小型无人机基础上探究摄影测量教学方式

　　《摄影测量学》是一门理论与实践结合较为紧密的课程，在传授基本理论与基本知识的同时，必须重视实践教学环节。现阶段将小型无人机作为一种获取高分辨率影像的全新技术引入课堂教学，在测绘工程专业摄影测量实践教学过程中，通过“分组摄影、分片成图、连成一体”的方式，实现了校区无人机航测成图的实践教学工作，使学生在校期间熟悉小型无人机由外业操作到内业数据处理的流程。

　　[关键词]实践教学,小型无人机,航测成图,摄影测量学

　　相对于传统测量方式，摄影测量无需接触物体本身，通过对物体进行摄影实现影像的量测和解译[1]。现阶段，摄影测量全面进入数字摄影测量阶段，机载POS、低空无人机、LIDAR等技术在摄影测量领域应用越来越广泛。虽然目前遥感数据的获取手段多种多样，但是这些方式都存在各自的限制：卫星遥感平台受轨道限制，无法实现应急监测;在恶劣的天气条件下，出于安全考虑，载人飞机往往无法升空作业;机载LIDAR由于硬件设备成本太高，在国内没有普及应用。

　　低空无人机摄影测量系统具有机动灵活、设备和维护成本很低、分辨率高等特点，填补了航空航天摄影测量对局部地区高精度数据获取能力不足的空白[2]。无人机摄影测量系统具有GPS导航、自动测姿测速、远程数控及监测等功能，它是以无人驾驶飞行器为飞行平台、以高分辨率数字遥感设备为机载传感器、以获取低空高分辨率遥感数据为应用目标，进行地理数据的快速获取和处理。

　　随着社会的发展，摄影测量人才需求日益增多。因此，高等院校测绘类专业在制定培养方案时都将摄影测量课程设定为专业核心课程。摄影测量技术作为现代测绘技术体系的重要分支，是一门在多种学科基础上发展起来的新技术、新学科[3-5]。其教学目标是让学生通过学习这门课，掌握摄影测量学的基本理论和方法，并能运用所学知识解决实际工程问题。摄影测量实践教学作为其中一个重要的环节，对其教学内容和环节的设计与组织就显得很有必要。本文以某学院测绘工程专业摄影测量实习为例，探讨如何利用无人机实现实践过程。

　　1高等院校开展无人机教学的必要性

　　现阶段，普通高等院校相关专业采购的无人机台数较少，所以，在学生实践教学课程中没有被推广使用。但是，由于测绘行业新技术的快速发展，无人机摄影测量技术必将会获得广泛应用。因此，学生有必要熟悉无人机摄影测量系统的操作流程。

　　在普通高等院校测绘专业相关课程实践教学中，利用无人机开展工作主要存在以下困难：大型无人机价格高昂，一般院校支付不起，教师往往只能从理论上给学生讲解相关知识;无人机往往体积过大，高校的校区面积无法完成飞机的起降;而且起飞、降落危险性过高;大型无人机进行影像采集之前，往往要报批空管部门获得批准，办理相关飞行手续复杂，协调好的飞行时间不一定与在校授课时间一致[2]。

　　小型无人机(smallunmannedaerialvehicle，SUAV)外业操作相对简单，内业数据处理快速高效，能够在短时间内向学生展示无人机从“飞行—数据获取—内业处理—图形输出”的全过程，使学生能够了解无人机航空摄影测量的全过程[6]。同时，SUAV飞行高度较低、飞行时间较短，在开展飞行任务前不用完成相关手续的办理，便于教师开展实践教学工作。

　　2无人机摄影测量实践教学的内容

　　摄影测量学课程理论极为抽象，基本概念多、知识面广、前后衔接紧密。它的核心内容分为两部分：摄影测量的外业和内业工作。前者包括影像资料的获取、像片控制点的布设，野外控制点的测量和像片调绘等;后者主要包括像片内定向、立体像对的相对定向和绝对定向、解析空中三角测量、4D产品的生产等。通过摄影测量外业工作的实践，学生可以了解无人机影像获取、影像解算预报工作等一系列流程;通过内业工作的实践，学生可以掌握从影像到4D产品的处理流程。围绕摄影测量学课程的教学内容和实践教学目标，将无人机摄影测量实践教学内容分为两部分：

　　(1)基础实践。

　　系统的培养学生的基本技能和对基本理论的理解能力。主要包括利用数字摄影测量系统JX4G进行影像内定向、相对定向、绝对定向、影像匹配、生成核线影像以及4D产品的制作。这一部分主要安排在课内实验去实现，有助于加强学生对所学理论知识的感性认识和熟悉数字摄影测量系统的基本功能。

