三維激光掃描課程的教學(xué)實(shí)踐探索

李峰　劉小陽　孫廣通　王秋玲

【摘要】針對三維激光掃描技術(shù)在課堂教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題，根據(jù)該課程的特點(diǎn)重新設(shè)計(jì)了課程的教學(xué)內(nèi)容，并通過課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、開放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目加強(qiáng)了學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)，提升了學(xué)生的創(chuàng)新和解決實(shí)際測繪問題的能力。

【關(guān)鍵詞】三維激光掃描；激光點(diǎn)云；實(shí)踐教學(xué)

【Abstract】To solve the emphases and difficulties of classroom teaching in the 3D laser scanning technology class，depending on this classs characteristics，we redesigned the teaching contents of this class，adopted classroom experiments，opening experiments，college student innovation project to strengthen the ability cultivation of college students practical ability， their project innovation ability and ackle physical problems of Geomatics.

【Key words】3D laser scanning；Laser point clouds；Practical teaching

0 前言

智慧城市以數(shù)字城市為基礎(chǔ)，利用城市物聯(lián)網(wǎng)中的各種傳感器將現(xiàn)實(shí)城市聯(lián)系起來，通過云平臺對大數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、查詢、分析和決策[1]，根據(jù)輔助決策結(jié)果提供為城市規(guī)劃、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口擴(kuò)張和各類設(shè)施管理提供智能控制服務(wù)，促進(jìn)了現(xiàn)代城市的綠色、低碳和可持續(xù)的發(fā)展，它可以簡單地理解為數(shù)字城市、物聯(lián)網(wǎng)和元計(jì)算技術(shù)有機(jī)結(jié)合體。而智慧城市的基礎(chǔ)框架是建立3D城市模型之上的，目前3D模型的構(gòu)建方法包括了基于地形圖或高分衛(wèi)星圖法、全站儀測量法、無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)、機(jī)載激光點(diǎn)云建模法、車載激光點(diǎn)云建模法以及地面三維激光掃描建模法6種方法。這些方法各有自身的優(yōu)缺點(diǎn)，其中地面三維激光掃描建模法因其測量速度快、精度高、效率高而多用于3D模型的精細(xì)建設(shè)，近20年來已經(jīng)廣泛用于逆向工程、城市規(guī)劃、文物修復(fù)、地形測圖、虛擬現(xiàn)實(shí)、變形監(jiān)測、地理信息空間分析等領(lǐng)域[2]。目前已有多所高校開設(shè)三維激光掃描相關(guān)的本科生和研究生課程，但是三維激光掃描技術(shù)作為測繪新技術(shù)，在教材編寫、課程建設(shè)、實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)等方面與傳統(tǒng)測繪課程之間仍然存在著相當(dāng)大的差距；因?yàn)槿S激光掃描技術(shù)不同于傳統(tǒng)的測繪技術(shù)，在教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集與處理、3D建模等領(lǐng)域有其獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)，所以探索并建立一種三維激光掃描課程的教學(xué)實(shí)踐體系已經(jīng)迫在眉睫。

1 教學(xué)體系構(gòu)建

1.1 教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

三維激光掃描課程涉及的前期開設(shè)課程包括普通測量學(xué)、GNSS定位原理與應(yīng)用、地理信息系統(tǒng)原理、三維建模、高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)等課程，前期課程涉及范圍廣、內(nèi)容跨度大，對各課程教師及其教學(xué)內(nèi)容的協(xié)調(diào)難度大，因此，不宜直接對前期課程抱有過高的要求，而對講授三維激光掃描課的教師提出了更高的期望，需要該教師具備多學(xué)科的專業(yè)知識與操作技能，該門課程教師在課前應(yīng)該準(zhǔn)備相關(guān)測量課程的內(nèi)容。另外，測繪工程專業(yè)開設(shè)3dsMax課程進(jìn)行3D建模訓(xùn)練的高校寥寥無幾，3dsMax軟件建模難度大，需要長時(shí)間的學(xué)習(xí)才能掌握，因此，在實(shí)際教學(xué)過程中建議以常見的AutoCAD、SketchUp和Microstation等易學(xué)的3D建模軟件來代替3dsMax教學(xué)。

三維激光掃描課程的教學(xué)內(nèi)容分為10章講授，第1章緒論部分主要講述三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展歷史，激光的基本概念、分類、特征，激光技術(shù)的概念與技術(shù)特點(diǎn)；第2章重點(diǎn)講述激光掃描儀的測距原理和點(diǎn)云的常見格式；第3章講解激光掃描儀的組成、安全標(biāo)準(zhǔn)和常見的商用掃描儀；第4章重點(diǎn)論述激光點(diǎn)云的八叉樹壓縮方法和ICP配準(zhǔn)算法；第5章敘述利用激光點(diǎn)云進(jìn)行自動和手工3D建模的方法；第6章介紹三維表面模型和實(shí)體模型的建模軟件；第7章簡介三維激光掃描儀的誤差來源；第8章給出了三維激光掃描儀的測角和測距部分的檢定方法；第9章介紹機(jī)載LiDAR系統(tǒng)的組成、原理和數(shù)據(jù)處理方法。第10章介紹利用Microstation軟件和Geomagic軟件進(jìn)行3D建模的方法。

