无人机三维建模融入五年制高职工程测量实践教学研究

［摘 要］ 探讨将无人机三维建模技术融入五年制高职工程测量课程教学中的实践研究，分析无人机三维建模技术的优势及其在工程测量中的应用，提出将新技术引入传统教学模式的改革方案，以提高学生的实践能力和创新能力。

［关 键 词］ 工程测量；无人机三维建模技术；五年制高职；实践教学

［中图分类号］ G712 ［文献标志码］ A ［文章编号］ 2096-0603（2024）35-0149-04

目前，五年制高职建筑工程类专业的人才培养方案中将工程测量作为专业核心课程纳入课程设置中，旨在培养学生掌握地形图测绘、施工放样、变形监测等方面的知识与技能，具备解决实际工程问题的能力。

习近平总书记在主持中共中央政治局第十一次集体学习时强调，要按照发展新质生产力要求，畅通教育、科技、人才的良性循环，完善人才培养、引进、使用、合理流动的工作机制。高职院校作为培养一线技术技能型人才的基地，在课程内容的选择上应紧跟潮流，而无人机测量技术的兴起，特别是无人机三维建模技术的快速发展，则是贯穿于建筑施工的各个阶段，因此，高职院校建筑工程专业有必要将无人机测量技术融入工程测量课程教学中，以便学生掌握本专业技术前沿知识。

一、工程测量课程传统教学现状

（一）教学理念与方式陈旧

随着电子信息化、智能化的不断发展，土建行业在工程测量理论方面的要求相对弱化，重实操而轻理论，但实际教学中受传统教学理念的影响，教师向学生灌输了过多的理论知识，实际操作部分不足。另外，由于施工测量内容专业而又复杂，很难直接去现场教学，而如果运用图片和视频也难以真实、完全地反映施工测量步骤和要求，测量的教学基本还停留在书本上，这样使得学生对仪器的熟练程度不够，无法真正完全掌握工程测量技术和方法的核心内容，在参加实际工作时不能得心应手。因此，教学进一步加大实操部分所占比例，并结合多媒体平台、人工智能、大数据等革新教学方式。

（二）教学设施落后

现阶段，高职建筑工程专业培养了不少测量专业的人才，但由于现今科技的飞跃式发展，测绘领域的不断扩大，新型测量仪器不断涌现，而目前各高校学生所学习的内容主要包括水准测量、角度测量、距离测量、小区域控制测量、大比例尺地形图测绘、施工测量、变形观测和竣工测量几部分，涉及的仪器仍然是以较为落后的水准仪、经纬仪、全站仪、测距仪、GPS为主，这些仪器由于操作复杂等，在实际工程测量中应用较少。同时现有部分仪器老旧、损坏，未能及时更新维保，导致初学的学生经常无法准确测得数据。目前教学中使用的仪器，与实际工程中使用的仪器技术水平相差甚远，传统的控制测量教学已无法满足现代工程测量的需要。

（三）校内实训场所受限

实训场所对测量课程的实践效果起着非常重要的作用。在实际教学及实训中，大部分的测量实习场地不是很固定且不规范、地形单一，随意性大，易受天气、场地限制的影响，使得学生学习质量得不到保证。另外，若能建立稳定、规范的野外实习场地，不仅能满足建筑工程测量的需要，还能满足道路勘测设计等课程需求，会大大提升及稳固实训效果。同时，教师积极利用虚拟仿真平台展开实践教学，通过虚拟仿真技术的运用，研发出满足学校实际教学需要的工程测量产品，以填补高职院校学生信息化教学资源与实践操作渠道资源的匮乏，并建立高仿真的校内工程测量课程实训平台，改革教学模式，创新基于岗位职业能力的实践操作考核体系，实现学生知识转化、能力训练和职业素质培养。

