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关于“激光雷达测量原理与实践”课程教学的分析

2020-10-24 307 上传者：管理员

摘要：机载激光雷达是近十几年来快速发展的新型测量技术，目前很多高校都为摄影测量与遥感专业的学生开设了与激光雷达技术相关的课程。为了更好地教授“激光雷达测量原理与实践”课程，笔者对课程的教学内容、教学方法及考核模式进行了深入、认真、详尽的研究和思考，目的是有效地调动学生的学习热情，帮助他们更好地理解掌握所学内容，让学生在校期间高质量、高标准地完成学业任务。

关键词：
LiDAR
大地测量学
教学内容
教学方法
考核模式
高标准
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作为摄影测量与遥感专业的学生，在学习了摄影测量学、数字摄影测量学、遥感技术基础、数字图像处理、大地测量学、误差理论与测量平差基础等专业基础课后，还要学习一些新兴课程，如无人机技术、合成孔径雷达技术以及激光雷达技术。

机载激光雷达是近十几年来快速发展的新型测量技术，它高度集成了激光测距仪、全球卫星导航系统与惯性测量单元，相比传统摄影测量技术，它具有较强的植被穿透性、更短的作业周期以及更低的生产成本;它作为一种主动式测量技术，不受日照和天气条件的影响，能够实现全天候全天时对地观测[1]。基于这些特点，它在灾害监测、资源勘察、森林调查、地形测绘及城市建模等方面的应用具有独特优势[2]。

为摄影测量与遥感专业的学生开设“激光雷达测量原理与实践”这门课程，可以更好地提高学生的专业能力、扩展学生的专业视野，为学生以后继续深造或者就业奠定良好的基础。为了更好地教授“激光雷达测量原理与实践”这门课程，笔者对课程的教学内容、教学方法及考核模式进行了深入、认真、详尽的研究和思考，目的是有效地调动学生的学习热情，帮助他们更好地理解掌握所学内容，让学生在校期间高质量、高标准完成学业任务。

1、教学内容丰富多样化

目前，机载激光扫描是生成高质量三维地形(数字高程模型)的常用技术，它的扫描原理如图1所示。进行机载LiDAR点云数据处理时，首先利用激光测距数据、发射参考点空间位置数据及主光轴姿态数据解算出激光脚点的三维空间坐标数据，再经过粗差脚点剔除、系统校正及基准变换等步骤获取最终的激光点云数据文件。机载LiDAR点云数据后处理的关键步骤主要有点云数据滤波、DEM生成、点云数据分类以及建筑物三维重建等。进行“激光雷达测量原理与实践”课程授课时，选择解放军出版社出版的《机载激光扫描测绘技术与方法》作为主讲教材，参考教材为Vosselman编著的Airborneand TerrestrialLaser Scanning。

图1机载激光扫描原理示意图

教学内容分为理论授课内容和教学实践内容。

1)理论授课内容

理论授课内容主要包括机载激光扫描测量技术、激光回波数据处理与分析、机载激光扫描测量系统检校、点云数据的可视化表达与组织、点云滤波与地形提取及建筑物提取与重建等6个主题。

第一专题为机载激光扫描测量技术，给学生进行了机载激光雷达的概要介绍，并为后续专题的学习奠定了基础。第一专题的主要内容包括光测距原理、激光扫描基础、机载激光扫描系统原理、机载激光扫描作业及机载激光雷达测深。

第二专题为激光回波数据处理与分析，主要对传统的激光扫描技术和全波形激光扫描技术进行介绍，其中全波形激光扫描技术作为更加高级、先进的技术手段，成为本专题介绍的重点。第二专题对全波形激光扫描测量系统、激光波形建模、后向散射波形处理方式及波形分解算法进行阐述，并向学生介绍了一种基于全局收敛LM的迭代波形分解方法，这样将讲授的理论知识应用于实践学习，让学生对全波形数据处理流程方法有了更加深入透彻的理解。

第三专题为机载激光扫描测量系统检校，重点向学生介绍了影响机载激光扫描数据质量的两个关键因素:数据配准和系统检校。首先，介绍机载激光扫描几何模型的定义，并且描述了参数化的坐标系和系统之间的变换关系;其次，对几何观测模型进行分析，并对模型产生影响的误差源进行了分析;然后，介绍了航带数据配准与拼接的方法;第四部分介绍了系统检校的方法，其中重点介绍了机载激光扫描仪的系统自校准;最后，以一个典型案例对检校过程和结果进行了分析。典型案例的解析可以使学生更好地理解和掌握检校的整个过程。