1.2 實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)建設(shè)

三維激光掃描課程是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，在三維激光掃描理論學(xué)習(xí)期間，為了強(qiáng)化學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，應(yīng)安排適量的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)來提高學(xué)生的動手操作能力。課內(nèi)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容應(yīng)包括三維激光掃描儀的操作實(shí)驗(yàn)、激光掃描點(diǎn)云的配準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)、激光點(diǎn)云逆向工程曲面建模實(shí)驗(yàn)、激光點(diǎn)云賦色實(shí)驗(yàn)、激光點(diǎn)云的三維實(shí)體模型構(gòu)建實(shí)驗(yàn)。在每次課內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)教師都要求學(xué)生提交實(shí)驗(yàn)成果，從而敦促學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課上能集中精力完成每次的實(shí)驗(yàn)任務(wù)。

課內(nèi)實(shí)驗(yàn)部分僅為3D建模的基礎(chǔ)技能，為了進(jìn)一步提升學(xué)生們的建模能力，在開放實(shí)驗(yàn)課程項(xiàng)目中，將學(xué)生按照4-5人的規(guī)模進(jìn)行分組，以本校校園的3D場景重建維目標(biāo)，首先，各組根據(jù)普通測量學(xué)和GNSS課程的知識協(xié)同完成校園控制網(wǎng)的建立；其次，因?yàn)槿S激光掃描儀臺數(shù)較少，各組需利用課余時(shí)間輪流操作儀器完成校園激光點(diǎn)云的全面采集工作；然后，各組成員配準(zhǔn)全部站點(diǎn)掃描數(shù)據(jù)；校園全部點(diǎn)云數(shù)據(jù)量高達(dá)30G，不易整體操作運(yùn)行，因此根據(jù)校內(nèi)建筑物的數(shù)量剪切出各建筑物對應(yīng)的激光點(diǎn)云，平均分配給各小組，各小組針對大地定向的點(diǎn)云，利用Microstation軟件建立對應(yīng)建筑物的3D模型；將各小組建模的全部結(jié)果融合成校園整體的3D模型，對于校園內(nèi)的樹木、路燈桿、圍墻等直接建立小品模型庫，按照對應(yīng)地物出現(xiàn)的位置放置小品模型并根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)調(diào)整其高度。最后組合成整體的3D模型并可導(dǎo)入到Google earth、Skyline等軟件進(jìn)行三維分析與展示。

在學(xué)生建模能力全面提升的基礎(chǔ)上，組織學(xué)生參加大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目，使用激光掃描儀與實(shí)驗(yàn)室裝備的四旋翼無人機(jī)共同完成所在城市重要文物或景觀的3D建模工作。帶領(lǐng)部分同學(xué)參加教師的三維激光掃描測量的橫向或縱向課題，通過實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練做到課題理論與實(shí)際工作實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合。此外，本校緊鄰測繪類高校與企業(yè)云集的北京市，可定期邀請從事三維激光掃描技術(shù)教學(xué)與應(yīng)用的高校教師或公司技術(shù)人員來我校進(jìn)行講課、講座和產(chǎn)品展示活動[3]，這樣不僅使學(xué)生了解了最新的三維激光掃描技術(shù)的前沿知識，而且開闊了他們的專業(yè)視野，提高了對三維激光掃描技術(shù)的學(xué)習(xí)興趣和未來就業(yè)深造的信心。

2 結(jié)束語

三維激光掃描掃描課程的開設(shè)為測繪工程專業(yè)教學(xué)提出了新的挑戰(zhàn)，通過該課程的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的建設(shè)加深了學(xué)生對三維激光掃描課堂理論知識的理解，同時(shí)鞏固了相關(guān)測繪課程的內(nèi)容，進(jìn)一步熟悉并掌握了三維激光掃描儀的操作能力，提高了學(xué)生的3D建模能力，實(shí)現(xiàn)了三維激光掃描課程教學(xué)與實(shí)踐的有機(jī)融合。

【參考文獻(xiàn)】

[1]李德仁，姚遠(yuǎn)，邵振峰.智慧城市中的大數(shù)據(jù)[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（信息科學(xué)版），2014，39（6）：631-640.

[2]李峰，劉小陽，宋萍，等.“測繪法規(guī)與管理”課程教學(xué)策略體系的研究與實(shí)踐[J].測繪通報(bào)，2015（8）：130-132.

[3]楊妮，吳良林，曾凡濤，等.面向?qū)I(yè)特點(diǎn)的三維激光掃描測量項(xiàng)目化教學(xué)探討[J].教育現(xiàn)代化，2017，4（6）：127-130.endprint