《攝影測量學(xué)》是一門理論與實踐結(jié)合較為緊密的課程，在傳授基本理論與基本知識的同時，必須重視實踐教學(xué)環(huán)節(jié)�，F(xiàn)階段將小型無人機作為一種獲取高分辨率影像的全新技術(shù)引入課堂教學(xué)，在測繪工程專業(yè)攝影測量實踐教學(xué)過程中，通過“分組攝影、分片成圖、連成一體”的方式，實現(xiàn)了校區(qū)無人機航測成圖的實踐教學(xué)工作，使學(xué)生在校期間熟悉小型無人機由外業(yè)操作到內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的流程。

　　[關(guān)鍵詞]實踐教學(xué),小型無人機,航測成圖,攝影測量學(xué)

　　相對于傳統(tǒng)測量方式，攝影測量無需接觸物體本身，通過對物體進行攝影實現(xiàn)影像的量測和解譯[1]�，F(xiàn)階段，攝影測量全面進入數(shù)字?jǐn)z影測量階段，機載POS、低空無人機、LIDAR等技術(shù)在攝影測量領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。雖然目前遙感數(shù)據(jù)的獲取手段多種多樣，但是這些方式都存在各自的限制：衛(wèi)星遙感平臺受軌道限制，無法實現(xiàn)應(yīng)急監(jiān)測;在惡劣的天氣條件下，出于安全考慮，載人飛機往往無法升空作業(yè);機載LIDAR由于硬件設(shè)備成本太高，在國內(nèi)沒有普及應(yīng)用。

　　低空無人機攝影測量系統(tǒng)具有機動靈活、設(shè)備和維護成本很低、分辨率高等特點，填補了航空航天攝影測量對局部地區(qū)高精度數(shù)據(jù)獲取能力不足的空白[2]。無人機攝影測量系統(tǒng)具有GPS導(dǎo)航、自動測姿測速、遠(yuǎn)程數(shù)控及監(jiān)測等功能，它是以無人駕駛飛行器為飛行平臺、以高分辨率數(shù)字遙感設(shè)備為機載傳感器、以獲取低空高分辨率遙感數(shù)據(jù)為應(yīng)用目標(biāo)，進行地理數(shù)據(jù)的快速獲取和處理。

　　隨著社會的發(fā)展，攝影測量人才需求日益增多。因此，高等院校測繪類專業(yè)在制定培養(yǎng)方案時都將攝影測量課程設(shè)定為專業(yè)核心課程。攝影測量技術(shù)作為現(xiàn)代測繪技術(shù)體系的重要分支，是一門在多種學(xué)科基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新技術(shù)、新學(xué)科[3-5]。其教學(xué)目標(biāo)是讓學(xué)生通過學(xué)習(xí)這門課，掌握攝影測量學(xué)的基本理論和方法，并能運用所學(xué)知識解決實際工程問題。攝影測量實踐教學(xué)作為其中一個重要的環(huán)節(jié)，對其教學(xué)內(nèi)容和環(huán)節(jié)的設(shè)計與組織就顯得很有必要。本文以某學(xué)院測繪工程專業(yè)攝影測量實習(xí)為例，探討如何利用無人機實現(xiàn)實踐過程。

　　1高等院校開展無人機教學(xué)的必要性

　　現(xiàn)階段，普通高等院校相關(guān)專業(yè)采購的無人機臺數(shù)較少，所以，在學(xué)生實踐教學(xué)課程中沒有被推廣使用。但是，由于測繪行業(yè)新技術(shù)的快速發(fā)展，無人機攝影測量技術(shù)必將會獲得廣泛應(yīng)用。因此，學(xué)生有必要熟悉無人機攝影測量系統(tǒng)的操作流程。

