基于任务驱动的无人机航测数据处理仿真实训

李 艳 谢燕梅

（成都航空职业技术学院 四川 成都 610100）

2019 年国务院发布的《国家职业教育改革实施方案》中提出，随着我国进入发展新阶段，各行业均迫切需求技术技能人才，没有职业教育现代化就没有教育现代化。2021 年《无人机测绘操控员国家职业技能标准》中提出“职业活动为导向、职业技能为核心”的指导思想，对无人机测绘操控员的技能水平和理论知识水平进行了明确规定。职业教育与任务联系紧密，实施任务驱动教学模式是职业教育的理想选择，航测数据处理作为无人机测绘操控员的重要技能之一，在教学过程中需要坚持教学过程与实践过程对接的职业教育理念，探索无人机航测数据处理仿真实训教学方法，促进职业院校无人机专业课程建设的改革，提高职业教育的质量。

1 目前无人机航测数据处理仿真实训存在的问题

1.1 多学科交叉发展，专业知识性强

无人机航测数据处理技术是一门内容抽象、逻辑严密、实用性强的专业课，该课程可以使学生系统地掌握无人机航空摄影测量的基本理论与方法。无人机航测数据处理涉及高等数学、线性代数、计算机、摄影测量学等多个学科的知识；数据处理过程涉及多个坐标系之间的转换，空间关系复杂，空间立体感强，需要学生具有较强的空间想象能力。

1.2 教学过程与实际应用脱节，效果不理想

无人机航空摄影测量如今已进入数码摄影测量时代，在“数字城市”“智慧城市”“地理国情普查”等领域发挥了非常重要的作用。无人机应用技术的不断发展对人才提出了更高的要求，当前教学过程中，学生对无人机航测数据处理的学习仅仅停留在对公式的理解和推导上，与实际生产脱节，该课程的教学效果并不理想，因此，需要对无人机航空摄影测量教学进行新的探索与教学改革。

1.3 学生缺乏对无人机航测数据处理过程的理解，任务导向不明确

数据处理是无人机航空摄影测量的重要内容，在国内外形成了很多成熟的数据处理软件，由于软件“傻瓜式”的操作流程，在生产过程中有操作便捷的优势，而用于职业教学则存在较大的局限性：学生在使用这些数据处理软件时，通常采用默认参数，数据处理过程中任务不明确，学生对无人机摄影测量知识没有一个整体认识。在任务驱动教学过程中，教师将数据处理过程设计成多个任务，而非仅通过数据处理软件运行出结果这一个任务，以任务驱动引导学生思考，在完成数据处理任务过程中提升职业能力。随着国内职业教育教学手段的发展，任务驱动教学和仿真教学方法取得了积极的进展，两者既与高职教学目标相适应，又与无人机航测数据处理教学内容相匹配。

2 基于任务驱动的无人机航测数据处理仿真实训

基于任务驱动的无人机航测数据处理仿真实训以具体任务形式开展教学过程，坚持以学生为中心的实训教学理念，遵照仿真实训项目“能实不虚，虚实结合”的原则，通过典型工作任务来实现学生“做中学”，培养学生交叉学科的航测数据处理方法和解决复杂问题的综合能力。任务驱动的无人机航测数据处理仿真实训过程包括三个实训任务和九个仿真知识点，如图1 所示。

图1 任务驱动的无人机航测数据处理仿真实训

2.1 无人机航测数据处理实训任务

航测数据准备与工程创建。通过无人机“航测数据准备与工程创建”实训任务，首先要求学生掌握航测数据组成、检查数据完整性，理解数据投影坐标系；对工程文件、相机焦距、光圈、图像分辨率等参数的设置，可对比不同参数对数据处理效果的影响。

航测数据空中三角测量。通过无人机“航测数据空中三角测量”实训任务，可以直观地展示出传统教学中难以解释清楚的概念和原理，包括像控点布设、外方位元素、共线方程、共面方程等，要求学生理解内定向、相对定向、绝对定向等摄影测量的基本原理，使其真正掌握数据处理技术流程而非操作步骤，达到掌握一个数据处理空中三角测量软件，其他软件也可以触类旁通的效果。

航测数据成果生成与输出。通过“航测数据成果生成与输出”实训任务，要求学生利用空中三角测量成果，采用全自动空中三角测量导入的方式，通过分辨率、投影坐标等不同参数的设置，生成数字正射影像图（DOM）、数字高程模型（DEM），对各类无人机航测成果数据进行展示，使学生能够完成航测数据成果的生成与输出，并了解该成果在各行业的应用。

