车载测量系统教学试验设计

姚连璧，张邵华，杨鹏羽，赵紫良

(同济大学测绘与地理信息学院，上海200092)

测绘是对地理空间信息的一种描述，从传统的经纬仪、全站仪的人工测量方式，发展到以3S技术为代表的数字化测绘，再到现在以实时、自动、网络化为特征的信息化测绘，测绘学科的理论、方法、手段、成果等都发生了质的变化[1]。测绘科学集成了计算机技术、光电技术、网络通信技术、空间科学、信息科学等，在经济建设、国防建设等都发挥着重要作用，且越来越受到国家重视[2]。目前，全国已有一百多所高校开设了测绘工程专业，测绘发展的日新月异，使传统的测绘教学试验内容已难以满足学生对测绘新技术教学需求，部分内容过于陈旧，甚至与实际生产项目脱轨，这对测绘学科学生实践能力的培养和教学方式改革都提出了更高的要求[3-4]。测绘专业学生不仅需要继承传统测绘基础，更需要对智能化测绘等高新技术的发展、理论、应用具有一定的了解与掌握[5-6]。

随着智能传感器设备和测量设备的智能性、实时性、可靠性越来越高，各种集多种传感器于一体的车载、机载、星载系统，实现了对多源时空数据的采集，地理空间信息等的描绘将越来越多地由智能设备和机器人来完成[7-8]。车载测量系统整合激光扫描仪、GPS、惯性测量单元(IMU)、全景相机等，通过集成处理，可动态进行数据采集、处理，是一种全新、独立的测量方式，为地理信息的采集与更新开辟了一条快捷高效的途径，可以看成一种3S技术的集成应用[9-11]，具有理论与实践并重、多学科交叉渗透、创新发展空间大等优势。本文尝试将车载测量系统引入到本科教学与试验，并与专业知识进行融合，通过实践将理论和方法学以贯通，符合测绘教育的现代化的要求，具有一定的必要性和可行性。

1 测绘教学的现状与存在问题

测绘工程专业建设与教育教学一直是开设本专业的高等院校所研究的重点课题之一。如何构建科学的课程体系和教学模式、定位本专业人才培养要求是研究的主要内容[12]。

目前，笔者所在院校开设了一套涵盖基础理论和实践操作的教学体系。其中，基础理论课程包括测绘学概论、测量学、大地测量学、工程测量学、测量平差、遥感、摄影测量学、地理信息系统、GPS原理、地图学、地籍测量、程序语言设计等；实践教学课程包括测量学实习、数字化数据采集试验、工程测量学实习、摄影测量与遥感实习等[13]。与此同时，测绘教学装备也从“老三仪”逐步替换电子全站仪、数字水准仪、GPS接收机等现代数据采集仪器。但在测绘技术迅猛发展的今天，传统的测绘教学和培养方式还存在一些问题需要进行改革。

(1) 在基础理论课程教学中，虽然学习课程丰富，但大部分属于概论型，只学习了其基本原理，重理论而轻实践，学生学习情绪不高且学科交叉较少，对知识的贯通应用能力弱。随着测绘学科内涵不断丰富、外延不断扩展，特别是多学科的相互渗透，仅开设测绘专业基础课程已经不能匹配学科的发展前沿。

(2) 在实践教学课程中，开设的测量实习以水准仪、全站仪、GPS接收机等仪器为主，教授学生的生产实践方式过于传统，已不能满足在实际生产中对数据采集数量和速度的要求。

(3) 在测绘仪器和装备方面，虽然在课程学习中了解过如卫星遥感、无人机、无人车、测量机器人等测绘前沿产品，但对其系统集成、工作原理、处理应用等却并没有实际接触。为了弥补当前本科生无法接触测绘前沿技术的一大空白，可以将更为先进的测量仪器引入到本科教学，丰富教学的内容。

2 车载测量系统引入教学的前沿性与可行性

测绘行业正在经历智能革命的浪潮，人工智能为测绘学科带来了机遇和挑战，对时间和空间位置服务的需求变为实时、动态、精准及全方位，对传统测绘造成了一定的冲击。测绘行业不在仅限于数据采集，更多的在于数据分析、模拟与决策，由此也催生了一些新领域，如北斗定位、嫦娥探月、无人驾驶、智能监测等[14]。测绘专业学生在学习传统测绘的基本理论、方法后，还应该具有对测绘新科技的灵敏嗅觉与精确方向性，不断提高自身的专业技能与素质，在面向信息化的大数据流中，与时俱进，掌握新技术、新动态[15]。

