[摘要]當(dāng)前,攝影測(cè)量課程中常見(jiàn)的實(shí)訓(xùn)科目覆蓋技術(shù)單一、缺乏與其它測(cè)量技術(shù)的協(xié)同應(yīng)用與綜合比對(duì),不利于測(cè)繪工程專業(yè)學(xué)生對(duì)不同測(cè)量技術(shù)的優(yōu)劣特性形成系統(tǒng)、全面的認(rèn)知,在一定程度上制約了他們綜合利用多種技術(shù)、解決實(shí)際復(fù)雜問(wèn)題能力的發(fā)展。因此,論文設(shè)計(jì)了此大型綜合實(shí)訓(xùn):實(shí)訓(xùn)融合了航空攝影測(cè)量、無(wú)人機(jī)遙感、CORS定位技術(shù)、三維激光掃描、全站儀及水準(zhǔn)儀測(cè)量等多種測(cè)量技術(shù);同時(shí),作為現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)的重要代表,攝影測(cè)量將成為此綜合實(shí)訓(xùn)的核心。論文從總體設(shè)計(jì)、合理性、學(xué)生基礎(chǔ)、軟硬件條件、成員組成及分工、具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程和成績(jī)?cè)u(píng)定方面對(duì)該實(shí)訓(xùn)進(jìn)行論證分析,表明其具有良好的可實(shí)施性、值得推廣。

[關(guān)鍵詞]測(cè)繪工程;綜合實(shí)訓(xùn);攝影測(cè)量技術(shù);無(wú)人機(jī);三維激光掃描技術(shù);全站儀;水準(zhǔn)儀

測(cè)繪發(fā)展至今,測(cè)量技術(shù)不斷革新與發(fā)展。傳統(tǒng)測(cè)量手段(全站儀、水準(zhǔn)儀等)具備更高的精度,但是費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、效率較低。三維激光掃描技術(shù)是最新出現(xiàn)的局地精細(xì)測(cè)量與建模的優(yōu)勢(shì)手段,但是當(dāng)測(cè)量范圍較大時(shí)無(wú)法滿足需求。攝影測(cè)量作為現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)的重要代表之一,在高分辨率空間數(shù)據(jù)的獲取方面具有顯著優(yōu)勢(shì)明顯,且具備優(yōu)良的可量測(cè)性,便于生產(chǎn)高精度測(cè)繪產(chǎn)品。但是它也存在不足[1]:數(shù)據(jù)重復(fù)采集、資金耗費(fèi)大等,同時(shí)其空間數(shù)據(jù)供給在時(shí)效性和靈活性上也遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際需求。低空無(wú)人機(jī)遙感是解決上述不足的重要手段。無(wú)人機(jī)遙感屬于低空數(shù)字航空攝影測(cè)量,相對(duì)傳統(tǒng)攝影測(cè)量來(lái)說(shuō),它機(jī)動(dòng)快速、操作簡(jiǎn)單、云下攝影,能獲取高分辨率航空影像,影像制作周期短、效率高、成本低,在應(yīng)急測(cè)繪、困難地區(qū)測(cè)繪、小城鎮(zhèn)測(cè)繪、重大工程項(xiàng)目測(cè)繪、小范圍高精度測(cè)繪應(yīng)用廣泛[2]。鑒于攝影測(cè)量上述優(yōu)勢(shì),攝影測(cè)量學(xué)成為測(cè)繪工程本科專業(yè)的專業(yè)核心課程。通過(guò)該課程的學(xué)習(xí),有利于完善學(xué)生測(cè)繪知識(shí)體系、提升其綜合測(cè)繪技能。然而,當(dāng)前攝影測(cè)量課程中常見(jiàn)的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目[3]往往針對(duì)單一的攝影測(cè)量技術(shù),缺乏該技術(shù)與其它技術(shù)的協(xié)同應(yīng)用、綜合比對(duì),不利于學(xué)生深刻理解攝影測(cè)量技術(shù)特性,不利于學(xué)生對(duì)不同測(cè)量技術(shù)的優(yōu)劣特性形成系統(tǒng)、全面的認(rèn)知。這也在一定程度上制約了他們綜合利用多種技術(shù)、解決實(shí)際復(fù)雜問(wèn)題的能力。因此,面對(duì)當(dāng)前測(cè)量技術(shù)不斷革新、新舊技術(shù)并存的形勢(shì),設(shè)計(jì)一個(gè)融合傳統(tǒng)至現(xiàn)代多種測(cè)量技術(shù)的大型綜合實(shí)訓(xùn)具有一定迫切性。同時(shí),考慮到攝影測(cè)量在現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)中的重要地位,將研究設(shè)計(jì)以攝影測(cè)量技術(shù)為核心的涵蓋多個(gè)課程、不同測(cè)量技術(shù)的測(cè)繪工程大型綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。

