无人机航空测绘过程虚拟仿真实验教学的探索

吴 玮，徐敬海

(南京工业大学 测绘科学与技术学院，江苏 南京 211800)

0 引 言

无人机航空测绘是一项新兴的测绘技术，作为传统航空摄影测量手段的有力补充，广泛应用于基础测绘、土地资源调查监测、土地利用动态监测、实景三维建设、智慧城市建设和应急救灾测绘数据获取等领域。在无人机航空测绘技术市场应用需求的推动下，无人机航空测绘亦成为《摄影测量学》课程的关键教学内容之一，然而由于仪器设备本身较为昂贵且对实验场地和气象条件有较为严格的要求，传统实践教学实验实训场地的空间与时间均受到限制，使用测绘型无人机还必须取得相关资质，不利于在校学生学习相关操作知识或是自行获取实验数据。在这种背景下，传统实践教学方式难以确保学生有充足的机会来开展实验实训，因而不利于学生直观形象地理解抽象原理和知识，无法保证教学质量。

虚拟仿真实验教学是依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象[1]。通过建立无人机航空测绘过程虚拟仿真实验平台，借助虚拟实验环境、实验对象和高度仿真仪器设备模型，利用计算机网络生动形象地呈现无人机航空测绘由内业准备到外业数据采集的全过程，通过逼真模拟和深度交互，可以有效地调动学生学习的积极性，弥补传统实践教学方式的不足[2-6]。本文以国家级虚拟仿真实验教学项目—南京工业大学无人机航空测绘过程虚拟仿真实验为例，探讨了虚拟仿真实验教学内容、教学方法和教学评价体系。

1 虚拟仿真实验平台的内容选取

为了更加贴近无人机航空测绘实际生产过程，经过在测绘生产一线单位的调研并考虑到实验内容的特点，最终确定了11个具有代表性的虚拟仿真实验内容。结合无人机航空测绘生产内外业的作业方式，平台将实验内容以内业场景和外业场景的方式呈现出来。其中，内业场景包括无人机的基本知识、航摄方式选择、仪器设备选取与组装；外业场景包括无人机起降点选取、飞行航线设计、飞行前检查与准备、飞行与航摄、异常状况操作训练、无人机降落控制、航摄数据质量检查以及结束航空测绘。

无人机航空测绘过程虚拟仿真实验为综合性实验，呈现了无人机航空测绘影像获取的全过程。虚拟仿真实验具备完全开放性，每一个步骤都可作为一个独立实验内容，学生可重点选取其中个别实验反复操作。11个实验内容按其性质分为认知性实验、设计性实验、操作性实验和观察判断性实验。

1.1 认知性实验

认知性实验包括无人机的基本知识和航摄方式选择。实验通过课件和视频展示了无人机的类型和特点、无人机管理规定、无人机摄影测量方式和流程等内容，加深了学生对无人机相关知识的了解，让学生对无人机航空测绘操作流程更加熟悉，为后续实验做好准备。

1.2 观察判断性实验

无人机起降点选取和航摄数据质量检查都是无人机航空测绘的重要环节，属于观察判断性工作。平台给出了几类典型的起降点环境、数组影像及相应的飞行质量数据，学生可以通过仔细观察、分析，判断起降点是否合适，判定影像数据是否符合规范要求。通过实验学生可以进一步掌握无人机起降点的选取方法和影像质量检查方法。

1.3 操作性实验

仪器设备选取与组装、飞行与航摄、异常状况操作训练、无人机降落控制、结束航空测绘等实验为操作性比较强的内容，虚拟仿真实验平台利用三维建模技术建立了固定翼无人机及地面接收设备模型、多旋翼无人机各主要部件模型，学生可按照实验要求对模型进行操作训练。采用虚拟操作练习，让学生掌握基本操作步骤，提升学生动手能力。

1.4 设计性实验

飞行航线设计主要对飞行区域、基本参数和高级参数等进行设计，属于设计性实验。飞行航线设计是无人机航空测绘的重要环节，直接影响影像数据质量。通过设置不同的参数，航线会发生变化，如飞行高度、飞行速度、航线重叠率和相机曝光时间等。学生可以通过该实验进一步理解各参数的意义和参数要求，掌握飞行航线设计方法。

2 虚拟仿真实验平台的教学方法

虚拟仿真实验平台提供了与无人机航空测绘相关的文档、课件、视频、三维动画和模拟操作等学习资源，实验教学采用了基于学生认知规律、无人机测绘内/外业场景结合、真人示范与虚拟操作相结合等实验教学方法。