　　(2)综合实践。

　　以4D产品的生产为主线，让学生了解摄影测量的整个作业过程和内容，提高学生综合实践技能和分析、解决问题的能力，培养学生的创新能力。

　　3无人机摄影测量实践教学的实施

　　3.1基础实践教学

　　基础实践教学以熟悉和掌握JX4G数字摄影测量系统的基本功能为主，穿插在课堂理论教学过程中，用以加强学生对摄影测量基本概念、基本理论的理解。根据教学大纲，这部分一般安排10个左右学时的课堂实验。每次实验前编写完整的实验指导书，布置预做作业，让学生对本次实验内容的相关理论知识进行复习;实验过程采用集中教学和个别指导的方式，首先明确本次实验目的，讲解操作过程，在学生完成后提交处理成果，最后对操作过程中出现的问题进行集中讨论和分析。

　　3.2综合实践教学

　　摄影测量学课程教学结束以后，安排两周集中实践。在基础实践教学的基础上，学生对全数字摄影测量系统JX4G的操作有了一定的掌握后，引入无人机这一主要摄影设备，以学生实践为主，教师指导为辅，训练学生分析问题、解决问题的能力，培养其创新能力。

　　3.2.1准备工作

　　综合实践之前编写实习指导书，明确主要实习内容和实习要求。结合我校现有无人机摄影设备和JX4G影像处理软件，以4D产品的作业流程为主线，设置实习内容，包括以下环节：(1)像片控制点的布设和联测;(2)无人机航空摄影;(3)利用相应软件实现空三加密，为后续的4D生产提供像片的外方位元素参数和定向点坐标;(4)利用JX4G数字摄影测量系统进行4D产品的生产;(5)外业调绘。

　　3.2.2像片控制点的布设与联测

　　航飞之前，先在测区进行像控点布设和联测。像控点布设的规范或合理与否，对航测数据的影响很大，甚至需要返工补测像控点，而事后补测像控点没有事先布设好再测精度高。首先，确定航测区域像控点数量。大疆M600无人机采用的是A3多旋翼飞行控制系统，它具有高精度的D-RTKGNSS定位导航性能，所以，用它做航测任务所需要像控点的数量相对会少些。根据相关的文献，加上以往的实践经验，建议学生在测区周围先布设5-10个像控点。

　　布设像控点之前要做好准备工作。首先查看航测区域的地质地貌条件，准备油性喷漆、标靶板。像控点选在影像清晰的明显地物点、地物拐角点、接近正交的线状地物交点或固定的点状地物上[7]。当刺点目标与位置不能兼顾时，以目标为主。高程点选在局部高程变化小且点位周围相对比较平坦地区[8]。

　　像控点在相邻像片上均清晰可见。确定航拍空域后，利用影像图、电子地图来确定像控点的大概位置和数量。确定点的位置后，可利用油性喷漆划“+”字型标记(注：此标记一定要够宽，不少于5cm，以便内业时可在像片上可以精确地刺点)，并在旁边标记点号;还可以用标靶板标记像控点，并用数字注记其点号。每个像控点做完要拍2-4张不同角度的照片，最好有参照物。像控点的空间位置可以用测量仪器测量，比如RTK，全站仪。

　　3.2.3无人机航空摄影

　　根据实习指导书的要求，先了解所使用的一款专业级航拍大疆六旋翼无人机MATRICE600的各部分构造及其功能，如图3。在辅导老师的带领下，根据MATRICE600说明书，由负责航飞的学生对这款无人机进行试飞训练，能够熟练地操控这款无人机。在进行无人机航空摄影作业前，要进行规范的航空摄影技术设计，制定详细的设计书。

　　设计书的内容主要包括精度要求、航摄比例尺的选择、航摄分区的划分、航线敷设、航摄时间等。由于此无人机一次航飞只能坚持20多分钟，所以，要实现整个区域的航摄，需要进行分区、分批完成。此设计书的各项参数的设定要符合规范要求。

　　无人机航飞获取影像。在进行作业前，须进行试摄。通过对试飞、试摄所获取的影像进行分析，确定无人机的各部分符合正常工作状态后，方可正式开始航摄。整个航飞过程，是利用大疆无人机地面站程序DJIGSPro(GroundStationPro)执行M600的航摄任务。

　　DJIGSPro地面站是一款可控制DJI飞行器实现自主航线规划及飞行的iPad应用程序。GSPro拥有直观简易的交互设计，只需轻点屏幕，就能轻松规划复杂航线任务，实现全自动航点飞行拍照，测绘拍照等操作，全新虚拟护栏功能还可帮助飞行器在指定区域内飞行，保障飞行安全。

