无人机在摄影测量学课程教学中的应用

吴云

天津市东丽区职业教育中心学校  天津市  300300

摘要：近年来无人机在摄影测量及相关领域中应用越来越广泛，社会对摄影测量专业的人才需求日趋扩大。但是，目前摄影测量学的教学内容和教学方法并没有针对无人机摄影测量应用做出相应的调整和改革，培养出的学生难以满足用人单位的需求。针对这一问题，在分析原有课程理论体系的基础上，结合无人机在各个领域的应用需求，将课堂理论与课外实践结合起来，建立了以无人机平台为基础的摄影测量实践体系。下面，文章就无人机在摄影测量学课程教学中的应用展开论述。

关键词：无人机；摄影测量学；课程教学

引言

无人机应用技术专业作为培养专业测量人才的主要内容，要想为社会输送具有系统化理论知识体系与较强实践操作水平的现代测绘类人才，需要充分认识到摄影测量学课程体系存在的不足，进而深入开展教学改革，而无人机的技术特点使其在摄影测量学课程教学中的应用具有较高的可行性，能够加快促进当前摄影测量学课程改革，促使学生能够更好地将理论知识与实际情况相结合，进而灵活运用理论知识分析与解决问题，从而在保证教学成效的同时，切实为现代测绘发展提供高素质人才。

1“摄影测量学”特点及理论体系

1.1 “摄影测量学”特点

摄影测量学是一门交叉学科，涉及到计算机视觉、高等数学、误差理论等多个领域的知识，因此其知识点非常多，概括起来具有以下特点：

（1）概念多。整个课程涉及的专业概念非常多，如内外方位元素、空间前（后）方交会、相对（绝对）定向、空中三角测量等。这些概念可以分为两类，第一类与其他学科概念相似，如空间前（后）方交会，其基本定义与测量学中的定义相似，但是又有区别。第二类完全属于摄影测量领域的概念，如空中三角测量、立体像对等[1]。

（2）公式多。摄影测量的理论性很强，基本上每一章节都有公式，更为重要的是很多公式需要学生掌握，甚至要求学生能够进行推导，这也是很多学生对摄影测量望而却步的一个重要原因。比如共线方程、共面方程、相对（绝对）定向解算，推导过程中要综合运用高等数学、线性代数、误差理论与测量平差方面的知识，尤其在处理非线性化方程时，要用到微积分、泰勒级数展开式、矩阵运算方面的知识。

（3）坐标系多。为了完成从平面影像坐标到空间地理坐标的转换，先后引入多套坐标系统，这些坐标系统有采用左手准则建立的，也有通过右手准则建立的，既包括平面坐标系，也有空间坐标系。在整个坐标转换过程中，对学生的空间思维能力要求较高。

（4）知识面广。摄影测量学由多个学科交叉融合而成，是影像信息科学的重要组成部分，主要任务是从航空或航天影像上快速准确的解译出目标物的空间信息，涉及数字图像处理、计算机图形学、模式识别、人工智能、数据库技术等领域。尤其是摄影测量进入全数字化时代后，其对计算机领域的最新科研成果依赖度更高，因此需要加强与其他学科之间的联系[2]。

1.2 “摄影测量学”理论体系

虽然摄影测量学涉及多个不同学科的知识，但都围绕着一个基本任务展开 — —“地形图测绘”。根据这个基本任务可以将摄影测量学课程的基本内容分为两大部分：摄影和测量。摄影主要是获取满足规范要求的航空影像，是测量的基础；测量主要是由像点坐标计算出对应的地面点大地坐标，是摄影的目的。学生可以将书本中的各个知识点进行串联，理解每个知识点解决的是什么问题，在整个摄影测量体系中的作用与地位，达到提纲挈领的作用，明确学习思路。

