羅顯圣

（貴州交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系，貴州 貴陽(yáng) 550008）

0 引 言

近年來(lái)，教育部等部門(mén)在職業(yè)教育提質(zhì)培優(yōu)行動(dòng)計(jì)劃的有關(guān)通知中提出要順應(yīng)科技革命的需求，以“信息技術(shù)+”升級(jí)傳統(tǒng)專(zhuān)業(yè)，要求職業(yè)教育示范性虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地要依托虛擬現(xiàn)實(shí)和人工智能等信息技術(shù)的不斷提升，促進(jìn)實(shí)訓(xùn)設(shè)施“以實(shí)帶虛、以虛助實(shí)、虛實(shí)結(jié)合”，促進(jìn)教育教學(xué)改革高質(zhì)量發(fā)展。

無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量課程需要系統(tǒng)學(xué)習(xí)無(wú)人機(jī)實(shí)操、航空影像獲取、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及三維建模等知識(shí)。大多數(shù)設(shè)置測(cè)繪地理信息相關(guān)專(zhuān)業(yè)的高校均已開(kāi)設(shè)了無(wú)人機(jī)航測(cè)相關(guān)實(shí)訓(xùn)課程，而無(wú)人機(jī)航測(cè)的戶外實(shí)操，對(duì)起降場(chǎng)地和周邊空域的要求非常高，同時(shí)具有一定的危險(xiǎn)性，墜機(jī)和傷人事件時(shí)有發(fā)生，存在很大的安全隱患，從而導(dǎo)致了學(xué)生戶外實(shí)操環(huán)節(jié)缺失，沒(méi)有完全參與整個(gè)無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量的作業(yè)流程，相關(guān)課程的教學(xué)及實(shí)訓(xùn)效果到不到預(yù)期。

1 無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量模擬系統(tǒng)的介紹

無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量模擬系統(tǒng)主要包括：豐富地形地貌的沙盤(pán)、高精度“工”字形軌道、軌道及相機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的控制系統(tǒng)、軌道及曝光控制軟件等組成。

1.1 豐富地形地貌的模擬沙盤(pán)

模擬沙盤(pán)的長(zhǎng)寬尺寸是7 m×5 m，有住宅小區(qū)、學(xué)校、工業(yè)區(qū)、道路、河流、山坡、休閑公園等豐富的地物地貌信息，高度接近生產(chǎn)項(xiàng)目，便于后期采取影像數(shù)據(jù)和建立三維模型，生產(chǎn)4D數(shù)字測(cè)繪產(chǎn)品。

在模擬沙盤(pán)外圍四周設(shè)置架設(shè)全站儀的控制點(diǎn)，便于學(xué)生利用全站儀進(jìn)行控制測(cè)量、數(shù)字地形圖測(cè)繪、土石方測(cè)量的相關(guān)實(shí)訓(xùn)，實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)室共建共享，避免重復(fù)建設(shè)。

模擬實(shí)訓(xùn)室內(nèi)建有LED大屏幕，航測(cè)數(shù)據(jù)處理軟件建好的三維立體模型，可以進(jìn)行演示和匯報(bào)，如圖1所示。

圖1 LED屏幕展示三維立體模型

1.2 高精度“工”字形軌道

高精度“工”字形軌道系統(tǒng)主要由兩根平行的直線導(dǎo)軌以及一根安裝于兩條平行直線導(dǎo)軌之上的橫梁組成，在5 m×7 m模擬沙盤(pán)的外圍用鋼架外框加固，設(shè)置四個(gè)立柱支撐，立柱上安裝高強(qiáng)度軌道，兩個(gè)平行軌道中間設(shè)置可移動(dòng)橫梁，配置步進(jìn)電機(jī)控制軌道的運(yùn)行，詳如圖2所示。

圖2 高精度“工”字形軌道

1.3 軌道及相機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的控制系統(tǒng)

軌道運(yùn)行系統(tǒng)由兩個(gè)電機(jī)控制，電機(jī)控制軌道橫梁的運(yùn)行速度以及相機(jī)位移的速度和距離，航線設(shè)計(jì)軟件控制橫梁的速度，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 軌道及相機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的控制系統(tǒng)

1.4 軌道及曝光控制軟件

無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量模擬系統(tǒng)軌道上設(shè)置有一根橫梁，控制軟件設(shè)置好橫梁的縱向位移速度，相機(jī)在橫梁上勻速移動(dòng)，然后定時(shí)定距曝光，這樣相機(jī)運(yùn)行和曝光的軌跡形成個(gè)“工”字，模擬無(wú)人機(jī)在上空飛行，呈“S”形往返。當(dāng)相機(jī)運(yùn)行到曝光的時(shí)間，航線軟件上可以定位曝光點(diǎn)的坐標(biāo)，類(lèi)似于模擬的GPS定位。如圖4所示為軌道及曝光控制系統(tǒng)。