一、實(shí)訓(xùn)總體設(shè)計(jì)及合理性分析

本實(shí)訓(xùn)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示:圖1實(shí)訓(xùn)總體設(shè)計(jì)上述設(shè)計(jì)主要包含以下三方面的內(nèi)容:試驗(yàn)區(qū)無(wú)人機(jī)影像獲取及數(shù)據(jù)處理:針對(duì)試驗(yàn)區(qū)(如作者所在的廈門理工學(xué)院),利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有無(wú)人機(jī)設(shè)備、并聯(lián)合合作企業(yè)進(jìn)行高質(zhì)量航拍,獲取無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù),并同步進(jìn)行地面靶標(biāo)坐標(biāo)測(cè)量(利用CORS系統(tǒng));結(jié)合VirtuoZo/JX4、Pix4DMapper軟件系統(tǒng)對(duì)無(wú)人機(jī)影像進(jìn)行處理,生成DEM、DLG產(chǎn)品;基于三維激光掃描技術(shù)、全站儀、水準(zhǔn)儀的試驗(yàn)區(qū)DEM、DLG產(chǎn)品生成:利用三維激光掃描儀、全站儀、水準(zhǔn)儀等儀器等試驗(yàn)區(qū)內(nèi)典型區(qū)域(如廈門理工學(xué)院的一處小山丘)進(jìn)行測(cè)量并獲取其DEM、DLG產(chǎn)品;結(jié)果對(duì)比與分析:對(duì)上述各測(cè)量技術(shù)所得DEM、DLG產(chǎn)品進(jìn)行比較,從結(jié)果精度、測(cè)量耗時(shí)、所需人力等方面全面分析各技術(shù)測(cè)量效能,獲取各技術(shù)的綜合、科學(xué)認(rèn)知。下面將對(duì)上述設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行具體分析,首先對(duì)“實(shí)訓(xùn)以無(wú)人機(jī)低空數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)為核心”的原因進(jìn)行分析。無(wú)人機(jī)遙感[4]是以無(wú)人機(jī)為飛行平臺(tái),利用高分辨CCD相機(jī)系統(tǒng)獲取遙感影像,利用空中和地面控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)影像的自動(dòng)拍攝和獲取,同時(shí)實(shí)現(xiàn)航跡的規(guī)劃和監(jiān)控、信息數(shù)據(jù)的壓縮和自動(dòng)傳輸、影像預(yù)處理等功能。作為一種空間數(shù)據(jù)獲取的重要手段,無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量日益成為一項(xiàng)新興的測(cè)繪重要手段,是衛(wèi)星遙感與有人機(jī)航空遙感的有力補(bǔ)充。當(dāng)然,無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量也存在測(cè)量精度方面的問(wèn)題。如,固定翼無(wú)人機(jī)航空測(cè)量系統(tǒng)在進(jìn)行地形測(cè)量時(shí),存在著測(cè)量誤差。這些誤差主要來(lái)源于儀器誤差、人為誤差、氣候等外界因素影響產(chǎn)生的誤差。這些誤差需要借助儀器設(shè)備、處理算法予以消除。如,本實(shí)訓(xùn)將結(jié)合全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)(或Pix4DMapper軟件系統(tǒng))和CORS系統(tǒng),解決無(wú)人機(jī)存在的姿態(tài)控制問(wèn)題及地面控制點(diǎn)問(wèn)題,得到高精度的DEM等數(shù)字產(chǎn)品。鑒于無(wú)人機(jī)低空數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量具有上述特性及顯著優(yōu)勢(shì),可作為現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)的典型代表,故在攝影測(cè)量綜合實(shí)訓(xùn)科目中,將其定位為核心。進(jìn)一步,對(duì)得到的高精度DEM等數(shù)字產(chǎn)品,使用三維激光掃描儀、全站儀、水準(zhǔn)儀等技術(shù)獲取同樣的產(chǎn)品,對(duì)它們進(jìn)行比較分析。通過(guò)分析,可知:該實(shí)訓(xùn)綜合性強(qiáng),各組成部分既獨(dú)立、又相互關(guān)聯(lián)、相互補(bǔ)充,整體的設(shè)計(jì)較為系統(tǒng)、科學(xué);同時(shí),實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目整體較為復(fù)雜、具有一定的研究性質(zhì)。這些對(duì)于鍛煉學(xué)生綜合技能、培養(yǎng)其解決實(shí)際問(wèn)題的能力有很大促進(jìn)作用。

