适应创新人才培养的三维激光实验教学模式探究

李 峰, 孙广通, 刘文龙, 宋 萍

(1. 防灾科技学院 生态环境学院, 河北 三河 065201；2. 北京工业职业技术学院 建筑与测绘工程学院, 北京 100042)

0 引 言

以3S 技术和4D产品为代表的测绘学的发展,标志着测绘学科从单一学科迈向了多学科的交叉融合[1]。测绘新技术的快速发展也必将引起测绘教育与教学的深刻变革。三维激光扫描课程作为一门新兴测绘技术的课程在测绘学中的地位也愈发重要，各高校正在不断加大该课程的教学研究与师资投入，未来几年内很可能会发展成为测绘专业的重点课程。当前各高校的三维激光扫描课程主要分为理论教学部分和实践教学部分，理论教学部分尚无统一的教材，内容以三维激光扫描原理、点云采集、点云处理和三维建模技术为主[2]；实践教学以少量建筑物为实验对象构建小场景的三维建筑物模型或三维曲面模型[3-5]，总体教学内容容量小，实践时间不充分。此外，作为新兴课程，三维激光扫描仪器原理不同于传统测绘仪器，学生对激光点云的滤波算法、存储结构、3D建模等数据后续处理方法的理解相对困难[6]，很可能造成学生学习兴趣降低，课堂教学效果较差的结果。随着互联网+时代的到来，测绘科学的技术方法和手段已经日新月异，传统的测绘教学与实验方法培养的学生与社会需求之间出现了严重的脱节，因此，面对新开课程如何适应信息时代的发展要求，侧重满足测绘信息化服务和培养创新型人才的需求，发挥实验教学在创新型人才培养方面的作用，形成多元化、层次化、创新化的综合实验教学模式，是摆在高等学校测绘教育工作者面前的重要课题[7-9]。

1 三维激光教学面临的问题

(1) 激光点云数据的后处理理论与方法相对滞后。三维激光扫描作为起源于上世纪90年代末的测绘新技术，融合了多项测绘技术，其内容涉及普通测量学、GPS、GIS、遥感、测量平差理论、摄影测量学等多门测绘课程，课程的交叉性、专业性、综合性较强，在实际三维激光点云数据采集和处理过程中要求学生对涉及到的测绘知识和技能进行内化吸收和重构，其实质是提出了对学生测绘实践创新能力培养的具体要求。三维激光扫描技术虽然经过了近20年的发展，激光扫描仪的硬件设施已经非常成熟，但是相关的激光点云数据的后处理理论和方法却相对滞后，尚处在发展完善当中，这直接造成了三维激光扫描课程教材短缺的局面。即便有教师编写了部分讲义，但是内容多注重三维激光扫描的基本原理和数据预处理，对激光扫描新技术的跟踪、理论部分的深入研究或实验课程的安排尚不充分。

(2) 实验仪器投入昂贵。三维激光扫描仪设备售价高，动辄上百万元一台，按30人规模的班级5人一组需要6台仪器算，仪器投入至少600多万元，再考虑后期处理软件的投入，该门课程至少要投入近千万元的资金，这是绝大多数测绘类本科院校难以承受的，而少量的三维激光扫描仪器会导致人均操作时间短，学生训练不足，技术掌握不牢；另一方面也会导致教师设计的实验多以演示型和验证型为主，针对某一概念或原理而设计，仅着眼于局部，各实验间关联性弱，缺乏系统性和整体性，不利于三维激光扫描课程知识体系的架构完整。

(3) 教学方法有待改进。持续开展的毕业生培养质量跟踪调查显示，大学毕业生的专业知识面狭窄，创新能力与实践能力不足，对突发事件或综合性问题的处理存在着较大缺陷[10]。这从侧面反映了在测绘专业课程体系设置和人才培养方面仍然存在着一些不尽人意之处，尽管经过了多门测绘专业课的学习和相关技能训练，但是传统教学模式往往忽视学生的主体地位，填鸭式教学方法无法培养学生独立思考的能力，因此很难形成综合性的创新能力，这迫切需要教师整合多种切合工程实际的测绘综合项目进行训练，这样才能进一步培养学生的综合实践能力和解决实际生产问题的能力。