二、无人机三维建模技术及其在工程测量中的应用

（一）无人机三维建模技术的应用要点

无人机在三维建模中的应用场景十分广泛，包括建筑工地的进度监控、地形勘测、文物保护以及农业监测等。在建筑行业，利用无人机三维建模技术可以快速获取建筑物及周边环境的数据信息，帮助施工管理者进行现场布局和资源调配。在地形勘测方面，无人机三维建模技术能够快速生成覆盖大片区域高精度的三维地图，大大提升了传统地面测绘方式的效率。在文物保护方面，无人机三维建模技术通过定期巡查和监测，及时发现文物受损、环境恶化等问题，同时可以形成数字资产，通过虚拟现实等技术手段实现与文物的互动体验。

无人机三维建模技术包含前期航飞照片的拍摄以及内业数据处理。测绘人员需根据现场测区的环境选择适合的航线规划方式，如针对山区地势起伏较大的仿地飞行、地势平坦的五向飞行以及作业区域面积较大的大区分割等，并确定各条航线的摄影航高、速度、摄影模式、航向重叠率、旁向重叠率等参数，同时安装高分辨率数码相机，按照预定航线、云台倾斜角度30°～60°实现对目标地物倾斜和竖直方向的拍摄，从而提取三维数据。航飞拍摄完成后确保照片质量达标后，利用内业处理软件实现实景三维建模。

（二）无人机三维建模技术的优势

无人机三维建模技术作为一种新兴的测量手段，具有环境适应性强、测绘效率高效、精确度高等优势。相比传统测量方法，无人机三维建模技术针对山地和陡坡等复杂地形与雨水、霜降等特殊天气有较强的环境适应能力。同时，对于单次有效测绘面积较大的区域，能在短时间内完成任务，对比全站仪测绘，效率能提升5倍以上。另外，无人机三维建模技术的精确度远超传统测绘手段，因其可以通过航线规划、像控点布设、空中三角测量计算等工作将三维模型精度控制在厘米级，甚至达到最高级别1 ∶ 500比例尺精度等级要求。

（三）无人机三维建模的原理

无人机三维建模一般是利用摄影测量技术来获取地理信息，主要是基于小孔成像原理。通过搭载高分辨率的相机，使无人机从不同角度拍摄地面图像，并计算这些图像之间的几何关系，实现对地面三维建模。如图1，空间位置中的目标点P（在相机坐标系下），经过针孔投影后，达到成像平面，对应的成像点P′，由于目标点P与成像点P′的连线与相机平面的交点通过光心O，因此PP′线也成为光轴，光心O在成像平面上的投影为O′，相机光心O到成像平面的距离即为焦距OO′。设现实中的点P=［x，y，z］T，投影后的点=P′［x′，y′，z′］T，根据三角形相似性准则可得：

■=■=■ （1-1）

对上式进行一个变换，将成像平面点放在左边：

X′= f ■ Y′= f ■ （1-2）

一般像素坐标系定义为o-u-v，其中o是像素坐标系的原点，位于图像的左上角，u轴与成像平面的x轴平行，v轴与成像平面的y轴平行，设像素坐标在u轴上缩放了α倍，在v轴上缩放了β倍，即像素坐标系相对于成像平面平移了［cx，cy］T，从而得到成像平面P′的坐标和像素坐标系［μ，ν］T的关系如下：

u = αX′+ cxv = βY′+ cy （1-3）

将nMebU6fTMYGBzkUB2X7IuPWSq8HSr9IFkTLc1f+s+Fk=（1-2）上式代入（1-3）得：

u = α f ■+ cxv = β f ■+ cy （1-4）

设fx = αf，fy = βf，并将（1-4）公式转化为矩阵相乘的形式得到：

uv1= ■fx 0 cx0 fy cy0 0 1XYZ （1-5）

式子中fx 0 cx0 fy cy0 0 1为相机内参矩阵为K

相机内参矩阵主要包括相机的焦距、主点、图像坐标原点。由此可见，无人机三维建模搭载不同相机，对后期图像成像的准确性以及建模的精细化程度都有一定影响。

（四）无人机三维建模的方法

基于无人机三维建模前进行的倾斜摄影，其中飞行计划与航线的设计，有助于提高影像的采集效率和质量，同时要确保航向重叠度和旁向重叠度保证80%以上，即可进行三维建模，一般选择自动化程度和模型精度较高的ContextCapture软件来实现。

