一種循序漸進的無人機航測實踐教學模式

蔡 鵬 岳 雄 李笑瑜 艾慧麗 戚文杰 楊文杰

(1. 江蘇航空職業(yè)技術學院 航空工程學院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212134; 2. 江蘇航空職業(yè)技術學院 鎮(zhèn)江市無人機應用創(chuàng)新重點實驗, 江蘇 鎮(zhèn)江 212134; 3. 武漢兆格信息技術有限公司, 湖北 武漢 430223)

0 引言

隨著攝影測量技術與無人機應用技術的迅猛發(fā)展,攝影測量已逐漸為廣大生產單位在實際生產中使用。無人機航測實踐教學是培養(yǎng)學生能力培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié),無人機航測實踐教學包括外業(yè)和內業(yè)實踐教學兩部分。

文獻[1]提出無人機航測多元化教學模式,能提高學生的無人機航測實踐創(chuàng)新能力。文獻[2]提出基于學習產出的教育模式(Outcomes-Based Education, OBE)理念的攝影測量學實踐教學方法,建立了以實踐教學內容優(yōu)化、平臺建設和多元化評價方法為核心的攝影測量實踐教學體系,鍛煉了學生攝影測量實踐能力。文獻[3]探索基于桌面云實驗室的攝影測量實驗的全新開放教學模式,培養(yǎng)了學生自主實踐操作能力。文獻[4]提出特色攝影測量實驗模式的創(chuàng)建方案,能幫助學生理解和掌握攝影測量理論和技能,并增強學生的實際動手能力。文獻[5]在攝影測量實踐教學過程中,通過“分組攝影、分片成圖、連成一體”的方式,實現(xiàn)了校區(qū)無人機航測成圖的實踐教學工作。文獻[6]對無人機攝影測量課程的實踐教學進行了探討,為具備無人機硬件設備的攝影測量學課程實踐教學提供重要參考。文獻[7]探討無人機航測內業(yè)與外業(yè)的教學實驗，對相關高校和專業(yè)開設類似實驗具有一定的借鑒意義。文獻[8]對創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育與專業(yè)教育相融合的測繪工程專業(yè)人才培養(yǎng)模式進行了探討。以上無人機航測的實踐教學模式中，缺乏對國內外航測內業(yè)軟件不同特點進行比較的實踐教學，缺乏切實可行的基于手機近景攝影的三維建模的實踐教學。

本文提出一種循序漸進的無人機航測實踐教學模式,分為基本能力實訓和強化能力實訓。基本能力的外業(yè)實訓通過無人機地面站設置2D航線以獲取垂直影像,內業(yè)實訓通過DPGrid和Pix4Dmapper軟件生產數字地圖;強化能力的外業(yè)實訓通過無人機地面站設置3D航線以獲取傾斜影像,內業(yè)實訓通過Agisoft Metashape和ContextCapture軟件生產3D模型。分模塊按步驟執(zhí)行且人機交互多的DPGrid和Agisoft Metashape軟件更適合無人機航測實踐教學。本文通過切實可行的手機近景攝影進行三維建模的實踐教學，以增強無人機航測實踐教學效果。

1 無人機航測的循序漸進實踐模式

本文通過循序漸進的實踐教學模式,以培養(yǎng)和增強學生的無人機航測實踐能力。

無人機航測外業(yè)通過無人機地面站設置2D航線以獲取垂直影像,內業(yè)通過DPGrid和Pix4Dmapper攝影測量軟件進行垂直影像處理,利用DPGrid軟件生產數字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)、數字正射影像(Digital Orthophoto Map，DOM)、數字線劃地圖(Digital Line Graphic，DLG),利用Pix4Dmapper軟件生產數字地表模型(Digital Surface Model，DSM)、DOM,以培養(yǎng)學生無人機航測實踐的基本能力,分模塊按步驟執(zhí)行且人機交互多的DPGrid軟件更適合基本能力的實踐教學。

無人機航測外業(yè)通過無人機地面站設置3D航線以獲取傾斜影像,內業(yè)通過Agisoft Metashape和ContextCapture攝影測量軟件進行傾斜影像處理,生產3D模型,以增強學生的無人機航測實踐能力,ContextCapture軟件的三維重建效果好,分模塊按步驟執(zhí)行過程詳細的Agisoft Metashape軟件更適合強化能力的實踐教學。

