無人機采集數據與數字化教學

摘要：建筑信息建模BIM（Building Information Model））技術在設計階段，被認為是一個非常有用的工具。通過對無人機的測繪數據進行編程生成點云后，可以確定大小和形狀物體、體積、面積、距離等特征，并進一步重建高質量的模型。基于從BIM技術衍生的AHHIM（Art&humanities heritage information model）技術入手，數字化教學就此凸顯出其資源豐富、形式多樣、開放式教學、無時空限的制特有優勢。現如今，高校用于教學的數字化技術已不限于多媒體演示、視頻分享、高校網絡教育平臺等，無人機掃和三維激光掃描、3D打印技術、現實虛擬技術等可以創建三維空間、實現沉浸式體驗的數字化技術也走進課堂。

關鍵詞：無人機、數字化教學、藝術人文遺產信息

概述

無人機掃描可生成點云，通過編程運算導出有真實數值的參數模型，運算過程需要很長時間才能完成。從掃描開始，生成最終的3D模型需要盡可能多的點云數字信息，并將這些信息疊加到模型中。目前用于教育的研究主要集中在自動化流程，學生便捷應用上，3D數字模型從采集數據到3D打印數字模型都比手動方法更高效，也避免了信息和數據的丟失。基于AHHIM的數字化教學主要使用兩種主要方法：第一種方法將點云（或3D數字模型）與數據庫中已有對象的相關數據庫進行比對，也可將掃描數據匯總生成虛擬現實;第二個過程使用點云來執行類型的分類。數字化模型包含其關于幾何、物理性質、組成材料等參數信息。從無人機或激光測繪數據采集開始，獲得帶有信息的數字模型，產生匹配的數字“目錄”，在需要時查詢。

使用掃描生成技術促進藝術文化遺產的數字化存儲，通過在網絡上共享模型或實現虛擬、增強現實，為高校研究者、學生提供準確數據信息。3D掃描技術的應用應是在國家實施制造強國戰略、新文科背景下藝術人文學科教學的主流趨勢。

在攝影測量的數據集的采集階段，為了使無人機獲得一個具有厘米精度的點云數據，并重建一個高質量的，可供藝術人文學科研究及教學的數字模型，圖像采集首先應進行三個步驟：首先，圖像采集類型的定義、地面采樣距離（GSD）的定義和圖像重疊的定義;其次，圖像采集類型設置為自動航點飛行任務，使無人機進行自動飛行;最后，軟件自動計算圖像采集計劃和任務設置，定義以下參數：飛行路線重疊率和采區域，遵守《無人駕駛航空器飛行管理暫行條例》（后文簡稱“條例”）里規定的飛行高度等各種規定，做到符合“公共安全、飛行安全”的要求。以大疆MavicPro為例，SW=真實傳感器寬度=128333mm，FR=真實焦距=8.6mm，imW=圖像寬度像素5472，imH=圖像高度像素3648，垂直飛行的最大飛行高度設置為30米（“條例”規定飛行范圍在目視視距內半徑500米、相對高度低于120米）。使用飛行規劃軟件自動執行數據采集對象沿線不同的循環任務，采用20、25和30米的圓形飛行平面圖，相機傾斜度設置為70°采集到的飛行圖像與地面的其他圖像進行集合編程生成點云。3d數據處理可使用Agisoft或非參數化建模軟SketchUp、Rhino、Maya、3ds Max 、ZBrush等軟件執行。詳細闡述過程由三個不同的階段組成：1. 照片對齊，以圖像生成點云時能充分、合理的疊加;你必須有很少的陰影和足夠的照明;2.利用圖像匹配算法的生成點云;3.生成基于點云的標準網格物（網格是將對象切割為多個“面”）;4.渲染，通過軟件還原真實場景、色彩。

學科融合

《建筑模型制作與工藝》（下文簡稱《建模》）是環境藝術設計教學的一個重要教學環節。建筑模型可以提升設計者的三維空間創造力，也可以用在建筑方案的討論，便于推敲研究設計方案，也可為藝術人文遺產（AHHIM）進行數字化保存、研究。《建模》傳統教學方式是手工或CNN切割制作建筑模型，建筑的相關參數只能通過實地考察、人工丈量的方式進行數據記錄，展示課程的知識點僅通過PPT或視頻，此方式耗時較長且數值易出現偏差，模型制作工藝難有待提高。數字化教學將傾斜攝影技術、三維激光掃描技術、3D打印技術、現實虛擬技術應用于該課堂，可用傾斜攝影技術進行勘測考察還原真實數值，運用3D打印技術、CNC數控雕刻技術等進行模型制作，運用VR現實虛擬技術進行展示。由此類技術衍生的數字化教學相對傳統教學，具有沉浸性、交互性、構想性、仿真虛擬性等特征，可對具有地域性的建筑特征進行多分辨率、多尺度、多時空和多種類的描述。

數字化的模型信息采集和應用是一個過程，幾乎包含了相關特征的所有信息，軟件生成的點云模型非常適合國家倡導新文科背景下的數字化教學。

參考文獻

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項目：《藝術人文學科與物理、計算機等多學科深度融合的數字化課程建設的探索與實踐一一以《建筑模型制作與工藝》課程為例》，2021年度廣西高等教育本科教學改革工程項目，項目編號：2021JGB124

作者簡介：胡毅（1982-），男，水族，浙江紹興人，美術學碩士，任職于廣西大學講師，研究方向：雕塑、數字藝術、AHHIM。