第四专题为点云数据的可视化表达与组织。点云数据的海量性对其存储、传输、共享也产生了一定的阻碍，但实际上点云数据在记录方式、空间关系、编码方法上均存在着较大的冗余，可以通过优化编码方法对其进行压缩，大幅减少其占用的存储空间，也可以进一步提高处理的效率。第四专题首先介绍了点云数据的可视化表达方法，包括二维投影和三维渲染两类方法;其次介绍了一种针对海量点云数据的可视化表达方法;然后，介绍经典的点云数据的空间组织与索引方法;最后，介绍几种常用的点云数据压缩和精简方法。

第五专题是点云滤波与地形提取问题，重点介绍了基于机载激光扫描数据的数字地面模型生成技术，分析了数字地面模型的生成方法。阐述了激光扫描点云数据滤波，介绍了几种常见的滤波方法;分析了各种方法的优缺点，进行了定性、定量比较;介绍了一种融合强阈值三角网与总体最小二乘曲面拟合滤波算法;阐述了利用全波形信息进行滤波的潜在优势，介绍了一种利用波形信息的加权曲面拟合滤波算法;阐述了数字高程模型的具体生成简化方法;介绍了滤波效果评估方法。通过介绍一种融合强阈值三角网与总体最小二乘曲面拟合滤波算法使学生对于滤波的整体过程有了更加深刻、透彻、感性的认识，同时也为实践操作课奠定基础。

第六专题是建筑物提取与重建。建筑物提取是一个热点研究问题，不仅原始数据的质量在不断提升，人们对城市模型重建的预期也在不断提高，即希望从简单的积木式建筑模型到结构化的建筑屋顶，再到如今建筑立面细节的几何与辐射表达。本专题首先介绍了建筑物检测和建筑物轮廓划分的具体研究现状;然后讨论了三维建筑物模型重建，包括几何建模、重建系统、规则化、约束方程、交互性和泛化等问题;最后介绍了一种基于关键点检测的复杂建筑物模型自动重建方法，通过具体方法的介绍加深学生对于点云分类过程和建筑物重建过程的理解和掌握。

2)教学实践内容

在理论授课的基础上，带领学生进行实践教学。在进行了认真、详实、细致的理论学习的基础上，通过实践教学的方式将理论联系实际，使学生对理论知识有了更加深刻、透彻的理解和把握。实践教学是对理论知识进行加深、巩固的非常有效的途径之一，同时也有利于提高学生的专业能力和动手能力。

“激光雷达测量原理与实践”的教学实践主要包括了数据采集参观、数字高程模型制作、点云数据分类、建筑物三维重建等内容。

首先组织学生参观无人机LiDAR采集数据的演示，采集的仪器为际上导航GS-MID40无人机激光雷达扫描系统，它集成了Velodyne激光雷达扫描仪、际上导航GNSS/INS定位定姿系统(POS)、索尼黑卡相机及存储控制单元，可以实时、动态采集海量高精度激光点云数据以及高分辨率遥感影像数据。学生通过近距离接触无人机激光雷达采集系统的整个工作过程，对于无人机激光雷达的采集过程有了感性、深刻的理解和认识，对于外业工作也会有更多的感悟。

通过无人机采集了相应区域的激光雷达点云数据和遥感影像数据后，将所获得的数据进行内业处理。进行内业处理时利用TerraSolid软件进行，TerraSolid软件是第一套商业化LiDAR数据处理软件，该软件的主要模块是基于Microstation开发的插件系统。

考虑到教学时间的限制，进行内业实践操作时无法让学员完全对激光雷达点云数据后处理的所有流程进行体验和学习，而是重点选取了数字高程模型制作、点云数据分类、建筑物三维重建等内容供学生学习。其中数字高程模型制作实践模块包括了点云数据滤波和数字高程模型生成;点云数据分类实践模块包括了点云数据特征提取和分类;建筑物三维重建实践模块包括了建筑物线划模型制作和三维场景渲染。这些模块都是机载LiDAR点云数据后处理中的重要环节，学生通过实践教学，将所学习的激光雷达理论知识与实践操作相联系，较好地巩固了所学理论并提高了动手能力。

2、教学方法创新灵活化

为了使学生更好地掌握所学课程，除了设置合理有效的教学内容外，还要选择设计创新灵活的教学方法，激发学生学习“激光雷达测量原理与实践”的积极性。可以采取以下几种具体措施。

(1)选择问题驱动式教学法[3]及案例教学法[4]等进行理论课授课。灵活选择不同的教学方法，做到因材施教、因人施教。传统的教学方法是讲授式教学方法，主要由老师对重点知识进行讲授从而令学员直接迅速地掌握，这种被动听讲的授课方式的缺点非常明显，容易出现满堂灌的情况，造成学生学习积极性的降低。那么在对基础性知识进行了讲授以后，应该选择以学生为主体的问题驱动式教学法及案例教学法进行以后的授课，激发学生学习的积极性，提高学生课程学习效果。