2 無人機航測基本能力實訓

無人機航測外業(yè)通過大疆精靈4 RTK無人機飛2D航線以獲取垂直影像,內業(yè)通過DPGrid和Pix4Dmapper攝影測量軟件對垂直影像進行處理,生產DEM、DOM、DLG、DSM,以培養(yǎng)學生無人機航測實踐的基本能力。

DPGrid軟件是數字攝影測量網格處理系統(tǒng),為中國工程院院士張祖勛提出并指導研制出的新一代數字攝影測量系統(tǒng)[9-12]。DPGrid主要包括原始資料分析與整理、新建工程、匹配連接點、自由網平差及交互編輯、添加控制點、控制點平差及交互編輯、模型生成、密集匹配、點云處理、DEM生產、DOM生產、DLG生產等部分。

如圖1(a)通過大疆精靈4 RTK無人機地面站設置江蘇航院局部范圍的2D航線,即無人機在一定高度的二維平面飛行且攝像頭垂直向下,并設置重疊率、飛行速度和高度、返航點等飛行參數。上述步驟教師先在實訓室課堂上給學生講清楚,在室外的實際場景中演示給學生看,然后,讓學生親自動手進行實際操作。大疆精靈4 RTK無人機自動起飛、自動按設置航線飛行并攝影,完成任務后自動返回。

圖1 DPGrid軟件的DEM生產和DOM拼接

圖1中,大疆精靈4 RTK無人機自動拍攝142幅影像,DPGrid軟件通過匹配連接點、自由網平差及交互編輯、添加控制點、控制點平差及交互編輯、模型生成、密集匹配等主要步驟后生成DEM如圖1(b)所示,上述142幅影像在DEM上經過像片糾正生成142個單片DOM，圖1(c)是其中的20個單片DOM,然后拼接生成1個完整的正射影像圖如圖1(d)所示。老師對上述具體步驟邊講解邊演示,然后,學生完成相應的步驟。考慮到在普通臺式機上142幅影像密集匹配生成DEM時間長達幾個小時以上,可以在實訓課上直接給出142幅影像已有DEM成果,讓學生在課上完成142個單片DOM生產和拼接實訓如圖1(c)～(d)所示。

Pix4Dmapper軟件是由瑞士Pix4D公司研發(fā),是一款集全自動、快速、專業(yè)精度為一體的無人機數據和航空影像數據處理軟件[13-14]。Pix4Dmapper處理過程完全自動化,無需人工干預,可以將上千張影像快速制作成專業(yè)的、精確的二維地圖和三維模型。Pix4Dmapper主要包括初始資料準備、工程建立與數據導入、快速處理檢查(可選)、控制點添加、全自動處理等部分,全自動處理部分包括初始化設置、點云加密、DSM和DOM生產。

通過大疆精靈4 RTK無人機在江蘇航院局部范圍飛2D航線,如圖2(a)所示,自動拍攝146幅影像,并利用Pix4Dmapper軟件生成密集點云,如圖2(b)所示,DSM如圖2(c)所示,DOM如圖2(d)所示。其自動化程度高、人機交互少、生成成果質量較好。在上述無人機航測外業(yè)和內業(yè)實訓中,教師先講解和演示具體步驟,然后,學生再模仿完成相應的步驟。由于普通臺式機使用Pix4Dmapper軟件生成146幅影像的DSM及DOM成果時間長達幾個小時,因此，選取其中23幅影像,保證學生能在有限的課堂時間內完成實訓任務。

圖2 Pix4Dmapper軟件的點云、DSM和DOM生產

Pix4Dmapper軟件自動化程度高,人機交互少,學生不能體驗單片DOM 生產和多個單片DOM拼接這個完整的過程;而DPGrid軟件可以讓學生體驗上述過程,使學生不僅知其然(DOM拼接的最終結果),而且知其所以然(DOM拼接的整個過程),能有效培養(yǎng)學生無人機航測的扎實基本功。

DPGrid軟件功能齊全,通過其立體影像測圖模塊可實現(xiàn)DLG生產,這是Pix4Dmapper等其他攝影測量軟件所不具備的。如圖3所示,DPGrid軟件利用立體影像測圖功能通過對道路、房屋等地物的三維坐標采集,獲取局部的一個立體對像[圖3(a)]的DLG成果，如圖3(b)所示。實訓課上,教師講解并演示如何利用一個立體像對獲取相應的局部區(qū)域的DLG成果,然后,學生處理完成全部立體像對的DLG采集及相鄰像對之間的接邊,最終生產出完整的DLG,這樣可以培養(yǎng)學生利用攝影測量軟件生產DLG的基本能力。