圖4 軌道及曝光控制系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量模擬系統(tǒng)有效的控制航向重疊率和旁向重疊率，所用的數(shù)字相機(jī)CCD的尺寸為35.8 mm×23.9 mm，攝像頭距地面相對(duì)高度是3 m，軌道在運(yùn)行過(guò)程中航向重疊度為70%，旁向重疊度為35%，相鄰航線間隔2 m，航線長(zhǎng)度5 m，能進(jìn)行4條航線的飛行。

無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量模擬系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)還包括：影像傳輸、組合導(dǎo)航系統(tǒng)POS、數(shù)碼相機(jī)集成檢校軟件、空中三角測(cè)量軟件、全數(shù)字多元影像處理系統(tǒng)、遙感影像核線生產(chǎn)軟件、不同轉(zhuǎn)角系統(tǒng)轉(zhuǎn)換軟件等。無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量模擬系統(tǒng)采用信息化技術(shù)控制攝像頭在模擬沙盤(pán)上空的模擬飛行，實(shí)現(xiàn)了打破空間限制，杜絕無(wú)人機(jī)安全隱患，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的教學(xué)和實(shí)訓(xùn)。

2 無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量模擬系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量模擬系統(tǒng)可以有效地防止墜機(jī)和傷人事件的發(fā)生，杜絕在實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)的安全隱患。同時(shí)，融入了無(wú)人機(jī)航空攝影過(guò)程及影像數(shù)據(jù)的處理。由于受到數(shù)字航空攝影儀及飛行器械的限制，攝影測(cè)量教學(xué)過(guò)程中很少涉及航空攝影過(guò)程中航線設(shè)計(jì)、相機(jī)操作以及航空影像初級(jí)處理的過(guò)程，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)合實(shí)際的航空攝影過(guò)程，加入了航線設(shè)計(jì)、航空補(bǔ)拍、影像質(zhì)量檢查、勻色勻光等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量模擬系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了打破空間限制，不管天干下雨都可以室內(nèi)進(jìn)行教學(xué)和實(shí)操。同時(shí)，利用室內(nèi)的地形地貌沙盤(pán)，讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)控制網(wǎng)及布設(shè)控制點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性。在軌道系統(tǒng)中加入了虛擬GPS的內(nèi)容，以利于開(kāi)展GPS輔助空中三角測(cè)量的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量模擬系統(tǒng)融入了攝影測(cè)量、地形測(cè)量、三維建模方面的實(shí)訓(xùn)內(nèi)容。模擬系統(tǒng)除了具有攝影測(cè)量的教學(xué)內(nèi)容之外，還能利用室內(nèi)豐富的地形地貌沙盤(pán)進(jìn)行地形測(cè)量方面的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)，利用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站獲取的“4D”數(shù)據(jù)，還能進(jìn)行三維建模、紋理映射、空間分析等方面的教學(xué)實(shí)驗(yàn)。

3 無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量模擬系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 打破空間限制

無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量模擬系統(tǒng)采用信息化技術(shù)控制攝像頭在模擬沙盤(pán)上空的模擬飛行，實(shí)現(xiàn)了打破空間限制，杜絕無(wú)人機(jī)安全隱患。同時(shí)滿足了以“信息技術(shù)+”升級(jí)傳統(tǒng)專(zhuān)業(yè)，依托虛擬現(xiàn)實(shí)和人工智能等信息技術(shù)的不斷提升。

3.2 促進(jìn)“理虛實(shí)一體化”模式實(shí)訓(xùn)中的應(yīng)用

無(wú)人機(jī)航測(cè)實(shí)訓(xùn)室配套采購(gòu)了大量的硬件設(shè)備，主要包括航測(cè)無(wú)人機(jī)大疆M600一臺(tái)、大疆精靈4RTK三臺(tái)、大疆御2專(zhuān)業(yè)版無(wú)人機(jī)35臺(tái)、航測(cè)軟件及視頻制作軟件等。實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)、虛擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)物實(shí)訓(xùn)的有機(jī)融合。虛實(shí)結(jié)合為教學(xué)服務(wù)，滿足無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)方向的課程的教學(xué)需求。實(shí)訓(xùn)設(shè)施“以實(shí)帶虛、以虛助實(shí)、虛實(shí)結(jié)合”，促進(jìn)教育教學(xué)改革高質(zhì)量發(fā)展。航測(cè)軟件建三維模型如圖5所示。