ContextCapture兼容性较高，不同品牌无人机拍摄的照片数据都可以进行识别，如传感器属性、GPS参数、INS参数等。识别完成后可以提取POS数据，结合像控点文件（一般数据以block格式或者txt格式）完成空中三角测量计算，完成后检查空三结果，观察影像是否分层，并予以优化，设置模型坐标系与像控点导入相匹配，得到最后带有地理信息位置的三维模型，模型生成后还需对其进行修复与编辑，特别对于模型内分布水面、玻璃幕墙等部位，容易形成空洞，导致实际效果与现场情况不相符，这就需要模型精修，若精度不够，应立即开展补拍作业，直至达到精度要求。成果模型完成后通过对应的浏览器实现数据测量（建筑物的高程、平面和立面尺寸）、挖方量计算、路径漫游等操作，贯穿施工全寿命周期。

三、无人机三维建模融入五年制高职工程测量教学的策略研究

（一）课程体系重构

一方面，无人机三维建模属于工程测量课程拓展章节，需要系统学习工程测量基础知识，如测量学知识、原理等前提下，具备独立使用传统测量仪器测量的能力后，增设无人机操作与三维建模技术相关课程或模块，系统介绍无人机原理、操作技巧、数据处理及三维建模软件应用等内容。另一方面，加强与计算机科学、地理信息系统（GIS）等学科的交叉融合，营造多学科协同教学的良好氛围。五年制高职学生理论知识欠缺，但具备较强的实践操作能力，对新技术表现出更高的学习兴趣和动力，需要在“做中学、学中做”，通过实训的开展加深理论知识的认识和经验的积累。

（二）教学资源建设

结合具体工程项目，开发一系列无人机三维建模融入五年制高职工程测量的教学案例和校本课程，涵盖不同地形地貌、不同应用场景，以案例教学的方式引导学生学习。建立无人机实训基地，配备必要的无人机设备、数据处理软件和三维建模软件，同时积极推进校企合作，利用实训基地探索构建“产教融合、书证融通、育训结合”的“1+X”证书制度协同育人践行路径，为在校生提供优质平台，夯实学生可持续发展基础，为企业输送一批又一批毕业就能上岗、上岗即能胜任的应用型人才。

（三）教学方法创新

教学方法创新是以培养学生动手实践能力与创新思维为目标，通过多样化教学手段，激发学生的学习兴趣和积极性，促进学生自主学习。在实际教学过程中，通过传统讲授方法，五年制高职学生积极性难以调动，而通过PBL（以问题为导向的教学模式）、OBE（以成果为导向的教学模式）、实习式学习（以实践工作为学习的教学模式）等方式，以实际案例或工作内容为背景，分组实施无人机飞行任务、数据处理和三维建模的一系列活动，能充分培养分析问题、解决问题的能力，并从中找到学习的乐趣。

（四）评价体系改革

改变传统的以考试为主的评价方式，建立多元化评价体系，除了理论知识考核外，还应注重对学生实践能力、团队协作能力、创新能力等方面的评价。通过实训报告、实践操作成绩、项目成果展示、综合能力测试等全面评估学生在学习过程中的表现，鼓励学生积极参与、勇于探索。

四、无人机三维建模融入五年制高职工程测量教学的研究案例

（一）案例简述

以江苏联合职业技术学院通州分院“合匠楼”的实景三维模型构建为例，利用遥控器自带的航线规划功能，划定航测范围、确定作业形式，航测结束后，利用Context Capture软件进行空三计算、像控点布置、刺点优化、三维模型构建得到建筑物模型信息，并导入图新地球，实现二维地图和实景三维的有效融合。

（二）实践教学内容和模块设计

本教学案例采用OBE成果导向教育理念，该教育理念主要以学生预期能力获得为导向进行反向设计和正向实施教学，将教学的重点聚焦于“学生产出”，立足于工程教育专业认证大背景，注重学生创新、实践等能力的培养。对于高职学生，不能一味通过学习成绩来评价成果，还要注重学生岗位任职能力、创新能力的培养。因此，工程测量中无人机三维建模测量的实践教学内容与教学模式要以学生为中心，培养学生岗位认知能力和满足企业需求为导向，以改进为动力，保证课程预期成果的实现。

