基于MapMatrix的无人机航空摄影测量实践教学改革

2023-02-08

随着数字摄影测量技术应用的发展, 数字摄影测量学已经成为测绘与地理信息专业的核心主干课程, 同时也成为工程测量、矿山测量等相关专业的专业技术课程。然而在摄影测量学教学中, 尤其是数字摄影测量部分涉及大量图形与图像的表达内容, 这些内容重在培养学习者空间想象力及空间变换的思维过程, 包含大量抽象理论和方法。因此, 许多开设数字摄影测量学的高校, 大多都同时设置相应配套的摄影测量实践教学环节, 以辅助学生充分理解教学过程中抽象的概念与复杂的数学公式[1]。

由于目前大多数高校受实验条件及设备所限, 存在实验环节偏离生产, 实验系统平台陈旧, 学生实践环节考核形式化等问题, 摄影测量实践教学并没有真正地发挥其课堂教学的辅助与巩固的作用, 无法激发学生对于摄影测量专业的兴趣, 从而增加摄影测量方向就业与深造的困难性。本文尝试结合生产单位常用的全数字摄影测量工作站Map Matrix, 对摄影测量实践教学环节进行合理的模块化设计, 以“分组外业, 分区测图, 交叉检核, 合为一体”为四大模块, 开展对校园数字化测图的实践教学, 完全采用生产单位的项目管理模式, 建立以学生自主考评的多级考核体系, 旨在突破传统数字摄影测量学课程的实践教学模式, 帮助学习者加深对摄影测量专业知识的理解, 提升专业实践能力, 提高摄影测量理论和实践教学效果, 为相关数字摄影测量课程提供参考[2]。

一、Map Mtrix全数字摄影测量工作站简介

Map Matrix是由航天远景潜心研发的新型数字摄影测量系统, 它不仅为基础数据生产、处理和加工提供了一系列集成的工具, 而且采用统一的数据管理接口将处理的数据有效地管理起来, 为后期数据增值和共享提供基础, 成为数据的采集、处理、编辑、入库、维护和更新等空间地理信息数据处理的整体解决方案。Map Matrix是目前国内唯一支持实时核线测图的摄影测量软件, 首创实现实时核线浏览测图, 中心投影立体像对无需采集核线影像即可快速测图, 节约了磁盘空间的同时也提高了作业效率;同时, 还支持ADS40的0级影像的处理。该系统可广泛地应用于基础测绘、城市规划、国土资源、卫星遥感、军事测量、公路、铁路、水利、电力、能源、环保、农业、林业等众多领域, 是中国成长最快的数字摄影测量平台。

随着测绘行业的不断发展, Map Matrix多源地理数据综合处理系统市场占有率不断的增加, 市场上对Map Matrix学习需求也在不断的增加, 而普通高校教育中又很难将理论与生产实际很好的结合起来。武汉航天远景科技股份公司于2015年底发布了Map Matrix辅助教学系统, 很好的打通了从教学到生产的一个衔接。Map Matrix教学系统是由航天远景潜心研发的一款针对Map Matrix教学以及Map Matrix新手入门的辅助教学系统。该系统包含教点解析、交互教程、软件考核三大部分, 有效的帮助教师展开教学工作, 同时非常有利于新手快速入门。

二、实践模式的改革

(一) 传统实践模式存在的问题

传统的摄影测量学实践教学模式, 多是以“教师”为中心的指导性实践课程。实质上只是课堂教学的延伸, 因为大多实践模式都是以“教师先操作, 学生后模仿”的伪实践, 学生没有发挥主动学习的积极, 而是被动地模仿实验室教师的程序化操作而已, 仅仅是对数字摄影测量系统平台机械化的复制。实验成果的考核实际上是重复实验指导老师操作精准化的体现, 这使得学生不愿尝试, 不敢犯错, 懒于思考, 最终造成极差的实践效果, 无法达到提高学生实践操作水平, 激发学生专业兴趣的教学目标[3]。

(二) 构建创新型实践模式

本文提倡的创新型实践模式, 采用师生间“市场运营”与学生间“合作生产”相结合, 即在实践教学环节中, 教师与学生的角色分别是市场条件下的甲方与乙方。

教师作为甲方只负责下达测图任务书与最后成果验收, 学生是承担测图生产任务的测绘生产部门, 学生间的关系是共同完成甲方测图生产任务的合作关系。实践资料包含全数字摄影测量Map Matrix操作手册、数字测图国家标准等相关资料可由实验指导教师提供[4,5]。当任务一旦下达, 由学生自己进行设定外业与内业任务, 激发学生自主学习的积极性, 指导教师仅提供辅助性指导, 学生遇到问题首先要自己去分析解决问题, 而不是依赖老师。

(三) 创新型实践模式的优点

1. 提高学生自主创新

实践整个环节中, 没有实验教师的机械性操作指导, 学生需要自己整合资料, 自行设计外业与内业, 软件的操作没有模式化的指导, 而是让学生自己去感受全数字摄影测量系统的软件逻辑, 学生能够创新型地发现多种操作方式完成同一个功能, 提高作业效率。