车载移动测量系统可以移动采集获取密集的点云坐标数据，用于数字城市、实景导航、地理国情监测、应急测绘保障等领域，属于测绘新产品[16]。图1所示为笔者所在单位研发的第三代产品，集两个激光断面扫描仪、IMU及GNSS接收机天线、360°全景相机、GPS时钟、路由器等多个传感器于一体的车载测量系统，硬件总价值60万元左右。激光扫描仪可以在车体移动时扫描获取场景的断面点云数据；GNSS天线与IMU提供原始数据，利用Inertial Explorer后处理软件解算提供车体运动的空间位置与姿态信息(POS系统)，可将获得的断面点云转换为三维连续点云；全景相机将采集获取的多幅影像拼接得到现场实景，用于可视化显示等；GPS时钟、路由器用于本系统的时间同步等。车载测量系统集多种技术于一体，将其引入到本科教学，弥补了传统测绘课堂的单一性，具有一定的前沿与必要性。

图1 车载测量一体化集成系统

车载移动扫描系统的关键技术包括：①多传感器集成；②时间、空间同步；③POS系统。对多个不同类型的传感器集成，进行一体化数据采集，经过多个传感器时间同步和坐标系的统一完成空间同步后，通过定位定姿解算提供轨迹参数，获得空间数据。其中涉及测绘本科教学中学习过的一些基本原理，如扫描仪极坐标法解算坐标、GPS时间系统、数学插值计算、坐标系的定义与空间转换、GPS定位、惯导的功能利用、对影像相对定向与绝对定向解算等。对本科生而言，通过适当的课堂原理介绍与试验设计实践，理解难度不是很大，具有一定的适宜性与可行性。将其引入到教学，既可以避免学生课堂学习的乏味性，以及对传统测绘需要人员跋山涉水进行数据采集的排斥感，对学生观念进行更新，提高专业学习兴趣，也可以通过多角度、多学科知识的学习，激发学生的创新与科研能力，提高就业竞争力。

3 教学设计与组织实施

将车载移动测量系统引入到本科教学，必须注重理论与实践相结合，既要做到课程设计的合理性，降低学习难度，减轻学生负担，又要发挥信息化教学的前沿性，将测绘新技术以通俗易懂的方式引入，激发兴趣，拓宽思维，锻炼学生分析问题、解决问题的能力，提高动手实践操作能力等。因此，为适合本科生理解与学习，将教学设计分为课堂原理介绍、仪器参观学习、试验操作、数据处理等，进行模块化教学，以学生试验参与为主、老师讲解为辅。

(1) 多传感器的功能与原理教学。通过在测绘专业课“工程测量实验课程”中增加2个课时的移动测量系统的原理介绍课程，让本科生能够了解移动测量系统的整体原理、架构与应用，能够在测绘传统产品(如水准仪、全站仪等)基础上对测绘前沿产品有一定的启蒙。通过介绍所需要的各个传感器，如扫描仪、IMU、全景相机等，让学生对其功能、工作原理等有一定的了解，而且在课程试验中让学生接触各个传感器如何使用、如何设置，并对获取的数据格式、结构等进行介绍，以改变学生对传统测绘的认知，提高学生对测绘新兴产业的兴趣和热情。

(2) 硬件搭建与数据采集。车载移动测量系统的一体化是对多传感器的高效利用，发挥其集成效应。设计2个课时让学生到试验场地参观扫描仪、IMU等多传感器的硬件集成和校园数据采集，通过现场参观仪器搭建、连线布设，使学生能亲自接触到移动测量车的设计、搭建，并设计校园数据采集试验，获取多传感器原始数据。通过进行现场教学，学习系统的试验理论、运作流程等，避免了课堂教学带来的乏味与难理解性，既可以增加课程的趣味和沟通性，让学生能够通过实践参与，观察分析，达到简单易学的目的；又可激发学生的学习兴趣，培养主动学习能力，而且能让当前本科生接触移动测量系统这一测绘前沿技术。