圖3 DPGrid軟件的DLG生產

3 無人機航測強化能力實訓

無人機航測外業(yè)通過大疆精靈4 RTK無人機飛3D航線以獲取傾斜影像,內業(yè)通過Agisoft Metashape和ContextCapture攝影測量軟件對傾斜影像進行處理,生產3D模型,以增強學生的無人機航測實踐能力。

Agisoft Metashape軟件是Agisoft PhotoScan軟件的后續(xù)版本,Agisoft Metashape軟件是基于最新的多視圖3D重建技術,圖像對齊和3D模型重建都是自動的,其工作流程完全自動化[15]。Context Capture軟件是一個三維建模軟件,是在其前身Smart3DCapture技術的基礎上發(fā)展起來的一種新的軟件解決方案,從拍攝的照片生產出高分辨率的3D模型,無需任何人工干預[13-16]。

本文通過讓學生用手機對江蘇航院中某個物體進行圍繞拍攝,然后,利用Agisoft Metashape軟件和ContextCapture軟件進行三維重建,生產相應3D模型,并進行效果比較,可以讓學生對基于無人機航測的三維重建有一個直觀認識。

如圖4所示,教師讓學生通過手機圍繞江蘇航院校園中路牙角落的石頭拍38幅影像,也可以讓學生選擇其他物體進行手機攝影,這樣可以充分調動學生主觀能動性。然后,教師分別通過Agisoft Metashape軟件和ContextCapture軟件對上述石頭場景的影像進行三維重建,對軟件步驟邊講解邊演示,并安排足夠時間給學生完成相應步驟。

圖4 手機攝影三維重建效果

上述兩種軟件操作過程不一樣, Agisoft Metashape軟件可以分為點云生成、網格生成和紋理生成等主要步驟,每步都產生相應的中間結果,先后生成石頭場景的稀疏點云、加密點云、網格模型和帶紋理的網格模型，如圖4(a)所示。這些中間結果的生成參數都可以分別設置,生產步驟較為詳細,這樣可以加深學生對三維重建的基本步驟的理解和操作(圖5);而ContextCapture軟件自動化程度高,且使用上具有一定的專業(yè)技巧性,軟件直接生成最終的帶紋理的網格模型如圖4(b)所示,不能加深學生對三維重建的基本步驟的理解和操作。

圖5 Agisoft Metashape軟件的部分操作流程

關于江蘇航院某局部場景,Agisoft Metashape軟件和ContextCapture軟件對石頭部分的三維重建質量整體上都挺好,但對與石頭的幾何特征不同的路牙部分,ContextCapture軟件重建質量比Agisoft Metashape軟件好,這樣可以讓學生對這兩種軟件三維重建效果有個直觀比較,從而增強對這兩種三維重建軟件的理解和操作。

在江蘇航院某局部場景中，如圖6(a)所示,通過大疆精靈4 RTK無人機地面站設置3D航線(即井字路線),橫向和縱向航線位置的攝像頭分別傾斜一定角度,總共拍攝227幅影像。圖6(a)是通過ContextCapture軟件重建江蘇航院局部區(qū)域的3D模型,圖6(b)和(c)分別是Agisoft Metashape軟件和ContextCapture軟件進行三維重建的局部效果圖,可以看出ContextCapture軟件比Agisoft Metashape軟件三維重建效果好。通過這兩種軟件的建模效果比較,能增強學生對無人機航測影像的三維模型重建過程的理解和操作。

圖6 無人機攝影三維重建效果

4 結束語

本文提出一種循序漸進的無人機航測實踐教學模式,分為基本能力實訓和強化能力實訓。基本能力的外業(yè)實訓通過設置2D航線以獲取垂直影像,內業(yè)實訓利用DPGrid和Pix4Dmapper軟件生產DEM、DOM、DLG、DSM,分模塊按步驟執(zhí)行且人機交互多的DPGrid軟件更適合基本能力的實踐教學;強化能力的外業(yè)實訓通過設置3D航線以獲取傾斜影像,內業(yè)實訓通過Agisoft Metashape和ContextCapture軟件生產3D模型,ContextCapture軟件的三維重建效果好,分模塊按步驟執(zhí)行且入門更容易的Agisoft Metashape軟件更適合強化能力的實踐教學。