虚拟现实技术在无人机航空摄影测量实验教学中的应用①
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摘 要：航空摄影测量是一门理论性和实践性都很强的课程，实验教学在其中起着关键的作用。本文首先对该课程实验教学中存在的问题以及教学改革的必要性进行了分析，然后结合无人机航空摄影测量实习的特点，采用虚拟现实技术，建立了无人机航空摄影测量实验教学平台。对于解决实践环节中成本高、风险大、时间长、效果差等问题极具理论和现实意义，可为遥感科学与技术专业的实践教学改革提供有益的参考和借鉴。
关键词：航空摄影测量 实验教学改革 无人机 虚拟现实
中图分类号：P231-4;G642 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）09（b）-0223-04
Abstract： Photogrammetry is a very theoretical and practical course， and experimental teaching plays a key role in it. This paper first analyzes the problems in the experiment teaching and the necessity of the teaching reform， and then combines the characteristics of the photogrammetry practice and advantages of VR technology to set up an experimental teaching platform for the UAV-based photogrammetry. It is of great theoretical and practical significance to solve the problems of high cost， high risk， long time and poor effect in the practice， which can provide useful reference for the reform of the practical teaching of Remote Sensing Science and technology.
Key Words： Photogrammetry; Experimental teaching reform; Unmanned aerial vehicle; Virtual reality
虛拟现实（Virtual Reality， VR）技术是人与计算机生成的虚拟环境进行交互活动的技术手段[1]，其融合了真实场景和虚拟世界，以三维建模、实时互动、人工智能和身临其境等特征，成为“未来教育改革”的重要发展趋势[2-3]。虚拟实验教学作为一种新兴的实验教育形式，能够实现学习媒体的情景化及自然交互性，基于VR技术的实验教学系统具有安全性、沉浸性、交互性、针对性等特征，有助于构建一种可控的、逼近真实、多感知一体化的学习环境，使学生由被动接受者变成课堂的主导者，并通过人与虚拟世界的多元感知和自然交互，实现自主探索和认识客观事物的目标。
摄影测量学是一门理论与实践并重的课程，其实验教学部分是培养学生扎实的摄影测量学处理技能、完成从理论学习到实践应用的关键过程[4-5]。特别是近年来随着无人机技术的兴起和持续升温，基于无人机的航空摄影测量实验教学在实践中起到了越来越重要的作用。但是，由于软、硬件设备投入成本高，学生人数众多，以及实验学时的限制，目前主要是以实验室参观展示功能为主，很难满足每个学生独立学习和交互操作的需求。此外，由于受无人机飞行安全因素、场地环境及天气条件等因素的限制，导致目前航空摄影测量实验教学陷入实训成本高、拓展资源少、教学效果差、实践探究有限的不利境地。
实验教学正面临着一场深刻的实验手段变革。引入VR技术，无论对于实践教学模式的改革还是学生自主深度学习的提高都有很强的促进意义[6-7]。因此，本文对VR技术在航空摄影测量实验教学中的应用探索进行研究，基于VR技术进行虚拟无人机航空摄影测量实验系统设计和实现。
1 无人机航空摄影测量虚拟仿真实验的主要内容
教学实践环节对专业学习而言非常重要，根据摄影测量技术特点设计可操作性强的虚拟实践项目，是虚拟仿真实践研究的主要目标。随着测绘科学与技术的蓬勃发展，摄影测量有许多创新性研究成果，无人机摄影测量技术是这其中典型的代表。遥感科学与技术专业属于技术应用型专业，对学生实践能力的培养有很高的标准和要求[8-9]。为了使摄影测量课程的实践教学与新技术的发展和应用相适应，开阔学生视野，培养学生的研究创新能力，我们将摄影测量实践的内容在数据获取和处理方面进行了适当的扩展和更新，让学生能够跟踪摄影测量技术发展的前沿水平，培养提高学生实践动手能力和学习兴趣，提高学生的综合设计、研究创新和工程实践能力。
无人机航空摄影测量的实验内容涵盖了整个无人机摄影测量的过程，在教学内容组织、实验项目选择上，有明确的针对性和明确的培养目标。整体设计内容包括：无人机及成像传感器选取、无人机航线设计规划、无人机操控与安全防护、地面控制点布设[10]、影像预处理、基于SFM算法[11]的三维重建、数字正射影像（DOM）和数字表面模型（DSM）的生产等。