二、實(shí)訓(xùn)組成要素剖析

下面將從實(shí)訓(xùn)的學(xué)生基礎(chǔ)、軟硬件條件、成員組成及分工、具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程、成績(jī)?cè)u(píng)定等5個(gè)組成要素對(duì)實(shí)訓(xùn)進(jìn)行剖析,以論證該實(shí)訓(xùn)的可實(shí)施性。(一)學(xué)生基礎(chǔ)考慮本實(shí)訓(xùn)綜合性強(qiáng)、存在一定難度,因此要求學(xué)生在之前的課程學(xué)習(xí)中已熟練掌握全站儀、水準(zhǔn)儀、地面三維激光掃描儀的使用及其數(shù)據(jù)處理方法。并初步具備全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)VirtuoZo/JX4、無(wú)人機(jī)影像處理軟件Pix4DMapper的實(shí)際操作技能。(二)軟硬件條件根據(jù)綜合實(shí)訓(xùn)設(shè)計(jì)方案,要求教學(xué)單位具備如下的基本軟硬件條件。需要具備測(cè)圖用高端無(wú)人機(jī);具備可進(jìn)行一定范圍內(nèi)高精度定位的CORS系統(tǒng);需要具備VirtuoZo、JX4或者航天遠(yuǎn)景等全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng);需要具備正版Pix4DMapper軟件,若條件有限,亦可考慮試用版Pix4DMapper軟件,進(jìn)行無(wú)人機(jī)影像處理;具備法如(Faro)三維激光掃描儀測(cè)量系統(tǒng)。此外,需具有豐富的全站儀、水準(zhǔn)儀等傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器資源。上述部分設(shè)備屬于新興設(shè)備,若教學(xué)單位尚未購(gòu)買,可考慮以有償方式與企業(yè)合作解決,若能以互惠共贏的無(wú)償方式進(jìn)行合作則更佳。(三)成員組成和分工由于此實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目綜合性強(qiáng)、工作量大,甚至存在一定的科學(xué)研究性質(zhì)。這要求學(xué)生不僅具備較好的測(cè)繪工程專業(yè)個(gè)人能力,而且需要具備一定的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。故綜合實(shí)訓(xùn)安排在大三下學(xué)期較為合適。此時(shí)學(xué)生已具有一定的知識(shí)儲(chǔ)備及實(shí)踐操作技能,且經(jīng)過(guò)之前實(shí)踐課程的訓(xùn)練具備了一定的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。實(shí)訓(xùn)實(shí)施中以組為單位,每組設(shè)計(jì)人數(shù)為4-5人,具體分工如下:組長(zhǎng):1人,負(fù)責(zé)整個(gè)實(shí)訓(xùn)的計(jì)劃安排和實(shí)施、組員分工,并參與具體的數(shù)據(jù)測(cè)量與內(nèi)業(yè)處理。外業(yè)數(shù)據(jù)采集及內(nèi)業(yè)處理:3-4人,配合組長(zhǎng)進(jìn)行實(shí)訓(xùn)計(jì)劃的制定與實(shí)施,并重點(diǎn)負(fù)責(zé)儀器設(shè)備的操作、數(shù)據(jù)采集及內(nèi)業(yè)處理。(四)具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程1.