2.2 无人机航测数据处理仿真实训过程

无人机航测数据处理实训教学围绕九个关键知识点来开展仿真。

数据组成与完整性检查。航测数据包括影像数据、位姿数据、相机文件以及控制点数据。确认原始数据的完整性主要是检查获取的影像中有没有质量不合格的影像，检查位姿数据与影像数据对应情况，出现不对应时应手动调整。该仿真知识点中采用数据存储技术对不同原始数据格式进行存储与管理，通过仿真系统实现数据的自动加载与完整性检查。

数据投影坐标系。该仿真知识点中通过建立地球椭球模型，采用不同的投影方式模拟地球曲面投影到平面的过程。通过对地球上不同经纬度的仿真实训，学生能够更好地理解不同的投影方式、不同地域上地图投影带来的误差，还可求解不同地方的中央经线、投影带、投影变形等信息。

相机焦距、光圈、图像分辨率。无人机航空摄影测量过程中使用不同的焦距值，同一物体成像的大小不同，焦距越大，成像越大；大光圈易于营造背景模糊的浅景深，小光圈拍摄主体与背景都较为清晰；影像分辨率是显示影像水平、垂直方向上的像素数，像素数越多，分辨率越高，影像质量越好。该仿真知识点通过设置不同的相机焦距、相机光圈、影像分辨率等参数，对比不同参数在数据处理过程中的仿真分析，帮助学生更好地理解相机参数带来的效果。

控制点布设。像控点是摄影测量控制加密和测图的基础，像控点位置的选择和点位的准确程度，直接影响数据处理成果的精度。像控点必须在测区范围内合理分布，通常100 张影像6 个控制点。该仿真知识点通过对比在测区均匀分布与集中布设像控点两种情形，对比100 张影像6 个像控点、12 个像控点、18 个像控点，对比在山地、平原布设同等数量的像控点，观察像控点布设对数据成果精度与数据处理效率的影响。

影像外方位元素。影像外方位元素是指在恢复内方位元素的基础上，确定摄影光束在摄影瞬间的空间位置和姿态的参数。该仿真知识点采用区域网整体平差，整体解求区域内每张相片的六个外方位元素，所有加密点的地面坐标通过已知特征点推算出未知特征点，并自动抽取所有特征点，构成整个目标地区的特征点云。

空间相对定向原理。通过量取影像的同名像点，解算两相邻影像的相对位置关系，空间相对定位重点在于求取同名点，由于同一物体在不同视角下的图像有极大的不同，不同光照情况下物体遮挡，不同物体的几何形状、物体和摄像机之间的空间关系等因素，导致自动确定同名点非常复杂。通过不同视角、不同光照、不同物体情景下的对比分析，对空间相对定向原理进行仿真实训教学。

空间绝对定向原理。通过量取模型的同名像点，解算两相邻影像的相对位置关系的过程叫空间绝对定向；若已知部分像点对应到地面的大地控制点坐标，即可将该测区纳入大地坐标系中，就可计算出每对像点对应的地面点坐标。该仿真知识点中，通过将已知的部分像点对应到地面的大地控制点坐标，实现无人机航测数据处理绝对定向过程仿真教学。

数字正射影像原理分析与应用。数字正射影像图（DOM）是对无人机拍摄的影像进行数字镶嵌，按一定图幅范围裁剪生成的数字正射影像图集，具有精度高、信息丰富、直观逼真、获取快捷等优点，可从中提取自然资源和社会经济发展的历史信息或最新信息。通过仿真实训查看DOM在水利建设上的洪水监测、河流变迁、旱情监测，农业上的农业估算、病虫害分析，海岸线保护和生态变化监测等行业的应用，可扩展学生对数字正射影像图的应用知识。

数字高程模型原理分析与应用。数字高程模型（DEM）是通过有限的地形高程数据实现对地面地形的数字化模拟，在测绘、水文、气象、地貌、地质、土壤、工程建设、通讯、军事等国民经济和国防建设以及人文和自然科学领域有着广泛的应用。通过仿真实训，学生可以查看DEM 在工程应用中的土方量计算、通视分析，防洪减灾的水文分析如汇水区分析、降雨分析、蓄洪计算、淹没分析，无线通讯基站选址上的基站分析等方面的应用，可扩展学生对数字过程模型的应用知识。

3 结语

本文将任务驱动式的教学方法与无人机航测数据处理仿真教学相结合，通过任务驱动教学方法将数据处理过程设计成多个任务促进学生对航测数据处理过程的理解，教学具有较强灵活性、目的性和任务导向性，适应高职院校教学改革的新要求。