　　在普通高等院校測繪專業(yè)相關(guān)課程實踐教學(xué)中，利用無人機開展工作主要存在以下困難：大型無人機價格高昂，一般院校支付不起，教師往往只能從理論上給學(xué)生講解相關(guān)知識;無人機往往體積過大，高校的校區(qū)面積無法完成飛機的起降;而且起飛、降落危險性過高;大型無人機進行影像采集之前，往往要報批空管部門獲得批準(zhǔn)，辦理相關(guān)飛行手續(xù)復(fù)雜，協(xié)調(diào)好的飛行時間不一定與在校授課時間一致[2]。

　　小型無人機(smallunmannedaerialvehicle，SUAV)外業(yè)操作相對簡單，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理快速高效，能夠在短時間內(nèi)向?qū)W生展示無人機從“飛行—數(shù)據(jù)獲取—內(nèi)業(yè)處理—圖形輸出”的全過程，使學(xué)生能夠了解無人機航空攝影測量的全過程[6]。同時，SUAV飛行高度較低、飛行時間較短，在開展飛行任務(wù)前不用完成相關(guān)手續(xù)的辦理，便于教師開展實踐教學(xué)工作。

　　2無人機攝影測量實踐教學(xué)的內(nèi)容

　　攝影測量學(xué)課程理論極為抽象，基本概念多、知識面廣、前后銜接緊密。它的核心內(nèi)容分為兩部分：攝影測量的外業(yè)和內(nèi)業(yè)工作。前者包括影像資料的獲取、像片控制點的布設(shè)，野外控制點的測量和像片調(diào)繪等;后者主要包括像片內(nèi)定向、立體像對的相對定向和絕對定向、解析空中三角測量、4D產(chǎn)品的生產(chǎn)等。通過攝影測量外業(yè)工作的實踐，學(xué)生可以了解無人機影像獲取、影像解算預(yù)報工作等一系列流程;通過內(nèi)業(yè)工作的實踐，學(xué)生可以掌握從影像到4D產(chǎn)品的處理流程。圍繞攝影測量學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容和實踐教學(xué)目標(biāo)，將無人機攝影測量實踐教學(xué)內(nèi)容分為兩部分：

　　(1)基礎(chǔ)實踐。

　　系統(tǒng)的培養(yǎng)學(xué)生的基本技能和對基本理論的理解能力。主要包括利用數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)JX4G進行影像內(nèi)定向、相對定向、絕對定向、影像匹配、生成核線影像以及4D產(chǎn)品的制作。這一部分主要安排在課內(nèi)實驗去實現(xiàn)，有助于加強學(xué)生對所學(xué)理論知識的感性認(rèn)識和熟悉數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)的基本功能。

　　(2)綜合實踐。

　　以4D產(chǎn)品的生產(chǎn)為主線，讓學(xué)生了解攝影測量的整個作業(yè)過程和內(nèi)容，提高學(xué)生綜合實踐技能和分析、解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

　　3無人機攝影測量實踐教學(xué)的實施

　　3.1基礎(chǔ)實踐教學(xué)

　　基礎(chǔ)實踐教學(xué)以熟悉和掌握J(rèn)X4G數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)的基本功能為主，穿插在課堂理論教學(xué)過程中，用以加強學(xué)生對攝影測量基本概念、基本理論的理解。根據(jù)教學(xué)大綱，這部分一般安排10個左右學(xué)時的課堂實驗。每次實驗前編寫完整的實驗指導(dǎo)書，布置預(yù)做作業(yè)，讓學(xué)生對本次實驗內(nèi)容的相關(guān)理論知識進行復(fù)習(xí);實驗過程采用集中教學(xué)和個別指導(dǎo)的方式，首先明確本次實驗?zāi)康模�講解操作過程，在學(xué)生完成后提交處理成果，最后對操作過程中出現(xiàn)的問題進行集中討論和分析。

　　3.2綜合實踐教學(xué)