2.1 基于学生认知规律

平台将无人机航空测绘生产过程按内容进行分解，循序渐进地引导学生们进入实验，由局部到整体，逐步认识掌握无人机航空测绘生产过程。仿真系统提供了相关的文档、课件、操作视频、三维动画等多种在线学习资料，设计了固定翼无人机和多旋翼无人机的操作模拟，还提供了用于测试总结的课后练习和实验报告。学生在平台内进行虚拟实践操作，产生的问题可在平台内找到答案，做完实验后需及时在平台内撰写实验报告，学生可以在虚拟平台内完成提出问题、解决问题、总结经验的学习过程，符合学生的学习习惯。

2.2 无人机测绘内/外业场景结合

虚拟仿真实验教学是一种让人身临其境的教学方法，生动直观。无人机航空测绘仿真实验场景综合采用了实景三维、虚拟建模三维、全景图三维等多种模式构建，无人机及其主要部件的三维模型由实体拍摄建模而成，场景和模型都高度逼真。虚拟仿真实验整体上分为内业和外业两个实验场景，形象生动地还原了无人机航空测绘过程，有利于学生熟悉真实环境，提高实验的效率。同时由于多模式场景的应用，也能加快模型和场景加载的速度，有效提升系统运行的效率。

2.3 真人示范与虚拟操作相结合

无人机航空测绘过程中，仪器操作和航摄软件使用是教学的重点，也是帮助学生理解和掌握无人机航空测绘过程的关键。对操作性强的步骤，用虚拟操作进行。同时对于一些操作细节较多的内容，为进一步加强学生对知识点的理解和掌握，系统提供了生产一线工程师的现场演示视频，二者相互补充，提升教学效果。

3 虚拟实验平台评价体系

为了巩固学习效果，便于教师更好了解学生的学习情况，虚拟实验平台建立了理论测试和操作测评相结合的学习考评反馈体系。系统针对每个实验步骤提供了测试习题集，测试学生对相关知识点的掌握情况；同时系统对学生操作过程的准确性、熟练程度也设计了评价体系，通过两种评价体系的相互结合，形成对学生学习情况和知识点掌握情况的考评和反馈。

实验结束后，学生需在平台上撰写实验报告，对整个无人机航空摄影测量数据采集项目进行整体分析，加深学生对无人机操作、无人机航测数据采集过程以及外业航测软件的理解和认识，加强了学生无人机测绘的实践能力。

通过对每个学生实验操作和知识掌握情况的实时跟踪、统计和分析，结合学生各方面的建议、评价与反馈信息，授课教师能够真实了解每一个学生的知识点掌握程度，并对学生开展实验的整体情况进行全局分析，以确定教学中的重点和难点，便于指导教师实现持续改进，实现了传统实践教学过程中无法进行的实时化和精细化的教学质量控制。

4 虚拟仿真实验平台的系统构架及使用特点

无人机航空测绘过程虚拟仿真实验平台采用WebGL技术，采用面向服务的软件架构开发，集知识学习、虚拟练习、仿真实验、虚拟实验结果自动批改和教学管理于一体，实现三维场景的真正无插件展示，是具有良好自主性、交互性和可扩展性的虚拟实验教学平台。系统架构如图1所示，该系统以云平台为依托，采用多层架构设计系统，实现了资源的可扩展性、安全性，可大规模共享。系统中保存了南京工业大学真实场景数据、倾斜摄影测量影像等实景三维数据，并制作了多款无人机模型，采用实景三维、虚拟三维、全景照片等融合的三维场景制作技术，较好地提升了系统效率和展示效果。

图1 基于云技术的实验平台架构

用户可以在任何地方通过Internet Explorer、Chrome等网页浏览器登录该实验平台，无须再安装第三方插件。登录平台后，可以看到知识学习、虚拟练习、仿真实验、课后练习、操作视频等学习模块的选择界面。个人的学习情况总结可以在“个人中心”菜单下浏览，包括已经学习的内容及对应的测试结果等详细信息。

5 结 语

无人机航空测绘过程虚拟仿真实验教学的开展改变了传统摄影测量学的实验教学模式。学生先在虚拟仿真平台中进行无人机航空测绘知识学习和模拟操作，熟练后进入实体无人机航空测绘的实践操作，达到良好的互动训练效果，培养学生学习兴趣和激发学习热情。近两年来，该实验平台在我校测绘工程、地理信息科学等专业的实践教学中得到了应用，并结合学生反馈意见不断修改和完善，以期获得更佳的教学效果。实践证明，基于这种虚实结合的教学形式，将实体实验教学与虚拟仿真实验有机地结合，契合了网络时代大学生的认知特点和接受心理，促进了学生理解和掌握知识，拓展实践领域，极大地节省了教学经费、教学资源和教学时间，取得了良好的实践教学效果。