无人机参与摄影测量学课程实践教学的应用探索

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　　摘要：无人机是近年来兴起的研究热点，在测绘科学领域得到了一定的应用和发展。文章以中山大学地理信息科学专业摄影测量学课程为例，通过分析已有教学工作偏重于理论讲授和内业数据处理，对数据采集重视不足的问题，探索尝试将无人机技术应用于摄影测量学课程的实践教学环节中，并在可行性分析、建设内容与目标、保障体系等方面展开分析，为促进高校地理信息科学专业本科课程教学的先进化、科学化和规范化提供参考。
　　关键词：无人机;实践教学;科研训练
　　中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2020）01-0261-02
　　 一、引言
　　摄影测量学是对非接触物体进行摄影，量测和解译所获得的影像，获取被摄物体的几何信息和物理信息的一门科学和技术[1，2]。课程教学环节侧重于研究影像获取、处理的理论和技术，以及将成果用图形、图像或数字表示的方法。该门课程是典型的理论与实践紧密结合教学模式，其中实践教学环节对培养学生理论知识的掌握与运用具有重要作用。
　　摄影测量的生产作业包括了外业的航空摄影以及内业数据处理分析两大部分[3]。摄影测量学课程已有教学实践环节对内业实践教学环节完成较好，但对外业实践教学工作开展不足[4]。主要是受限于早期的航空相片采集平台的限制，利用直升机、中型运输机等作为航空数据采集的平台，数据获取过程中的成本较高，极少数的课程能够接触到航空相片采集环节。近年来广泛应用的无人机技术，给摄影测量发展带来了快速、灵活、低成本的数据采集技术方法。无人机对起降场地要求不高，飞行灵活，作业方便快速，已逐渐成为航空摄影测量的主要平台之一[5]。经过无人机摄影测量技术的探索与发展，已形成了一套成熟的无人机数据处理方法，为大量测绘单位所使用[6]。
　　将无人机引入摄影测量实践教学中，将航摄外业生产流程代入课程，可弥补之前教学中航空摄影部分的空白，使学生完整地学习和理解摄影测量学实际生产应用，同时紧跟摄影测量的技术发展。本文结合中山大学摄影测量课程实践教学经验，从可行性分析、教学课程建设内容以及保障体系等方面探讨无人机在摄影测量课程中的实践教学设计。
　　二、无人机应用实践教学的可行性分析
　　在技术可行性方面，目前市场上的消费级无人机可以满足基本低空航空摄影测量需求[7]，且多数摄影测量数据处理软件支持消费级无人机数据的校正与拼接。以大疆精灵系列消费级无人机为例，摄影测量的生产流程包括了航线规划、实地飞行、影像校正拼接等步骤，最终得到数字正射影像图与数字表面模型。目前，多数摄影测量软件支持大疆无人机影像，如Pix4d、OneButton、Photoscan、Drone2Map等，其数据处理步骤等基本相同。
　　在人员可行性方面，本摄影测量学课程教学团队中有三人具备无人机飞行经验和相关的操作证书，熟练地掌握无人机飞行技术与航片采集工作。同时能够将摄影测量学理论与实践结合，在数据采集与处理环节融合理论知识，加深学生对理论知识的理解。野外教学实践中有多位指导教师参与，保证实践教学的实习效果与安全。
　　在教学投入可行性方面，大疆精灵消费级无人机面向消费者市场，硬件成本较低;且消费级无人机操作简单，学生可在短时间内完成基本操作的学习，无须花费太多的时间成本。依托中山大学地理科学与规划学院教学机房已有的高性能计算机软硬件资源，能够满足无人机影像处理的需求，将无人机引入摄影测量课程的总成本相对较低。
　　三、无人机应用于实践教学的建设内容
　　实践教学的前期准备课时包含无人机结构与飞行原理、无人机操作讲解、安全教育、航线规划与自主飞行、摄影测量学软件教学等内容，可在课堂中完成。随后课时组织野外实习课程，学生预先分组，领取航摄任务，合作完成无人机数据采集工作，全部实践过程由实习指导教师督导并负责安全。野外实践期间鼓励学生在保障安全的前提下，结合实际航测任务，自主分析和设计解决方案，并探索无人机在学术领域的应用价值。
　　建设无人机摄影测量教学案例库，提供实践教学素材与参考，为实践教学提供指导。将科研项目中无人机摄影测量相关工作整理汇总，作为教学案例，展示无人机在科研中发挥的重要作用。邀请学科教授开展讲座，分享无人机测绘学术前沿。
　　建设无人机摄影测量实践教学场地，保证实践课程常態化开展。以地理科学与规划学院野外实习基地为依托，加深科研合作，充分利用基地资源条件，建立稳定的无人机数据采集实践教学基地。学生可在实践教学基地提供无人机飞行实践、野外调查等科研训练活动。
　　积极开展教学团队建设，保障高水平的教学质量。该实践课程由一名骨干教师与若干教师及助教组成，骨干教师需具有丰富的教学科研经验，治学严谨且学术水平高。教学团队根据不同时期特点及时提出教学队伍的培养、调整、补充的方案，同时接受少数本科生、研究生作为助教，培养教学与科研能力。
　　教材建设是实践教学的重要内容。教学团队根据案例库编制实习指导书作为野外实践指导与规范。同时根据教师自评与教学反馈每年更新实习指导书内容，不断完善课程体系，在条件成熟时出版相关教材。
　　四、无人机应用实践教学的保障体系与注意事项