　　攝影測量學(xué)課程教學(xué)結(jié)束以后，安排兩周集中實踐。在基礎(chǔ)實踐教學(xué)的基礎(chǔ)上，學(xué)生對全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)JX4G的操作有了一定的掌握后，引入無人機這一主要攝影設(shè)備，以學(xué)生實踐為主，教師指導(dǎo)為輔，訓(xùn)練學(xué)生分析問題、解決問題的能力，培養(yǎng)其創(chuàng)新能力。

　　3.2.1準(zhǔn)備工作

　　綜合實踐之前編寫實習(xí)指導(dǎo)書，明確主要實習(xí)內(nèi)容和實習(xí)要求。結(jié)合我�，F(xiàn)有無人機攝影設(shè)備和JX4G影像處理軟件，以4D產(chǎn)品的作業(yè)流程為主線，設(shè)置實習(xí)內(nèi)容，包括以下環(huán)節(jié)：(1)像片控制點的布設(shè)和聯(lián)測;(2)無人機航空攝影;(3)利用相應(yīng)軟件實現(xiàn)空三加密，為后續(xù)的4D生產(chǎn)提供像片的外方位元素參數(shù)和定向點坐標(biāo);(4)利用JX4G數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)進行4D產(chǎn)品的生產(chǎn);(5)外業(yè)調(diào)繪。

　　3.2.2像片控制點的布設(shè)與聯(lián)測

　　航飛之前，先在測區(qū)進行像控點布設(shè)和聯(lián)測。像控點布設(shè)的規(guī)范或合理與否，對航測數(shù)據(jù)的影響很大，甚至需要返工補測像控點，而事后補測像控點沒有事先布設(shè)好再測精度高。首先，確定航測區(qū)域像控點數(shù)量。大疆M600無人機采用的是A3多旋翼飛行控制系統(tǒng)，它具有高精度的D-RTKGNSS定位導(dǎo)航性能，所以，用它做航測任務(wù)所需要像控點的數(shù)量相對會少些。根據(jù)相關(guān)的文獻，加上以往的實踐經(jīng)驗，建議學(xué)生在測區(qū)周圍先布設(shè)5-10個像控點。

　　布設(shè)像控點之前要做好準(zhǔn)備工作。首先查看航測區(qū)域的地質(zhì)地貌條件，準(zhǔn)備油性噴漆、標(biāo)靶板。像控點選在影像清晰的明顯地物點、地物拐角點、接近正交的線狀地物交點或固定的點狀地物上[7]。當(dāng)刺點目標(biāo)與位置不能兼顧時，以目標(biāo)為主。高程點選在局部高程變化小且點位周圍相對比較平坦地區(qū)[8]。

　　像控點在相鄰像片上均清晰可見。確定航拍空域后，利用影像圖、電子地圖來確定像控點的大概位置和數(shù)量。確定點的位置后，可利用油性噴漆劃“+”字型標(biāo)記(注：此標(biāo)記一定要夠?qū)�，不少�?cm，以便內(nèi)業(yè)時可在像片上可以精確地刺點)，并在旁邊標(biāo)記點號;還可以用標(biāo)靶板標(biāo)記像控點，并用數(shù)字注記其點號。每個像控點做完要拍2-4張不同角度的照片，最好有參照物。像控點的空間位置可以用測量儀器測量，比如RTK，全站儀。

　　3.2.3無人機航空攝影

　　根據(jù)實習(xí)指導(dǎo)書的要求，先了解所使用的一款專業(yè)級航拍大疆六旋翼無人機MATRICE600的各部分構(gòu)造及其功能，如圖3。在輔導(dǎo)老師的帶領(lǐng)下，根據(jù)MATRICE600說明書，由負(fù)責(zé)航飛的學(xué)生對這款無人機進行試飛訓(xùn)練，能夠熟練地操控這款無人機。在進行無人機航空攝影作業(yè)前，要進行規(guī)范的航空攝影技術(shù)設(shè)計，制定詳細(xì)的設(shè)計書。