無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)獲取及處理利用無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)生成廈門理工學(xué)院DEM數(shù)據(jù)的方法流程主要包含:準(zhǔn)備工作(試驗(yàn)區(qū)地面勘察及靶標(biāo)布設(shè))、無(wú)人機(jī)影像獲取及地面靶標(biāo)控制點(diǎn)數(shù)據(jù)采集(利用CORS系統(tǒng))、基于Pix4DMap-per與VirtuoZo/JX4軟件系統(tǒng)的廈門理工學(xué)院DEM等數(shù)字產(chǎn)品生成。其中的幾個(gè)關(guān)鍵步驟如下[4]:相控點(diǎn)的布設(shè)與測(cè)量本次實(shí)驗(yàn)像控點(diǎn)為航飛前布設(shè)好的石灰標(biāo)志點(diǎn)和油漆點(diǎn),呈十字型,規(guī)格為0.4*1.0米。像控點(diǎn)結(jié)合測(cè)區(qū)的地形進(jìn)行布設(shè)。②航線的設(shè)計(jì)在對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行航線設(shè)計(jì)時(shí),要注意像片重疊度的設(shè)置,一般要求航向重疊度不能小于53%、旁向重疊度不能小于15%。同時(shí)在航線設(shè)計(jì)時(shí)一個(gè)航帶內(nèi)的最大航高與最小航高之差不能大于30米。③內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理無(wú)人機(jī)影像的內(nèi)業(yè)處理主要包括影像預(yù)處理、匹配、空三加密、正射糾正等,獲得DEM、DOM等數(shù)字產(chǎn)品。數(shù)據(jù)處理利用Pix4DMapper與VirtuoZo/JX4軟件系統(tǒng)完成。2.利用三維激光掃描儀獲取部分典型區(qū)塊的DEM產(chǎn)品地面三維激光掃描數(shù)據(jù)獲取過(guò)程一般為:現(xiàn)場(chǎng)查看、掃描站點(diǎn)的確定、標(biāo)靶布設(shè)、數(shù)據(jù)掃描、數(shù)據(jù)處理等幾個(gè)步驟。掃描區(qū)域同樣位于上述無(wú)人機(jī)影像拍攝區(qū)域內(nèi),選取試驗(yàn)區(qū)內(nèi)具備較為顯著起伏的地面作為對(duì)象(如小山丘),以充分體現(xiàn)三維掃描技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。[5]為了能夠?qū)⒌孛嫒S激光掃描數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到工程獨(dú)立坐標(biāo)中去,需要對(duì)掃描的區(qū)域布設(shè)標(biāo)靶,并用無(wú)棱鏡全站儀測(cè)出標(biāo)靶的坐標(biāo)。一般為了能夠保證轉(zhuǎn)換的精度,至少需要四個(gè)及以上的反射片標(biāo)靶。且標(biāo)靶的布設(shè)要均勻的分布在測(cè)區(qū)周圍,另外這些標(biāo)靶不能在同一條線或是同一個(gè)面上。在數(shù)據(jù)采集階段,采樣間距的設(shè)置十分重要,因?yàn)椴蓸娱g隔太太,會(huì)影響后期的數(shù)據(jù)處理,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。另外如果采樣間隔太小,則會(huì)影響到掃描的精度。在數(shù)據(jù)處理階段,對(duì)不同站點(diǎn)的掃描數(shù)據(jù),首先要進(jìn)行預(yù)處理,預(yù)處理主要包括去除噪點(diǎn)等。對(duì)各站的數(shù)據(jù)初處理后就可以根據(jù)標(biāo)靶、進(jìn)行不同站點(diǎn)之間數(shù)據(jù)的拼接。當(dāng)各個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)拼接完畢后,就可以進(jìn)行濾波分類處理等,獲得DEM數(shù)據(jù)。