(3) 点云生成处理。获得移动测量车原始采集数据后，通过2个课时讲解点云生成流程，即多个传感器的数据融合处理方法。主要介绍扫描仪基于距离和角度通过极坐标法解码得到坐标数据；对具有GPS时间标签的多传感器数据，通过拉格朗日等插值算法进行时间同步内插处理；利用Inertial Explorer软件对IMU组合导航解算提供车体轨迹的位置和姿态参数的处理流程；对多源数据进行融合，进行空间坐标系转换模型等讲解。通过讲解，最终让学生了解移动测量系统三维点云生成的原理。最后向学生提供扫描仪解码坐标数据、POS数据、扫描仪标定参数等和独立开发的软件MMS采集系统作为参考，学生以小组为单位在课下尝试进行点云融合处理，使学生印证、检验、巩固和提高在课堂学习的知识技能，有助于学生在实践中提高动手操作能力、开拓发散创新能力。

(4) 点云后处理应用。在获得三维空间点云与影像后，对数据的后处理应用体现出车载移动测量系统的实际价值。借助Terrasolid、Pointools等工具对点云数据进行显示、初处理等，介绍如点云与影像配准获取RGB彩色点云、校园街景建立、校园道路及周边三维点云建模、标志标线提取、道路检测等测绘成果。但点云后处理应用部分内容多、难度大，只能在2个课时的课堂教学中选择一部分进行基本原理和功能应用介绍，并提供相应的参考材料和编写程序等，学生可根据自己的兴趣，作为课程后学习探索内容。

4 教学改革效果与思考

由于现在多传感器集成使用越来越广泛，车载测量系统也越来越受到学校和学生的关注。将车载测量系统引入到教学，取得了一些效果：学生对测绘专业的热爱程度增加，对传统测绘带来的误解得到一定消除，而且教学氛围活跃，同学合作能力增加；学生学习的主动性和创新能力增加，一些学生主动找教师沟通，并参与了国家大学生创新创业项目、本科毕业设计课题选择等，能在项目中发挥自己的学习能动性与创造力，研究出一些有价值的想法、产品等；学生思考、分析、解决问题的能力得到提升，在试验中，不是机械的记忆学习，而能用理论去分析解决遇到的难点；专业技能与素养得到提高，对专业知识能从多角度理解、应用，数据处理和编程能力均有所提高。对车载测量系统的学习，也为以后的科研或工作奠定了基础。

虽然车载测量系统等前沿产品受到学生的欢迎，但实际引入到教学中也遇到了一些问题。如本科生学习课程多，负担重，在实际改革教学中，只能在工程测量实习课程中分配部分学时，且课程时间安排困难，往往无法将设计的试验完整完成与消化，设计的难度需要把握，否则会打击学生信心与积极性，也存在考核困难等问题。因此，建议将车载测量系统当作一门兴趣课程，并减少学分设置与课后作业任务，减轻学生压力，既能让学生以一种游戏的状态参与学习，又可以了解测绘的信息化发展技术。

测绘学科作为众多工科院校相关专业的一门公共必修课，除了测绘工程专业开设大量测绘类课程以外，土木、水利、交通、地质、环境等专业均开设了测量学课程，测绘学也已不再满足于单一学科，而是多学科的交叉利用。而移动测量系统集多学科、多技术于一体，也可以应用于交通工程等行业中，如道路制图、铁路隧道桥梁公路养护、智能交通设计等。因此，下一步可以将本系统的原理和应用在笔者所在高校进行推广，设计相关的课程与试验加入到相关专业的学习扩展中。

5 结 语

车载移动测量集多种技术于一体，在数字城市建设、道路与交通、导航数据采集和地图更新中将发挥越来越大的作用，相较人工常规测量与调绘，其拥有成本低、快捷、准确、全面等优点，有着广阔的发展前景。将车载测量系统引入到本科生的实践教学中，有利于学生升学或就业后快速进行移动测量系统的相关应用，对于提升测绘专业学生的测量新技能、创新能力、就业竞争力，培养工程领域的创新型人才具有重要意义，但在具体的实践中仍需要不断改进和完善。