遍价格较为昂贵，由于经费有限，不容易支付，教师仅能够从理论上讲解无人机的相关知识；较为大型的无人机通常体积过大，在实施无人机实践教学时，在学校场地无法完成无人机的起降，对实践教学造成诸多困难；在进行较为大型的无人机航摄影像采集前，按照我国航空摄影的规章制度，需向当地航空主管部门申请升空权，相关手续烦琐，待空管部门审批后在申请的时间范围内进行航飞，可能与本课程实践教学时间不一致。

由于小型低空无人机体积小、飞行高度低、飞行时间短且操作简单，能较快较好地获取影像，在飞行任务前不需要完成相关烦琐手续，同时，还能将我校校园作为摄影测量实践教学场地，利用学校场地进行影像的数据采集工作，便于开展常态化的实践教学工作。将小型低空无人机相关知识引入实践教学，不仅能完善实践教学环节，让学生充分学习无人机航测的外业与内业全过程，还能加强学生的实践技能，激发学生在摄影测量学方面的浓厚兴趣，培养适应当下的应用型人才，更好地适应社会的需求。

3 小型低空无人机摄影测量实践教学模式

摄影测量学实践教学的目的主要是让学生具备影像信息获取及其信息识别、处理、提取和表达的知识与技能［3］，能够利用计算机将数字/数字化影像数据进行图像处理获得各种形式的数字产品和可视化产品，最终了解影像获取到成图的全过程，解决相关的工程问题。因此，将摄影测量学实践教学分为：无人机航摄影像获取、数据处理与成果输出。

3.1 无人机航摄影像获取

采用大疆小型无人机作为实践教学的实验设备，校园作为无人机的实践教学场地，向学生介绍该无人机的组成、无人机的飞行原理及操纵技术，让学生对无人机构成、飞行模式、操作有充分的了解，并对学生进行操纵练习，让他们能熟练掌握无人机的操控技术。

重点向学生讲授无人机航线规划、像片控制点布设、无人机智能飞行、无人机影像质量检查等知识，让学生能掌握无人机影像获取的知识、操作流程，利用学校实训场地进行航线规划以及完成无人机航测影像数据的采集工作。影像数据采集后，让学生利用所学的飞行质量检查与影像质量检查知识，完成影像成果的质量检查。

3.2 数据处理与成果输出

學生完成影像数据获取后，采用DoubleGrid无人机航测软件进行无人机数据处理的室内实践教学。该实践教学包含空中三角测量、数字高程模型（DEM）生成、数字正射影像图（DOM）生成、数字线划地图（DLG）生成几方面内容。

空中三角测量过程主要是通过影像数据导入相机参数设置并进行相应的处理，即内定向处理，实现对无人机原始影像的像片畸变纠正并构建摄影瞬间的投影光束。对影像数据进行特征点提取及特征匹配，即相对定向过程，通过同名像点坐标解算出两张影像之间的相对定向元素，构建与实地相似的立体模型。进行像片控制点导入与编辑处理，实现影像上的像点与对应地面点的相互关联，通过空中三角测量平差处理，实现解析法绝对定向，解算绝对定向元素，构建与实地一致的立体模型，并解算出控制点所在坐标系下每张像片的外方位元素，最终由空中三角测量结果导出立体模型。通过该实践教学环节，学生能够掌握无人机原始影像的数据处理、空中三角测量的平差解算、立体模型生成等技能，加深对像片方位元素、相对定向、绝对定向等理论知识的理解。

DEM是地形起伏的数字化表达，常用一系列地面点的平面坐标X、Y以及该点的高程Z组成的数据阵列［4］。DEM作为地面信息的一种数字表达形式，能直观地展示地表高程起伏，存储的信息包括地形图无法容纳与表达的垂直分布地物信息，可方便地转换成与遥感有关的其他形式的数字产品或可视化产品［5］。学生利用DoubleGrid软件中的DemMaker模块，自动生成DEM数据，同时在DemEdit模块下对DEM格网点进行编辑修改，制作出合格的数字高程模型（DEM）。

数字正射影像（DOM）是利用数字高程模型（DEM）对航空像片或遥感影像经逐个像元进行投影差改正，再按影像镶嵌，根据图幅范围裁剪生成的影像［6］。DOM精度高、信息量大、地物直观、灰度准确、制作时间短、易于判读，可按需要对DOM比例尺进行任意调整与输出，是一种广受欢迎的地图产品类型，被广泛应用在城市规划、地籍测量、土地管理等方面。数字正射影像制作作为遥感科学与技术专业必备的技能，学生通过该课程实践，可掌握DOM制作原理以及利用DoubleGrid软件进行DOM生产生成正射影像以及拼接线，对拼接线进行编辑后输出正射影像图。

数字线划地图（DLG）是摄影测量的主要数字化地图产品之一，是按一定比例尺将测区内各地物和地貌要素缩小后，经制图综合以点、线、面形式和地图特定图形符号形式，表达地形要素的地理信息矢量数据集。学生通过该课程实践，利用DoubleGrid软件采集模型的各种地物、地貌要素，最终形成DLG成果图件。