進(jìn)一步,可利用地面三維激光掃描獲取得到的DEM來(lái)對(duì)正射校正的無(wú)人機(jī)影像進(jìn)行逐像元投影差改正、鑲嵌生成數(shù)字正射影像,并將其與利用VirtuoZo或Pix4DMapper軟件系統(tǒng)生成的無(wú)人機(jī)數(shù)字正射影像進(jìn)行比對(duì),這樣將增強(qiáng)學(xué)生對(duì)三維激光掃描技術(shù)與無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)特性差異的理解。3.利用全站儀、水準(zhǔn)儀獲取部分典型區(qū)塊的DEM、DLG產(chǎn)品數(shù)據(jù)針對(duì)上述相同的試驗(yàn)區(qū)(如廈門理工學(xué)院)與對(duì)象(如小山包),利用全站儀、水準(zhǔn)儀傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),獲取地面高精度DEM、DLG產(chǎn)品。該技術(shù)方法已經(jīng)比較成熟,這里不做贅述。4.結(jié)果比較與分析通常以全站儀、水準(zhǔn)儀等地面高等級(jí)測(cè)量為基準(zhǔn),對(duì)特定比例尺下無(wú)人機(jī)影像、三維激光掃描儀所得到的DEM、DLG產(chǎn)品精度進(jìn)行分析,評(píng)價(jià)新興技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效能。同時(shí),對(duì)幾種技術(shù)的測(cè)量時(shí)間、所需人力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、比對(duì),分析不同技術(shù)的測(cè)量效率;谏鲜霰容^與分析,獲取對(duì)幾類技術(shù)的整體認(rèn)知、綜合評(píng)價(jià)。5.撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告在上述綜合實(shí)驗(yàn)、結(jié)果分析的基礎(chǔ)上,撰寫實(shí)訓(xùn)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告,對(duì)項(xiàng)目整體做出總結(jié)。并以此作為學(xué)生實(shí)訓(xùn)成績(jī)的評(píng)定依據(jù)。(五)成績(jī)?cè)u(píng)定考核內(nèi)容:實(shí)訓(xùn)報(bào)告的合理性、完整性,結(jié)果的正確性,必要的操作演示、口試質(zhì)疑。成績(jī)等級(jí):成績(jī)按優(yōu)秀、良好、中等、合格和不合格五級(jí)制評(píng)定。

三、總結(jié)

基于上述對(duì)實(shí)訓(xùn)總體設(shè)計(jì)、合理性、組成要素的細(xì)致分析,可知:該實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目總體比較科學(xué),具有較好的可行性。通過(guò)該實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的實(shí)施,應(yīng)幫助學(xué)生樹(shù)立一種思想:不同測(cè)量技術(shù)具備不同的優(yōu)勢(shì)與不足,并不存在具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的技術(shù),應(yīng)針對(duì)不同測(cè)量要求與測(cè)量條件選擇最為合適的技術(shù)手段。同時(shí),它也有助于啟發(fā)學(xué)生。這些理念對(duì)于增強(qiáng)學(xué)生綜合技能及專業(yè)素養(yǎng)、提升解決實(shí)際問(wèn)題能力具有重要意義。

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