圖5 航測(cè)軟件建三維模型

3.3 滿足課程教學(xué)需求

無(wú)人機(jī)航測(cè)教學(xué)具有很強(qiáng)的靈活性、安全性、自主性、隨時(shí)隨地為學(xué)生提供模擬實(shí)訓(xùn)的平臺(tái)，有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生實(shí)操的積極性、增強(qiáng)學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的趣味性立足無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量知識(shí)的教育培養(yǎng)，以攝影測(cè)量員、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理員的生產(chǎn)與崗位需求為目標(biāo)，職業(yè)能力構(gòu)建為基礎(chǔ)，與無(wú)人機(jī)航測(cè)生產(chǎn)單位廣泛進(jìn)行校企合作，實(shí)施“工作過(guò)程導(dǎo)向，真設(shè)備、真環(huán)境、真項(xiàng)目、真成果、真考核”的職業(yè)能力訓(xùn)練人才培養(yǎng)。

3.4 為提高師資水平和推動(dòng)教學(xué)改革服務(wù)

無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量模擬系統(tǒng)有利于提高師資水平和推動(dòng)教學(xué)改革，促進(jìn)專(zhuān)業(yè)教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)方式、教學(xué)方法的改革創(chuàng)新，推動(dòng)教學(xué)高質(zhì)量發(fā)展。促進(jìn)與企業(yè)合作，建成技術(shù)裝備先進(jìn)的校內(nèi)外生產(chǎn)性實(shí)訓(xùn)環(huán)境，開(kāi)發(fā)生產(chǎn)性實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，在真實(shí)工作任務(wù)環(huán)境中，建成融教學(xué)與生產(chǎn)為一體的高技能人才培養(yǎng)基地，為地理國(guó)情普查、監(jiān)測(cè)、國(guó)土規(guī)劃、基礎(chǔ)測(cè)繪以及區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供更多高技能型人才支持。

3.5 有利于助力鄉(xiāng)村振興

無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量模擬系統(tǒng)虛實(shí)結(jié)合的應(yīng)用，有利于深入調(diào)研鄉(xiāng)村村情村貌，航拍傳統(tǒng)文化村落保護(hù)與發(fā)展現(xiàn)狀、當(dāng)?shù)芈糜萎a(chǎn)業(yè)發(fā)展的情況。大力宣傳具有濃厚地域和民族特色的文化內(nèi)涵，帶領(lǐng)農(nóng)村群眾一起下好旅游產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)高質(zhì)量發(fā)展這盤(pán)棋，開(kāi)創(chuàng)百姓富生態(tài)美多彩鄉(xiāng)村新未來(lái)。

3.6 打造無(wú)人機(jī)航測(cè)方向的課程的培養(yǎng)基地

借助現(xiàn)有的無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量實(shí)訓(xùn)室硬件和軟件條件，充分調(diào)動(dòng)專(zhuān)業(yè)教師的積極性，精心打造特色課程，推進(jìn)課程育人。積極申報(bào)無(wú)人機(jī)應(yīng)用方向的“三全育人”課程試點(diǎn)，進(jìn)一步優(yōu)化和完善素質(zhì)拓展課程體系，修訂全生源人才培養(yǎng)學(xué)分制框架方案，一二課堂和特色課程學(xué)分互換，學(xué)分互認(rèn)，構(gòu)建課上課下、線上線下協(xié)同育人機(jī)制。開(kāi)展第二課堂特色實(shí)踐課程，推動(dòng)實(shí)踐育人厚基工程，是通過(guò)開(kāi)展各類(lèi)特色課程、項(xiàng)目、活動(dòng)，作為對(duì)第一課堂和第二課堂的有效補(bǔ)充，開(kāi)發(fā)特色選修課程、項(xiàng)目發(fā)掘?qū)W生興趣，提升實(shí)踐動(dòng)手能力，使學(xué)生善進(jìn)退、能獨(dú)立、有特長(zhǎng)、知榮辱、懂禮節(jié)、敢擔(dān)當(dāng)。為推動(dòng)學(xué)院“三全育人”試點(diǎn)工作服務(wù)，打造無(wú)人機(jī)航測(cè)方向的三全育人課程的培養(yǎng)基地。

3.7 提升系部社會(huì)服務(wù)能力

（1）加強(qiáng)校企合作，充分利用協(xié)調(diào)創(chuàng)新中心機(jī)房進(jìn)行航測(cè)數(shù)據(jù)處理。學(xué)校與生產(chǎn)單位建立專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)實(shí)操基地，利用寒暑假，節(jié)假日與單位合作生產(chǎn)，合作模式可為單位外包項(xiàng)目給學(xué)校，也可是雇傭?qū)W校場(chǎng)地和學(xué)生進(jìn)行生產(chǎn)，共同開(kāi)發(fā)2個(gè)生產(chǎn)性實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。通過(guò)校企合作，師生參與企業(yè)生產(chǎn)項(xiàng)目，讓教師革新教學(xué)觀念，更新教學(xué)方法與內(nèi)容，讓學(xué)生零距離接觸生產(chǎn)，全面提高學(xué)生綜合素質(zhì)。