　　使用DJIGSPro实地航测。根据航测设计书的要求，利用此APP软件进行飞行任务规划，设置好航摄参数。相关参数设置好，就可以让无人机开始升空飞行。在软件界面上可以实时监控飞机的状态。经过近20分钟飞行，完成划定区域的航飞任务。最后，指导学生将航片导入电脑里相应的软件比如DPGrid软件进行正射影像的快拼。根据快拼成果报告，判断影像的质量。其它测区也采用相同操作，最终确定整个测区用于后续数据处理的影像数据。

　　3.2.4空三加密

　　空三加密是由软件UASMaster来完成。经过此流程，得到的空三加密平差结果可以提供给后续的一系列摄影测量数据处理与应用。接下来，就可以根据空三的结果去生成DEM和正射影像。

　　3.2.54D产品的生产

　　数字摄影测量的4D产品指的是数字高程模型DEM(DigitalElevationModel)、数字正射影像图DOM(DigitalOrthophotoMap)、数字线划图DLG(DigitalLineGraphic)和数字栅格地图DRG(DigitalRasterGraphic)。

　　利用JX4G软件，根据前面的数据成果可以实现4D产品的生成。比如DEM和DOM可以实现自动获取。数字线划图的生产比较复杂，主要采用JX4G工作站的数字测图模块去完成，是一种半自动的过程。实施过程如下：先建一个测图文件，设置图廓范围，载入立体模型，熟悉工作窗口内的各种工具，接着测绘地物，最后进行地物的编辑[9]。

　　3.2.6外业调绘

　　野外调绘目前仍然是大比例尺航测成图的常用方法。它指的是根据地物在影像上的构像特征，在野外对影像进行判读调查，识别影像的实质内容，并将影像显示的信息按照用图的需要综合取舍后，用图示规定的符号在影像上表示出来。

　　由于学生在学校实习过程中，无人机航摄获取的影像现实性高，所以，对于这一部分的工作主要是对影像上显示不出来或者被遮挡地物的补绘或改正。主要步骤如下，根据内业完成的正射影像图DOM、矢量线划图DLG及数字高程模型DEM，由负责外业调绘的学生进入测区，按照外业调绘要求，对其进行判调和补调，并在计算机上进行实时更新[10]。最后，生成准确而又符合要求的4D产品。

　　3.3实施效果

　　上学期，笔者对测绘工程专业的摄影测量实习按照上述过程做了组织和安排。通过“分组摄影、分片成图、连成一体”的方式，实现了校区无人机航测成图的实践教学工作，使学生熟悉了利用SUAV由外业操作到内业数据处理的流程。本次无人机航测实习教学共安排了两周的外业航飞和内业数据处理。学校校区总共有0.96个平方公里。

　　根据航飞一次的最大范围(500m*500m=0.25km2)来算，需要无人机至少飞5次才能覆盖整个测区，获取实验所需要的影像数据。根据实际需要，把本专业的学生分成了6个组，小组内部分工明确。前期三天的外业分为两个小组，一个小组负责航飞，一个小组负责像控点布设与测量。

　　所有小组成员均获得了上手机会，参与了无人机外业飞行操作和像控点的测量，并且对航飞的影像质量进行了及时的检查，最终获得了内业所需要的影像数据和像控点数据。后期内业数据处理，学生使用内业处理软件Inpho和JX4G，大部分同学掌握了无人机内业处理流程，并且完成4D产品的生产工作，如图7。学生普遍反映较好，既巩固了他们在课堂上学的理论知识，又锻炼了他们在工程实践中发现问题、解决问题的能力。

　　4结束语

　　以上文章通过在测绘工程专业的实习周中，开展了无人机航测成图教学，证明了在摄影测量课程中利用小型无人机开展教学的可行性。但是，由于本次实践是一次全新的近似于工程项目的模拟，所以，碰到的问题也不少，比如考核制度不够细化，学生的摄影测量课外知识储备不足，有些实践问题考虑过于简单等等。这些问题在以后的课程实践中有待解决。总而言之，在测绘技术日新月异的今天，适当利用小型无人机实现普通高校的摄影测量实践教学是个很不错的选择。

　　推荐期刊：《大地测量与地球动力学》曾用刊名：(地壳形变与地震)1981年创刊，是由中国地震局地震研究所、地壳运动监测工程研究中心、中国地震局地壳应力研究所、中国地震局第一监测中心、中国地震局地球物理勘探中心、中国地震局第二监测中心、中国科学院测量与地球物理研究所、中国地震应急搜救中心等8家单位联合的中国唯一一份报道大地测量学在地球动力学领域研究和应用成果的高级学术刊物。