　　設(shè)計書的內(nèi)容主要包括精度要求、航攝比例尺的選擇、航攝分區(qū)的劃分、航線敷設(shè)、航攝時間等。由于此無人機一次航飛只能堅持20多分鐘，所以，要實現(xiàn)整個區(qū)域的航攝，需要進行分區(qū)、分批完成。此設(shè)計書的各項參數(shù)的設(shè)定要符合規(guī)范要求。

　　無人機航飛獲取影像。在進行作業(yè)前，須進行試攝。通過對試飛、試攝所獲取的影像進行分析，確定無人機的各部分符合正常工作狀態(tài)后，方可正式開始航攝。整個航飛過程，是利用大疆無人機地面站程序DJIGSPro(GroundStationPro)執(zhí)行M600的航攝任務(wù)。

　　DJIGSPro地面站是一款可控制DJI飛行器實現(xiàn)自主航線規(guī)劃及飛行的iPad應(yīng)用程序。GSPro擁有直觀簡易的交互設(shè)計，只需輕點屏幕，就能輕松規(guī)劃復(fù)雜航線任務(wù)，實現(xiàn)全自動航點飛行拍照，測繪拍照等操作，全新虛擬護欄功能還可幫助飛行器在指定區(qū)域內(nèi)飛行，保障飛行安全。

　　使用DJIGSPro實地航測。根據(jù)航測設(shè)計書的要求，利用此APP軟件進行飛行任務(wù)規(guī)劃，設(shè)置好航攝參數(shù)。相關(guān)參數(shù)設(shè)置好，就可以讓無人機開始升空飛行。在軟件界面上可以實時監(jiān)控飛機的狀態(tài)。經(jīng)過近20分鐘飛行，完成劃定區(qū)域的航飛任務(wù)。最后，指導(dǎo)學(xué)生將航片導(dǎo)入電腦里相應(yīng)的軟件比如DPGrid軟件進行正射影像的快拼。根據(jù)快拼成果報告，判斷影像的質(zhì)量。其它測區(qū)也采用相同操作，最終確定整個測區(qū)用于后續(xù)數(shù)據(jù)處理的影像數(shù)據(jù)。

　　3.2.4空三加密

　　空三加密是由軟件UASMaster來完成。經(jīng)過此流程，得到的空三加密平差結(jié)果可以提供給后續(xù)的一系列攝影測量數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用。接下來，就可以根據(jù)空三的結(jié)果去生成DEM和正射影像。

　　3.2.54D產(chǎn)品的生產(chǎn)

　　數(shù)字?jǐn)z影測量的4D產(chǎn)品指的是數(shù)字高程模型DEM(DigitalElevationModel)、數(shù)字正射影像圖DOM(DigitalOrthophotoMap)、數(shù)字線劃圖DLG(DigitalLineGraphic)和數(shù)字柵格地圖DRG(DigitalRasterGraphic)。

　　利用JX4G軟件，根據(jù)前面的數(shù)據(jù)成果可以實現(xiàn)4D產(chǎn)品的生成。比如DEM和DOM可以實現(xiàn)自動獲取。數(shù)字線劃圖的生產(chǎn)比較復(fù)雜，主要采用JX4G工作站的數(shù)字測圖模塊去完成，是一種半自動的過程。實施過程如下：先建一個測圖文件，設(shè)置圖廓范圍，載入立體模型，熟悉工作窗口內(nèi)的各種工具，接著測繪地物，最后進行地物的編輯[9]。

　　3.2.6外業(yè)調(diào)繪

　　野外調(diào)繪目前仍然是大比例尺航測成圖的常用方法。它指的是根據(jù)地物在影像上的構(gòu)像特征，在野外對影像進行判讀調(diào)查，識別影像的實質(zhì)內(nèi)容，并將影像顯示的信息按照用圖的需要綜合取舍后，用圖示規(guī)定的符號在影像上表示出來。