（2）面向測(cè)繪、水利、國(guó)土資源、城市規(guī)劃、交通、石油、電力、煤炭等行業(yè)生產(chǎn)第一線，具有誠(chéng)信品質(zhì)、敬業(yè)精神，責(zé)任意識(shí)，并能夠從事地形圖測(cè)繪、像片控制測(cè)量、像片調(diào)繪、解析空中三角測(cè)量、航測(cè)內(nèi)業(yè)成圖、遙感圖像處理等生產(chǎn)工作和組織管理工作，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)事業(yè)服務(wù)提供可靠測(cè)繪信息的高技能人才。

3.8 推動(dòng)社會(huì)培訓(xùn)

在現(xiàn)有的條件下，逐步完善硬件軟件條件，輔助學(xué)校開(kāi)設(shè)相關(guān)專(zhuān)業(yè)組建校外培訓(xùn)班，培訓(xùn)社會(huì)人才以及兄弟院校學(xué)生，為生產(chǎn)單位輸送人才，建立學(xué)校自己的人才資源庫(kù)，試點(diǎn)開(kāi)展無(wú)人機(jī)操控社會(huì)培訓(xùn)：

（1）室內(nèi)理論培訓(xùn)。理論部分理論教學(xué)內(nèi)容主要包括民航法律法規(guī)與空域申請(qǐng)、氣象條件等飛行環(huán)境的選擇、空氣動(dòng)力學(xué)、無(wú)人機(jī)系統(tǒng)飛行原理等內(nèi)容，通過(guò)理論知識(shí)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)于無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生掌握無(wú)人機(jī)系統(tǒng)基本原理，達(dá)到可完成實(shí)際無(wú)人機(jī)系統(tǒng)作業(yè)操作的能力。學(xué)生掌握航空飛行器的基本理論知識(shí)以及無(wú)人機(jī)飛行要點(diǎn)，同時(shí)，掌握無(wú)人機(jī)簡(jiǎn)單維修、保養(yǎng)等相關(guān)能力；通過(guò)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，具備取得 AOPA 認(rèn)證、測(cè)繪資質(zhì)從業(yè)資格證認(rèn)證的能力。

（2）室外實(shí)操飛行培訓(xùn)部分。室外實(shí)操飛行培訓(xùn)，主要用于鞏固室內(nèi)培訓(xùn)的理論知識(shí)和手動(dòng)控制飛機(jī)的能力，主要用于掌握測(cè)繪無(wú)人機(jī)飛行要點(diǎn)及遙感數(shù)據(jù)采集要點(diǎn)。通過(guò)前期室內(nèi)模擬環(huán)境下完成無(wú)人機(jī)的操控入門(mén)，將模擬練習(xí)結(jié)合實(shí)際飛行，為了降低教學(xué)成本采用訓(xùn)練機(jī)進(jìn)行教學(xué)，從模擬飛行向?qū)嵱?xùn) 飛行轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)真正的飛機(jī)操控，積累實(shí)際飛行經(jīng)驗(yàn)。后期熟悉室內(nèi)操作后可通過(guò)外場(chǎng)實(shí)際操作演練逐步達(dá)到一個(gè)合格飛手水平。

無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量模擬系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了打破空間限制，可以有效地防止墜機(jī)和傷人事件的發(fā)生，杜絕在實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)的安全隱患。以“信息技術(shù)+”升級(jí)傳統(tǒng)專(zhuān)業(yè)，促進(jìn)“理虛實(shí)一體化”模式在攝影測(cè)量實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)中的應(yīng)用，在教學(xué)中的應(yīng)用有明顯的優(yōu)勢(shì)。無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量模擬系統(tǒng)模擬獲取下方模擬沙盤(pán)的影像數(shù)據(jù)，然后可以下傳影像數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行空三加密、三維建模等數(shù)據(jù)處理，可以用軟件生產(chǎn)DOM、DEM、DLG等數(shù)字測(cè)繪產(chǎn)品，從而實(shí)現(xiàn)教學(xué)、演示、實(shí)訓(xùn)，虛實(shí)結(jié)合的目的，推動(dòng)教育教學(xué)高質(zhì)量發(fā)展。同時(shí)加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)測(cè)繪地理信息新技術(shù)、新工藝、新方法的應(yīng)用，極大地提高學(xué)生的職業(yè)技術(shù)水平，提升學(xué)生的就業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力，拓寬學(xué)生的就業(yè)面。