3.3 实践教学模式

基于大疆小型低空无人机与武汉大学DoubleGrid无人机航测软件，通过对实践教学内容的改革研究，形成我校遥感科学与技术专业摄影测量学的实践教学模式（见图1）。通过航飞采集数据，充分学习无人机航测的相关知识、技能以及能力，从而得到充分锻炼。利用无人机采集的数据资料进行产品制作，形成完整的无人机航测的摄影测量学实践环节。

4 教学环节的改革措施

将小型低空无人机应用到摄影测量学的实践教学中，让学生在短时间内学习到无人机从飞行—成果输出的全过程，学生可进行摄影测量数字产品及可视化产品的制作，也能进行三维城市建模、三维景观重建等，实现摄影测量学较为完整的实践训练，同时也对教学的各环节提出了新的要求。

4.1 教学内容的改革

随着摄影测量学的广泛应用与创新，将理论融入实际并提高学生实践能力则尤为重要。由于摄影测量学的专业性极强，对学生专业知识要求较高，为了适应当代摄影测量技术的发展与应用，引入小型低空无人机实践教学后，在理论知识方面可适当弱化数学公式、空中三角测量、单张像片解析等部分难以理解的知识的讲解，以课程实践来反哺教学，学生通过实践去加深对理论知识的理解，让理论与实践充分融合，同时在教学上更加注重航摄项目设计能力、动手能力以及应用能力的培养，引入无人机航测典型案例库，通过典型案例了解摄影测量学实际应用，突出学生的应用能力。由于无人机摄影测量相关知识能让学生紧跟目前流行，通过课程改革后更能激发学生的学习兴趣，培养学生的应用能力、创新能力，让摄影测量学课程与我校“师范做强、艺体做精、应用做实”的发展方略更契合。

4.2 教学方法的改革

在进行摄影测量学实践教学改革以前，我校遥感科学与技术专业实践均是在室内采用现成的样例数据进行成果图件的绘制，学生对于航测影像如何获取基本不了解，单一的室内实践也容易使学生感觉枯燥，导致学生能动性不足。实施课程改革后，学生能参与摄影测量从数据采集—成果输出的全过程，绝大多数学生对无人机航测非常感兴趣，学生能主动地查阅、学习相关知识与技能，有效提高了学生学习的主动性。然而，进行实践教学改革后也将对教师的教学方法做出改变，让教师为主角转变为学生当主角，充分发挥“学生为中心”的教学理念，通过分组的形式，让学生主动思考、相互协商，提出各组的具体航摄方案，组与组之间充分讨论后，进行无人机航摄的数据采集工作，充分发挥学生的主导作用。还可引入无人机航测的经典案例，建立案例库，让学生自主学习经典案例，紧贴实际应用与生产，让学生能够掌握更多的工程实践技能，培养出遥感领域的应用性人才。

4.3 考核方式的改革

目前，我校摄影测量学考核方式采用过程性考核与结果性考核，摄影测量学实践课程属于过程性考核的一部分。在课程改革以前，摄影测量学实践课程考核基本采用上机操作与实验报告的形式综合评定学生实践考核成绩。然而，这种考核方式难以体现学生的主动学习以及实践应用能力，不能充分达到实践教学的目的。因此，课程实践考核可以更多地考虑学生主动思考、主动学习等因素，通过对学生视频案例的自主学习、航摄任务设计与讨论、航摄的实施以及成果制作等全过程考核，综合评定学生的实践课程成绩，不仅提高了学生的参与度以及综合能力，还能促使学生主动学习、相互探索、相互总结，让摄影测量学实践课程的教学质量得到进一步提高。

结语

本文根据教学改革思路，提出了本课程实践教学模式。在今后的教学工作中，教学内容、教学方法、考核方式还需不断调整完善，学生通过摄影测量学实践课程学习后，其自主学习能力、实际应用能力、工程技能等将会进一步提高。

参考文献：

［1］柏春岚.《摄影测量学》教学改革的研究和探索［J］.高教研究与实践，2014，33（03）：4952.

［2］李梅.关于高职摄影测量课程教学的相关探讨［J］.课程教育研究（新教师教学），2016，1：9.

［3］薛云，张维，龙岳红，等.基于SPOC的混合式教学探索与实践——以摄影测量学课程为例［J］.科技视界，2020，20：157158.

［4］孙文进.1：10000基础测绘DEM制作方法的探讨［J］.江西测绘，2012，1：2728.

［5］耿婵.GIS技术支持下的小流域土壤侵蚀量研究［D］.西安：西安科技大学，2011.

［6］王占武.利用DEM生成DOM的制作与应用［J］.黑龙江科技信息，2016，10：140.

基金项目：绵阳师范学院教学研究与改革项目（MnuJY210347）；绵阳师范学院校级一流课程（线上）项目（MnuJY220065）

作者简介：张筌豇（1988— ），男，汉族，四川眉山人，博士研究生，讲师，主要从事3S技术、资源与环境。