2 实验创新教学模式

测绘创新人才培养的目标是以培养学生知识、能力、素质协调发展为目的，具备厚基础、宽口径、强能力、高素质的特征，能适应社会经济发展的需求，富有创新精神的复合型、创新性人才[11-12]。测绘创新人才应该具有系统化的、综合性的、开放式的测绘专业知识体系，善于学习、联想与想象，勤于动手，乐于实践，勇于探索，能够发现测量实践中出现的问题，能够综合运用测绘知识提出新的见解，以新的观念、思维和方法解决问题。依据测绘创新人才的培养目标，提出了紧密联系实践的三维激光扫描模块化多层次的实验教学模式，图1所示为三维激光扫描模块化实验教学模式，显示以三维激光扫描知识学习的培养作为基础，通过验证性实验教学模块、设计性开放实验模块和综合性实验训练模块依次递进训练学生的基本实验操作能力，通过学科竞赛模块和产学研结合模块深入提升学生的实践技能，通过3种分层递进的综合实验教学模式实现测绘创新人才的培育。

图1 三维激光扫描模块化多层次实验教学模式

2.1 知识培养模块

在课堂教学过程中，引入“翻转课堂”的理念[13]，教师构建网络课程资源平台，上传制作的每单元短小精炼的教学视频和多媒体课件，要求学生在课前自行预习并在平台的答疑讨论区提出预习中的问题，教师在了解了学生的疑问后在课堂上做有针对性的讲解，重点引导学生自主思考学习的方法，并通过课堂师生讨论交流的方式加深课堂内容的理解，课后在平台上发布本章节相关的1～2篇学术论文或视频供学生加深课堂所学的印象。

针对三维激光扫描相关教材缺乏的现实，追踪三维激光扫描前沿，紧跟三维激光扫描行业发展的需求，充实教学大纲和教学计划，根据该课程多年的教学实践经验和学生实践能力训练的特点，通过立项的“防灾减灾特色教材建设项目”自编《三维激光扫描原理与应用》教材，重新设计编排了三维激光扫描课程的理论教学内容，重点介绍了激光扫描技术的相关术语和概念，激光扫描仪的组成和原理，激光点云的数据结构和可视化方法，多站激光点云的配准与系统检校方法，激光点云的3D建模与纹理映射原理，机载与移动式激光扫描技术、激光扫描在地形建模、滑坡监测、岩石变形监测、隧道测量、文物修复、开采沉陷等领域的应用；按照循序渐进的方式分层编写基础验证型、综合型和案例型实验指导书。

2.2 验证性实验教学模块

为了保证实验课的顺利进行，采用“线上课堂+线下作业”相结合的模式[14]，利用实验互动教学平台通过网络向学生分发实验教学视频和实验指导书资料，提供软件操作的互动教程。首先由教师快速演示实验过程，然后学生借助实验操作视频和指导书完成这些演示型或验证型实验，如果遇到问题，学生可以在线提问或直接由教师答疑，实验完成后现场提交实验结果到系统以备教师后续评分之用。这种实验互动模式集设计、仿真及考核于一体，能充分调动学生学习的积极性进行自主学习，高效利用课堂时间顺利完成实验过程，强化了学生的基本实验技能，提高了他们实践动手能力。

三维激光扫描技术原理不同于传统测绘技术，两者在数据源、数据采集方式、数据处理方法等方面有较大的技术差距。传统测绘数据仅局限于二维平面数据，三维激光扫描技术主要面向三维建模领域，对大部分学生而言，直接从熟悉的二维空间转换到陌生的三维空间，思维转变的过程较为艰难，理解三维激光扫描的相关理论也相当困难，因此，在进行课内三维激光扫描理论教学的同时配套融合适量的课内实验帮助学生消化理解课堂知识，表1所示为对应于知识培养模块的课内实验项目及其实验目标。

2.3 设计性开放实验模块

开放性实验是设计性教学模块的改进、发展和延伸，创造了一个以学生为主体的自主发展和实践训练的空间，能够激发学生的创新实践操作能力和课程学习兴趣，且能发挥测绘实验室现有资源的最大利用效益，在强化学生的实践操作能力、培养创新意识和严谨的科学作为方面具有重要的作用。经过前期课堂知识的消化理解和课内验证性教学实验模块的练习，学生已经具备了三维激光扫描的基础知识和基本操作方法，开放性实验的目标即建立以“兴趣驱动”的体验式学习模式进行三维激光扫描科学实验全过程性质的设计性实验训练。