2 虚拟无人机航空摄影测量实验系统的实现 该虚拟仿真实验系统采用游戏化、趣味性的设计理念，整个系统分为五大模块，如图1所示。其中，知识学院提供了大量理论知识和相关的法律法规，供学生进行理论学习和系统使用参考;数据中心是进行无人机航测数据处理的地方，学生可以在其中进行数据预处理、三维建模和数据产品的制作;在商城中，学生可以选择不同类型的无人机和成像传感器;任务模式和考核模式是系统的核心，主要按照无人机航空摄影测量的过程分为以下相对独立的环节，下面分别对其进行简要的介绍。
2.1 虚拟无人机
系统中有固定翼和旋翼两种无人机三维模型，可采用“爆炸”视图将无人机拆分成零件的状态，配以文字讲解可使学生掌握典型无人机的相关组件，更好地了解无人机。同时，无人机的选择，需要根据法律法规、区域环境、载重与续航时间等因素进行调整。主要内容包括：
（1）选择固定翼或者多旋翼无人机，同时展示不同类型无人机的特点和参数信息，例如给出该無人机的载重与续航时间，让学生了解直接影响机型选择和航线规划的重要因素;
（2）虚拟一键拆解安装。在拆解时，学生可查看无人机零件的参数信息，如螺旋桨、机架、电池等。
2.2 虚拟成像传感器
该模块（图2）通过形象的动画并配以文字讲解，使学生理解焦距、感光器件尺寸、影像尺寸、成像距离与地面分辨率及成像比例尺之间的关系，掌握评价和选择成像传感器的一般原则。
2.3 虚拟起飞/降落地点选择
起飞和降落地点的选择将直接影响无人机的飞行安全以及是否能够达成任务目标。该模块通过身临其境的虚拟现实技术，训练学生对无人机起降地点、周边环境和气象条件的观察与判断能力。主要内容包括：
（1）法律法规学习。通过法律法规的学习，使学生掌握我国对无人机飞行的相关法律法规信息，熟悉飞行审批的流程;
（2）环境条件观察与判断。通过观察虚拟场景中设定的城市、山区等情景，结合飞行任务以及选用的无人机（多旋翼或固定翼），选择合适的起飞/降落地点。环境条件主要包括是否在禁飞区内、障碍物、场地平整性、时间、风力、天气情况等。
2.4 航线设计与规划
参照无人机地面站[12]的设计，根据学生所选的无人机和成像传感器进行飞行任务的设计和规划（如图3所示）。通过飞行参数的变化，学生可以直观地了解飞行高度与地面分辨率的关系、旁向重叠对任务执行时间的影响、传感器视场角对分辨率和航向重叠的影响，让学生充分理解和掌握飞行任务参数设置对飞行任务的影响。主要内容包括：
（1）飞行任务区域设定，用于确认飞行任务覆盖的地理空间范围;
（2）设置飞行高度、飞行速度、航向重叠率、旁向重叠率、相机倾斜角等信息，通过改变参数，观察系统预估飞行时间的变化，并据此对参数进行重新调整，保证达成飞行任务的目标。
2.5 虚拟地面控制点布设与测量
学生可在全局视图中对控制点的整体布设情况进行设计，并在虚拟地理场景中进行地面控制点的布置与测量，用于对无人机航摄影像的几何校正[12]。
2.6 虚拟起降与任务飞行
该可通过飞行过程中反馈的参数信息（高度、航向、电量等）以及实时显示的飞机拍摄照片，对航摄情况进行直观了解。同时针对突发情况，学员可以进行降落操作，增加学员观察能力和应变处理能力。主要内容包括：
（1）飞行前安全检查。训练学生按照起飞规程对电池、相机、螺旋桨等设备进行安全检查，培养安全意识;
（2）自动起飞与降落。通过虚拟地面站软件，控制无人机的自动起飞与降落行为;
（3）观察飞行参数，包括高度、航向、电量等信息，同时需要注意天气情况;
（4）观察实时无人机拍摄照片。通过观察实时无人机拍摄照片，学生可对航线规划参数设置所产生的结果有直观认识;
（5）突发状况处置。无人机正常降落或遇到突发状况时（如电量不足、恶劣天气等），学员需要通过主观判断，选择飞机降落点，同时对升降速度进行控制，保证飞机安全降落。
2.7 虚拟航测数据预处理
虚拟数据预处理是对无人机航拍所产生的照片进行质量检查、导出与影像配套的POS信息并进行格式转换。学生可查看飞行任务所拍摄的图片数量、日期、地理位置等信息。导出数据后，建立每张照片与POS信息的关联。
2.8 虚拟航测影像处理
通常情况下，利用真实的软件处理大量航测影像会耗费大量的时间并具有较大的不确定性。因此，本模块以基于SFM技术的Photoscan软件[14-15]为原型，采用虚拟现实的方式模拟航测影像处理和建模的全过程，使学生掌握相关处理的软件的基本过程和要点。具体内容包括：导入影像、标记地面控制点、建立空三、点云加密、面片化处理、纹理贴图以及结果输出等。
2.9 虚拟建模效果对比与分析
在建模过程中，参数的设置将会极大地影响最终结果的效果和精度。通常情况下，学生要通过大量的尝试，理解不同参数的意义和达成的效果，但这将耗费大量的计算时间。本模块通过虚拟仿真的方式，让学生直观感受到参数设置和输出效果之间的关系（如图4、5所示）。
3 结语
在大数据时，除大飞机摄影测量数据外，无人机技术为摄影测量技术开拓了更大的发展空间。摄影测量的发展变化对教学、科研、生产均产生了深远的影响。脱离生产实际的纯理论教育是没有意义和生命力的，虚拟仿真是新兴的技术平台，在该平台下进行无人机航空摄影测量实践教学创新研究，对于解决实践环节中成本高、风险大、时间长、效果差等问题极具理论和现实意义，对于巩固理论知识教学效果，培养提高学生实践动手能力和学习兴趣，提高学生的综合设计、研究创新和工程实践能力至关重要。同时，我们还应意识到，这是一项长期的综合系统工程，没有现成的经验可供参考，还需深层次地探讨实践课程的体系设计、实习实践环节和施教方式等问题，并提出相应的实施方案，并最终要落实到虚拟仿真软件的研发和相关课件的建设，以及在教学实践中逐步应用、改进，并趋于完善。
参考文献
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