2无人机与摄影测量学课程教学

摄影测量学课程教学的主要内容为外业的航空摄影与业内数据处理分析，其与传统测量学不同，其属于非接触式的摄影测量技术，信息化特点突出。摄影测量对专业人员的实践操作能力要求较高，主要在于测量结果的精准性直接关乎工程质量与施工安全，因此为在摄影测量学课程教学中提高学生综合实践能力，需要探寻一些教学手段进行辅助，其中无人机的应用具有较高的可行性，主要表现在以下三个层面。

（1）技术支持。无人机在我国已经实现了快速发展，不仅在测绘领域有着切实应用，在农业、生态等领域均有较强的渗漏，为此我国当前无人机技术已经实现了优化与完善，市场上相关产品的类型与功能也愈发丰富。对于摄影测量学课程教学而言，消费级无人机就可以为其提供有效的技术支持，消费级无人机可以满足低空航空摄影测量需求，同时消费级无人机可以适配多种数据处理分析软件，因此对于摄影测量学课程教学而言，将消费级无人机应用到实践教学中能够指导学生更好地开展航线规划、实地飞行、影像校正等操作，对学生的操作熟练度进行强化[3]。

（2）指导教师支持。无人机在摄影测量学课程教学改革中的应用，强调将无人机切实融入实践教学环节。在此要求下，为保证无人机在摄影测量学课程教学中的应用成效，切实促使学生能够在无人机辅助下更好地掌握相关知识与技能，需要由专业教师进行专业的指导，使学生能够正确操作与使用无人机，进而完成相关学习。为此，高校在开展摄影测量学课程教学改革时，充分认识到了教师需要承担的指导作用，进而组织教师开展了相关学习，专业教师能够掌握基础的无人机相关知识。与此同时，为保证摄影测量学实践课程教学质量，在实际教学时还邀请了具有专业资质的无人机操作人员对学生进行指导，使学生可以掌握航片采集、数据采集等技能。

（3）教学设备支持。摄影测量学课程教学改革中，无人机的应用需要由专业的设备提供支持，学校在此要求下引进了消费级无人机设备与高性能计算机软硬件资源，能够满足学生无人机操作练习需求以及无人机影响处理需求。

3 无人机在摄影测量学课程教学中的应用

无人机在摄影测量学课程教学改革中具有较强的可行性，因此在实际教学中需要充分借助无人机开展教学实践，主要内容应以无人机基本组成、无人机航线规划、地面像控点施测、无人机数据获取、无人机影响成果制作。

3.1无人机基本组成教学。要想指导学生能够熟练运用无人机完成摄影测量工作，提高学生专业素养，最基础的条件是让学生了解与掌握无人机，因此在实践教学中，无人机基本组成教学为最基础内容。基于此，教师在教学期间需要根据学生对无人机的掌握情况，合理制定教学内容，并利用多媒体课件让学生在图片与视频帮助下更好地掌握无人机的各个构成以及不同部件的实际作用。在实际摄影测量中，需要在室外进行，因此在指导学生开展无人机基本组成教学后，教师需要带领学生进行实际组装练习，为保证教学的有效性，教师需要设计教学情境，即假设操场为需要无人机航空摄影测量作业的主要对象，要求学生从班级将无人机搬至操场附近，随后进行组装。在前几次组装时，为避免学生组装错误，在起飞后给无人机造成损坏，教师需要依次对学生的无人机组装情况进行指导与纠正。

3.2无人机航线规划教学

摄影测量是非接触式测量技术，这就要求测量人员对测量对象进行数据信息采集，随后对采集到的信息进行处理分析，随后得到测量结果。在此要求下，为保证影响采集的全面性与有效性，需要规划正确的航线轨迹，让无人机在设定的轨迹中飞行，因此在摄影测量学课程教学中，应开展无人机航线规划实践教学，首先教师需要向学生讲授理论知识，让学生充分掌握航向重叠度、旁向重叠度、地面分辨率、航高等内容之间的关系以及各个知识点，其次教师需要向学生示范演示如何开展航线规划，最后要求学生以小组为单位讨论设计无人机航线规划要点，并用思维导图的形式展现出来。基于无人机航线规划是开展后续相关测量工作的基础，可以根据学生对该层面知识的掌握情况，合理增加相关教学学时[4]。