表1 验证性实验教学模块及其实验目标

教师根据测绘企业的人才实际需求状况、教师科研课题和学校立足地震行业的特点，开设具有弹性内容的“雕塑文物3D建模”“城市3D建筑物重建”“地形建模与等高线绘制”“地震损毁建筑物3D建模”等三维激光扫描题目，网上公布。学生以4人兴趣小组团队形式通过网上申请、教师线上审核的方式完成选题。通过引入CDIO(Conceive, Design, Implement and Operate，构思-设计-实施-操作)的教学理念[15]，即以学生为中心来自主讨论并选择三维激光扫描的采集对象，然后小组成员共同制定三维激光扫描的数据采集、点云处理和3D建模的方案，按照方案由小组成员分工合作实施数据获取和处理的工作，操作点云建成3D模型并完成模型的展示，最后书写并线上提交实验报告，教务处依据教师评定成绩等级为学生分配相应的学分。整个设计性开发实验过程最大限度地发挥了学生的主动性和创造性，激发了他们的求知欲，而教师仅在此过程扮演了引导、建议和辅助的角色。

2.4 综合性实验训练模块

三维激光扫描课程涉及到多门测绘专业课程，课程的综合性强，适于组织安排综合性测绘实验项目来提高学生的综合分析、解决测绘实际问题的能力。为方便教学的需要，实验地点选择在学院南校区，该校区面积仅为2 180 m2，实验时间选择在开放实验课上，实验目标是完成南校区的3D实景建模工作。测绘工程专业有2个教学班，每班人数在30人左右，因此，可将2个班分为10～12组，对应每个组将南校区划分为10～12个实验区，保证每个实验区内有3～4幢建筑物。综合项目教学的主要步骤有：

(1) GPS控制网的布设。由教师带领各小组学生按照GPS测量规范的要求在实验区选定10个左右的GPS控制点位置，利用周边4个GPS D级点，使用10台GPS接收机，采用边连式网型完成实验区GPS控制网的布设。由各个小组分别进行GPS网的基线解算、自由网平差和约束平差，控制点高程采用GPS拟合高程。各个小组根据分区状况选定激光扫描仪的站点位置，由于分区很小，所以可以采用全站仪附合或闭合导线的形式完成架站点的平面位置测量；采用四等水准测量的方法以附合或闭合水准路线的方式测量架站点的高程。因实验区道路密集，直接选择白色道路标记线的角点作为无人机的像控点、检查点，并使用支架式对中杆RTK测量像控点。

(2) 无人机倾斜摄影航测。教师采取现场演示的方式为全体学生操作无人机，按照实验区形状为全体学生演示航线规划、航摄参数计算、现场飞行的整个航测过程。在教师指导下，利用Pix4DMapper软件由学生熟悉并操作完成影像定向、密集点云生成、正射影像制作等流程，掌握利用地面滤波方法将建筑物点云与地面点云分离的方法，体会摄影测量课程数据处理的原理和过程。

(3) 激光点云数据采集与处理。由于三维激光扫描仪数量少，因此由各小组商议使用的顺序，在课余时间根据选定的站点架设三维激光扫描仪，分站点360°全景采集激光点云数据。各小组先大地定向各站点数据，然后粗配准对各站点点云数据，再集中精确配准所有站点数据。教师指导学生将无人机采集的建筑物点云与激光扫描点云进行精确配准，使得建筑物数据变为含屋顶点云的完整数据，各组根据分区剪切出各组激光点云数据。

(4) 3D模型重建与3D GIS系统。各小组根据激光点云数据，利用Microstation软件完成3D模型的重建工作，然后将各组模型利用已定向的位置整合成一个整体，地面模型由地面点云生成并将正射影像图作为纹理贴到地面模型上，图2所示为各小组重建的实验区3D场景图。利用SupperMapper 3D GIS系统软件导入所建*.dgn格式的3D模型，并在其中为每栋建筑物输入对应的属性，操作软件完成3D GIS软件的空间分析功能。