　　1.实践教学保障体系。无人机摄影测量实践教学配备学科骨干教师领导的优秀教学团队，具有丰富的实践与教学经验。通过科学严谨的实践教材编制，理论支撑实践的教学模式，完善的教学评价体系，保障实践教学的质量。无人机摄影测量学实践基地以广东省梅州市野外实习基地为依托，保障实践教学每年常态化开展。基地位于粤北山区低矮山地，距离城市人口密集区、重点设施较远，有山地、平原、村落等多种地形地貌，可选取森林、建筑、农田等多种地物进行无人机摄影测量实训与实地调查。本课程自开设以来获得地理科学与规划学院教学经费支持，目前已经购置轻小型消费级无人机5台，同时学院实验中心具有手持GPS、地物光谱仪、正版数据处理软件等，以保障实践教学的顺利开展。 　　2.注意事項。无人机摄影测量需注意飞行的合法性与安全性。近年来中国民用航空局颁发一系列无人机管理条例，对无人机的飞行、空域、安全等进行规范。本课程中使用的消费级无人机属于微型无人机（空机重量小于7kg），其在野外无人地区进行低空飞行由操作人员自行负责，无须申报[8]。而飞行时需遵守操作规范，注意人身财产安全：不在人员密集的场地飞行，不在干扰较大的环境飞行，不在大风天气飞行，平稳操作，安全飞行。同时对于摄影测量作业，尽量选择正午飞行，避免大面积阴影;保持一定飞行高度，避开障碍物。
　　五、结语
　　本文探索将消费级无人机引入摄影测量学课程中，丰富和完善摄影测量学的教学内容。消费级无人机轻便易携带，操作简单，成本低廉，适用于摄影测量教学的数据采集平台。在教学实践中学生面临实际问题，教师引导启发，激发学生的主动性、创造性，也将理论与实际结合，加强课程效果。摄影测量学既有理论部分，也有实践部分，本文将理论教学与实践教学有机结合，进一步完善摄影测量学教学体系，为今后的摄影测量学课程改革提供参考。
　　参考文献：
　　[1]王佩军，徐亚明.摄影测量学[M].第三版.武汉大学出版社，2016.
　　[2]张剑清，潘励，王树根.摄影测量学[M].武汉大学出版社，2011.
　　[3]付波霖.本科数字摄影测量的教学反思与改革[J].中国校外教育，2019，（21）：121-122.
　　[4]张建霞.测绘工程专业《摄影测量》课程教学改革探讨[J].地理空间信息，2012，（04）：170-171.
　　[5]刘凯，龚辉，曹晶晶，等.基于多类型无人机数据的红树林遥感分类对比[J].热带地理，2019，（04）：1-10.
　　[6]万剑华，王朝，刘善伟，等.消费级无人机的大比例尺测图能力分析[J].测绘通报，2018，（06）：104-108.
　　[7]孔振，刘召芹，高云军，等.消费级无人机在大比例尺测图中应用与精度评价[J].测绘工程，2016，（12）：55-60.
　　[8]中国民用航空局飞行标准司.民用无人机驾驶员管理规定[Z].2018.
　　Exploration of UAV in Practical Teaching of Photogrammetry Course
　　LIU Kai，GONG Hui，CAO Jing-jing
　　（School of Geography and Planning，Sun Yat-Sen University，Guangzhou，Guangdong 510275，China）
　　Abstract：UAV is a research hotspot in recent years，which has been developed in the field of surveying and mapping.Taking the Photogrammetry course of Geographic Information Science Major of Sun Yat-Sen University as an example，this paper analyzes the problems that the existing teaching work focuses on theoretical teaching and internal data processing，and pays insufficient attention to data collection，and explores the application of UAV technology in the practical education of Photogrammetry course，and analyzes the feasibility analysis，construction contents and objectives，guarantee system，etc.The study provides reference for promoting the evolution，scientization，and standardization of the undergraduate course teaching of geographic information science in colleges and universities.
　　Key words：UAV;practical teaching;scientific training
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