在每个专题学习的中期，可以首先由老师在课前布置好与专题学习内容相关的问题，学生在收到问题以后，按照分组情况进行分工讨论交流，老师在这个过程中进行积极正确地引导。通过分析交流，每组都对问题有了解决方法，接下来就可以在全班范围内进行交流。最后进行结果评价，评价的具体方式可以有自评、互评及老师评价等。问题驱动式教学法能最大程度地发挥学生的主观能动性，极大地激发学员去积极思考、认真学习、高度参与。

在专题学习的后期，可以进行案例教学法。如在点云滤波与地形提取问题专题，老师可以选择合适的案例让学生进行解答，如给定一块区域的机载激光点云数据，生成此区域的数字高程模型。学生就要分组对具体案例进行处理，团队合作查阅资料、搜集信息、分析讨论，最后形成解决方案。案例教学法的优势非常明显，可以充分调动和激发学生学习思考的积极性，提高学员分析问题解决问题的能力，也有助于培养学员的创新思维能力。

2)在实践教学中穿插组织专业技能比赛。促进学习的一大动力就是比赛。进行教学实践时重点学习数字高程模型制作、点云数据分类、建筑物三维重建等模块，在每个训练模块的学习后期，会组织相关知识的专业技能比赛。准备专业技能比赛的过程中，会令学生既有压力又有动力[5]。压力可以促使学生激发出对学习的热情，提高学习的积极性;动力可以令他们在准备比赛和比赛的过程中查漏补缺，提高自身的业务水平、激发潜能、增强自信心。

3、考核模式科学有效化

任何一门课程的学习，最终都需要由考核来对学生的学习情况做一个评价。考核的最终目的是激发学生的学习热情、积极性和主动性，备考的过程就是一个查漏补缺、对所学知识融会贯通的过程。

“激光雷达测量原理与实践”这门课程的考试模式是由试卷考核、实际操作考核、平时成绩考核组成。其中平时成绩考核是由学员平时的课堂表现评定的，包括出勤率、课堂纪律、课堂发言情况等，课堂发言情况占的比重最大，主要由学生在分组讨论、案例分析时的表现确定，这也是最能反映出学生对所学知识理解、掌握程度的部分。实际操作考核包括实践教学中作业表现、专业技能比赛成绩及实践考核科目成绩等，将实际操作成绩纳入最终考核结果也是对学生动手实践能力的检验，也使学生对实践活动更加重视。试卷考核是教员根据课程内容出一张试卷，考核结果就是学生的卷面成绩。

在创新灵活的教学方式的基础上，设立科学有效的考核方式，调动学员的学习积极性和主动性，从而完成最终的人才培养目标。

4、结束语

机载激光雷达是近十几年来快速发展的新型测量技术，为了更好地为摄影测量与遥感专业学生讲授“激光雷达测量原理与实践”课程，笔者从教学内容、教学方法及考核方式进行了深入透彻地研究与思考，使学生能够在课程学习中发挥主观能动性，积极学习、勤于思考，高质量高标准完成学习任务，全面提升学生的思考、动手及创新能力。

参考文献：

[1]张小红.机载激光雷达测量技术理论与方法[M].武汉:武汉大学出版社,2007.

[2]赖旭东.机载LiDAR基础原理与方法[M].北京:电子工业出版社,2010.

[3]滕吉红,黄晓英.问题驱动式教学模式在高等数学教学中的探索[J].教学研究,2011(2):23-24.

[4]丁怡,张世亮,俞国燕.案例式教学在基础工业工程教学中的应用与探讨[J].大学教育,2018,101(11):103-105.

[5]梅炳夫.通过专业技能大赛激发学生学习积极性的思考[J].电脑知识与技术,2018,14(8):117-118.

李鹏程,刘志青,邢帅,周杨,徐青.“激光雷达测量原理与实践”课程教学研究与思考[J].测绘与空间地理信息,2020(10):5-7.

基金:国家自然科学基金(41876105)资助.

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期刊名称：测绘工程

期刊人气：639

期刊详情

主管单位：黑龙江省教育厅

主办单位：黑龙江工程学院,中国测绘地理信息学会

出版地方：黑龙江

专业分类：科学

国际刊号：1006-7949

国内刊号：23-1394/TF

邮发代号：14-322

创刊时间：1992年

发行周期：月刊

期刊开本：大16开

见刊时间：1年以上

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