图2 通过综合性实验训练模块重建的校园3D场景

2.5 学科竞赛模块

学科竞赛模块是学生对所学三维激光扫描知识系统理解、整理和运用的过程，集中体现了学生独立思考、综合研究、解决实际问题的能力，能深化专业知识学习、拓宽专业视野，培养小组成员团结协作精神、促进良好的学风建设、激发学生创新意识。在校学生处和团委的支持下，以测绘工程专业教研室为对口指导单位成立“虚拟现实协会”，组织富有创新意识、有3D建模意愿的同学参与到3D数字化设计与运用的社团活动中，进而为学生提供一个学习交流、互助竞争、展现提升、完善自我的服务平台。以社团为载体在全校范围内举办学科竞赛，以测绘工程专业教师为技术顾问，在学校竞赛基金的大力支持下由辅导员全员、全程、全方位负责组织协调指导“三维激光扫描建模大赛”活动。先由“虚拟现实协会”进行必要的面试选拔，重点考察学生团队合作互助意识和综合素质，面试合格的学生参与学科竞赛活动。学科竞赛的内容主要涵盖“无人机加激光扫描仪的建筑物3D建模”和“虚拟场景展示”两大部分，竞赛过程记录各组数据采集、处理、3D建模和虚拟场景构建时间，3D建模效果评分由测绘工程专业教师共同打分得到，根据建模时间与建模效果的加权分数确定成绩名次，根据获奖情况选拔优秀小组参加大学生创新训练项目。

竞赛完成后，比赛同学在赛后以小组形式向低年级同学展示比赛项目技术实施设计方案、比赛过程细节、经验与教训等，把许多平时学不到的知识经验传授给新同学，这样循环往复，逐步形成高年级同学带低年级同学的传帮带模式，一届一届相互促进，共同进步。在竞赛过程中，学生能体会到自身理论与技术上的不足，深知基础学习的重要性，在今后的课程学习中会潜移默化地形成一种自我约束、积极向上的良好学习风气。 教师通过指导学生参加比赛，将不断提高自身的实践操作能力和技能水平，在今后的教学过程中不断更新教育理念，学习新知识理论，运用先进的教学方法提升教学水平，促进学校“双师型”教师队伍的建设；教师根据竞赛要求开发有助于实践技能培养的实训平台，改善实验手段和条件，使得学生能在更好的实验环境下得到充分的实践锻炼，最终形成“以赛促学、以赛促教、以赛促建”的良性实践教学模式。

2.6 产学研结合模块

为了使学生所学能应用到三维激光扫描实际工作中，瞄准并跟踪三维激光扫描发展的前沿和企业的人才需求，借助学校所处的京津冀地域优势建立并拓展相关激光扫描应用领域企业的合作关系，以三维激光扫描人才培养为切入点与国内外著名的三维激光扫描仪厂商如Faro、天宝、富斯德、拓普康、华测、北京浩宇测绘展开校企合作模式，邀请企业参与三维激光扫描课程教学大纲、教学计划的制定，教材编写，前沿知识讲座与报告[16]，在认识实习、生产实习和暑期社会实践阶段由教师带队到企业参与一线生产实践，一方面为企业量身定培所需的工程技术人才，另一方面利用学校的智力和科技资源为企业提供生产、研发、管理咨询等方面的社会服务，实现在工程教育培养方面校企双赢的局面。对于另一部分有志于继续深造的同学，可以参与到教师的纵向课题的研究实践中，学习利用C++和libLAS库进行激光点云数据处理和特征提取的编程工作中，学习科学研究的思维方法、尝试书写并发表科研论文以及三维激光扫描相关的实用新型专利和发明专利的申请工作中。

3 结 语

从三维激光扫描课程教学的实际状况出发，结合测绘工程专业的特点，以培养实践创新型测绘人才为目标，构建了知识培养为基础模块，以验证性、设计性和综合性实验为主体的基础实验训练模块，以学科竞赛和产学研办学为技能提升模块，探索出一条“教”“练”“赛”“行”梯次配置的良性闭环实验教学体系，充分发挥了学生的主动性和积极性，显著地提升了学生的测绘实践技能，形成了颇具特色的测绘实践创新模式，为高质量培养测绘复合型人才和满足企业需求的人才打下了良好的基础。