3.3地面像控点施测教学

无人机在飞行时会记录POS信息，但对无人机记录下来的POS信息质量了解发现，大部分无人机在飞行时所记录下来的POS信息的精准性均存在一定问题，这对于信息采集与信息处理分析有着较大影响，因此在地面像控点施测教学中，教师需要重视无人机POS信息不够精准问题，在教学中要求学生必须保证定向的精神准度，进而保证成果的精准度，并以此为主要原则在地面上进行像控点设置。在像控点设置后，需要保证无人机在飞行中能够准确进行识别，不可出现遗漏，为此在教学中教师还需要指导学生在像控点布设时需要将其进坑设置在空旷的位置上，不要紧邻建筑或其他障碍物，同时还需要确保像控点的分布要均匀。在学生掌握像控点布设要求后，教师应带领学生进行实践，要求学生以小组为单位，一人进行像控点布设，一人操控无人机，一人确定无人机采集到的数据内容，以此让学生能够及时将理论知识转化为实践能力，在巩固课堂所学知识的同时，还可以切实提升自身实操能力。

3.4无人机数据获取教学

在实际摄影测量过程中，测量数据需要通过无人机进行采集获取，而要想获得具体的数据内容，则需要将采集到的信息内容利用高性能计算机软硬件设备进行处理与分析，可见无人机数据获取为关键环节，在摄影测量学课程教学改革过程中，教师需要提高对无人机数据获取教学的重视程度，且无人机数据获取主要考验学生的实操能力，因此在此内容教学时应以实践教学为主，即指导学生完成航线规划，上传航线，随后自主操作无人机起降。在此实践教学中，学生不仅可以同时实际操作无人机起降掌握数据获取技能，还能够针对不同的天气情况以及影响无人机飞行的相关因素，及时做出反应，保证无人机飞行安全与信息获取的全面性，这对于提高学生的应急反应能力有着确切意义[5]。

3.5无人机影像成果制作教学

摄影测量技术能够构建出测量对象的三维模型，而单位模型的制作需要有专业的知识技能提供支持，以此才能够有效保证测量影像成果制作成效，及时提供出精准可靠的三维模型。基于此，在摄影测量学课程教学改革中需要积极开展无人机影像成果制作教学，让学生熟练掌握影像均色和匹配处理技术、空中三角测量与点云加密技术、成果坐标转化技术等，进而在专业的理论知识与技能支持下熟练地开展无人机影像成果制作，这有助于学生在今后实际工作中拥有较强的综合素质能力，可以更好地应对工作需求，完成摄影测量工作。

结语

综上所述，随着摄影测量行业向着更广、更深的方向发展，社会对摄影测量方面的人才需求越来越多，对其要求也越来越高。过去那种“重理论、轻实践”的培养方式已经不能满足用人单位对学生的要求。因此，作为高校摄影测量学的专业课教师，在向学生讲解清楚基本原理的基础上，更应该培养学生的主动思维能力、动手能力和创新能力，这样培养出的学生才能为用人单位所接受，很快融入到实践生产中。

参考文献

[1]段平,李佳,周京春等.无人机背景下摄影测量学课程的实践教学探讨[J].测绘通报,2020(03):150-153.

[2]刘凯,龚辉,曹晶晶.无人机参与摄影测量学课程实践教学的应用探索[J].教育教学论坛,2020(01):261-262.

[3]尤号田.无人机在摄影测量学课程教学改革中的应用[J].教育教学论坛,2019(37):137-138.

[4]尤号田.摄影测量学实习课程教学改革探讨[J].中国教育技术装备,2019(10):128-130.

[5]陈建军,尤号田,付波霖.无人机在摄影测量学教学实践中的应用探讨[J].教育现代化,2019,6(27):146-147.