OBE成果导向教学把学生的课程学习进程划分为不同的阶段，并确定每一课程阶段的学习目标，这些学习目标是从初级到高级，再到课程的最终成果。在本课程教学前，教师整理该课程的实践教学内容，将课程模块化，通过线上微课、智慧教材等信息资源，帮助学生重新回顾此前的教学知识点，对接与企业相适应的实践教学平台，引入行业的新技术、新标准、新成果。

OBE成果导向教学应更多地采取互动式、研究型教学，鼓励学生“自学”，提倡“自主式学习”“合作式学习”“探究式学习”。课程的实践教学应与理论教学相结合，选择恰当的载体，使学生经历解决复杂工程问题的过程，并在解决问题的过程中深入掌握工程原理，充分体现知识、技术技能与方法的综合应用。在课程教学过程中，借助虚拟仿真平台模拟无人机航测的全过程，加深学生的理解，并结合本项目案例的要点，解决学生航测建模过程中可能出现的难点、痛点，激发学生兴趣。虚拟仿真体验后，学生利用大疆精灵4RTK进行项目实操飞行，飞行开始前，需要进行像控点布置工作，确保地理位置信息的准确性，利用司南rtk对像控点坐标进行采集，并整理形成像控点文件，接着根据项目地区地势平坦的特点，选择倾斜五向飞行航线规划执行，飞行结束后，下载影像文件，利用软件进行刺点优化工作，建模得出建筑物模型信息，学生可以通过分析选项测量出建筑物长、宽、面积以及坐标等数据。与此同时，学生利用图新地球浏览器将三模模型导入二维地图中，实现三维与二维的完美融合。

（三）基于OBE理念的教学质量评价

基于OBE理念的教学质量评价应聚焦在学习成果上，而不在于教学内容、学习时间、学习方式上。教师的课程教学评价方法从知识整合、能力发展、价值提升三个维度构建，即学生的课程参与度，能否完成最终成果，在这过程中遇到哪些困难，自己是如何解决的。本课程的学习评价采用多种课中评价和注重能力生成的课终评价。课中评价通过课堂提问、课堂小测试、项目设计、组间互评等评价方式，根据不同学生的特点，通过检测阶段目标学习成果的达成情况，及时改正纠偏，达成预期效果。课终评价有小组汇报、个人答辩等形式，开放性评价，让每一位学生都有参与感，同时及时发现每一位学生在项目进行中能力增长情况，设定不同考核指标，做到有的放矢。

五、结束语

发展通用航空和低空经济对我国科学谋划低空经济高质量发展，以及推动产业升级、促进经济社会发展、服务国防现代化建设、提升应急能力等具有重要作用。

将无人机三维建模技术融入五年制高职工程测量教学中，不仅能够提升教学质量和学生的实践能力，还能够培养学生的创新能力和解决实际问题的能力。未来，随着无人机技术的不断发展，其在工程测量教学中的应用将更加广泛和深入。因此，持续探索和实践无人机三维建模技术与工程测量教学的融合模式具有重要意义。

参考文献：

［1］ 林琪燕.新工科背景下基于OBE理念的“无人机测量”实践教学研究［J］.福建建材，2024（5）：118-120.

［2］ 秦萌，赵志刚，蒙恬.高职院校无人机摄影测量课程分层教学改革与实践［J］.知识窗（教师版），2024（4）：6-8.

［3］ 王金龙.无人机三维测绘关键技术及应用探究［J］.中国高新科技，2023（23）：66-68.

［4］ 张文龙.基于无人机倾斜摄影的建筑物精细化三维建模［J］.建筑与预算2023（11）：74-76.

［5］ 王文滔.基于企业需求的无人机课程改革研究与实践：以测绘专业为例［J］.居业，2020（6）：179-180.

［6］ 谢桂娟.无人机测量技术在建筑工程测量教学中的应用分析［J］.山西建筑，2020（2）：183-184.

◎编辑 张 慧

作者简介：张宸玮（1997—），男，汉族，江苏泰州人，助理讲师，本科，研究方向：建筑无人机测绘。