　　由于學(xué)生在學(xué)校實習(xí)過程中，無人機航攝獲取的影像現(xiàn)實性高，所以，對于這一部分的工作主要是對影像上顯示不出來或者被遮擋地物的補繪或改正。主要步驟如下，根據(jù)內(nèi)業(yè)完成的正射影像圖DOM、矢量線劃圖DLG及數(shù)字高程模型DEM，由負(fù)責(zé)外業(yè)調(diào)繪的學(xué)生進入測區(qū)，按照外業(yè)調(diào)繪要求，對其進行判調(diào)和補調(diào)，并在計算機上進行實時更新[10]。最后，生成準(zhǔn)確而又符合要求的4D產(chǎn)品。

　　3.3實施效果

　　上學(xué)期，筆者對測繪工程專業(yè)的攝影測量實習(xí)按照上述過程做了組織和安排。通過“分組攝影、分片成圖、連成一體”的方式，實現(xiàn)了校區(qū)無人機航測成圖的實踐教學(xué)工作，使學(xué)生熟悉了利用SUAV由外業(yè)操作到內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的流程。本次無人機航測實習(xí)教學(xué)共安排了兩周的外業(yè)航飛和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。學(xué)校校區(qū)總共有0.96個平方公里。

　　根據(jù)航飛一次的最大范圍(500m*500m=0.25km2)來算，需要無人機至少飛5次才能覆蓋整個測區(qū)，獲取實驗所需要的影像數(shù)據(jù)。根據(jù)實際需要，把本專業(yè)的學(xué)生分成了6個組，小組內(nèi)部分工明確。前期三天的外業(yè)分為兩個小組，一個小組負(fù)責(zé)航飛，一個小組負(fù)責(zé)像控點布設(shè)與測量。

　　所有小組成員均獲得了上手機會，參與了無人機外業(yè)飛行操作和像控點的測量，并且對航飛的影像質(zhì)量進行了及時的檢查，最終獲得了內(nèi)業(yè)所需要的影像數(shù)據(jù)和像控點數(shù)據(jù)。后期內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，學(xué)生使用內(nèi)業(yè)處理軟件Inpho和JX4G，大部分同學(xué)掌握了無人機內(nèi)業(yè)處理流程，并且完成4D產(chǎn)品的生產(chǎn)工作，如圖7。學(xué)生普遍反映較好，既鞏固了他們在課堂上學(xué)的理論知識，又鍛煉了他們在工程實踐中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。

　　4結(jié)束語

　　以上文章通過在測繪工程專業(yè)的實習(xí)周中，開展了無人機航測成圖教學(xué)，證明了在攝影測量課程中利用小型無人機開展教學(xué)的可行性。但是，由于本次實踐是一次全新的近似于工程項目的模擬，所以，碰到的問題也不少，比如考核制度不夠細(xì)化，學(xué)生的攝影測量課外知識儲備不足，有些實踐問題考慮過于簡單等等。這些問題在以后的課程實踐中有待解決�？偠�言之，在測繪技術(shù)日新月異的今天，適當(dāng)利用小型無人機實現(xiàn)普通高校的攝影測量實踐教學(xué)是個很不錯的選擇。

　　推薦期刊：《大地測量與地球動力學(xué)》曾用刊名：(地殼形變與地震)1981年創(chuàng)刊，是由中國地震局地震研究所、地殼運動監(jiān)測工程研究中心、中國地震局地殼應(yīng)力研究所、中國地震局第一監(jiān)測中心、中國地震局地球物理勘探中心、中國地震局第二監(jiān)測中心、中國科學(xué)院測量與地球物理研究所、中國地震應(yīng)急搜救中心等8家單位聯(lián)合的中國唯一一份報道大地測量學(xué)在地球動力學(xué)領(lǐng)域研究和應(yīng)用成果的高級學(xué)術(shù)刊物。