2. 激发学生专业兴趣

没有了教师的指导, 学生更加易于尝试, 易于发现问题。从而在一定程度上, 激发学生主动分析问题从而解决问题, 在实践过程中, 能够真实地体验到摄影测量学的精妙之处, 相较于传统模式, 学生自主意识得到有效地发挥, 从而增强他们学习摄影测量的成就感。

3. 促进学生团队协作

由于航测任务的紧迫性与复杂性, 使得学生间必须进行组内分工协作, 科学合理地进行内业与外业分工, 组内组长与组员间需要加强沟通与合作, 促进学生间的团队协作能力, 最终能够提高学生在摄影测量学生产中解决实际问题的能力

三、实践环节的改革

针对目前传统的摄影测量实践环节单一、模式化严重的问题。本文提出以“分组外业, 分区测图, 交叉检核, 合为一体”为四大模块的新型实践教学环节。以下是对模块化实践环节进行阐述:

(一) 分组外业

由于目前我院所采购的无人机为大疆精灵4型的数量有限, 必须要对航测外业的学生进行分组。由教师进行合理地分配, 协调学生进行分组外业, 尽量避免学生多组同时航飞, 以防止同型遥控器信号干扰。为避免出现坠机等意外情况, 外业全过程需要指导教师进行现场监管。

(二) 分区测图

根据测区范围大小 (可选不同校区) , 并结合学生之前外业的分组情况, 对测图区域进行合理分区。分区原则是尽量地让每个分区都具有多种不同的地物类型, 由组长负责测图的分工协作, 测图成果需要进行组内检查后, 方可提交至下一环节。

(三) 交叉检核

提交的测图成果, 需要在组与组间进行交叉检核。检查过程发现问题的组可以获得考核加分, 被发现问题的组相应地进行扣分处理。将问题成果检核修改后, 获得至少两个不同的组检验合格后方可最终提交。

(四) 合为一体

经过组内与组间的检核后的成果, 由各组长一同进行拼接处理, DEM与矢量图进行一体化整合, 并出具相应的质检报告。最后, 由指导教师进行最终质检与评估, 如果发现质量问题要与相应分组的考核分数挂钩。

四、实践考评的改革

针对传统的考评机制过于成果化, 缺乏过程化考评机制等问题, 本文力图构建多级过程性实践考评体系。其考评机制如下:

(一) 组内互评

组内人员依据组内同学的协作能力、沟通能力、问题解决能力等量化指标进行相互打分, 分制为100分。由于在实践过程中, 组长承担着组织与管理作用, 因此组长有权利对组内人员进行相应地评分, 可对其评分赋予较高的权重。

(二) 组间互评

组间互评是在实践过程中, 包括外业与内业, 依据组间协同性、组间数据质量、测图效率等量化指标进行组间交叉互评, 分制为100分。分值在一定程度上代表着该组在与他组进行协同作业的精神风貌。

(三) 师生互评

教师在师生互评环节中, 依然通过考评机制体现着市场条件下甲方的角色, 依据测图成果质量、测图完成效率以及实验操作规范等多项量化指标对各组进行评分, 分制同为100分。学生在此环节中, 也可依据实践教学效果对指导教师进行评分, 同时可以匿名提出改进意见, 此项考评数据主要提供给课程教学的评教系统, 以帮助教师在第一时间获得教学反馈。

由此可见, 在实践教学过程中建立了有效的考核评价机制, 每个参加实践教学的学生会得到组内评分、组间评分以及教师评分三项, 不同学校可依据自身办学特色与宗旨赋予不同的权重。依据我院应用型人才的办学特点, 所采用的权重分别为0.25、0.35和0.40。

五、结语

本文根据Map Matrix全数字摄影测量工作站测图流程, 通过创新型实践教学模式、模块化实践环节设计以及过程化考评机制进行了探索性改革, 使学生可快速熟悉基于全数字摄影测量工作站的数字产品生产过程, 操作得心应手[6]。通过项目生产的模拟性实践, 激发学生的自主学习兴趣, 培养学生的动手实践能力, 促进学生间的团队协作, 过程性的考评机制也切合办校特色与主旨, 最终达到提高数字摄影测量学教学质量与效果的目的。

摘要：为达到数字摄影测量学的实践教学目的, 通过科学合理地对实验环节进行模块化设计, 让学生在综合应用全数字摄影测量工作站Map Matrix的基础上, 解决具体的4D产品制作问题, 进一步加深学生对数字摄影测量原理的理解, 同时也能进一步提高学生对全数字摄影测量平台的操作和应用的熟练水平。对数字摄影测量实验教学模式和考评机制进行了探索式改革:以应用型人才培养为主线, 以模拟航测生产项目为依托, 培养学生实践创新的能力。

关键词：数字摄影测量,Map Matrix,探索式改革,创新能力