1.本发明属于航空摄影测量技术领域，具体涉及一种无人机航空摄影测量教学系统。


背景技术：

2.航空摄影测量是指在飞机或其他飞行器用航摄仪器对地面连续摄取像片，结合地面控制点测量、调绘和立体测绘等步骤，绘制出地形图的作业。无人机作为一种新的飞行器运用到航空摄影测量中，与传统飞行器的航空摄影测量手段相比，具有机动灵活、高效快速、精细准确、作业成本低、适用范围广、生产周期短等特点，在小区域和飞行困难地区高分辨率影像快速获取方面具有明显优势，因此无人机航空摄影测量的作业需求越来越多。但是想要开展无人机航空摄影测量必须要经过专业的无人机航空摄影测量教学。
3.在无人机航空摄影测量教学开展中，由于受天气、安全、场地等因素的影响，在开展外业数据采集教学时存在诸多不便。因此，现有技术通常使用室内无人机航空摄影测量模拟教学系统进行教学，但是传统的无人机导航定位方式无法在小面积的室内对无人机进行精准定位，因此该教学系统通常采用在直线导轨上移动相机的方式代替无人机进行航空摄影测量，便于对相机进行定位，这种教学航测方式与实际的无人机航测作业存在较大的区别，学生想要理解理论与实际应用非常困难，并且由于直线轨道固定，相机无法灵活调整行业，导致无法对无人机航空摄影测量进行全面教学，学生学习兴趣低，教学品质十分低下。


技术实现要素：

4.本发明意在提供一种无人机航空摄影测量教学系统,解决了现有技术的室内教学航测方式与实际的无人机航测作业存在较大的区别，无法对无人机航空摄影测量进行全面教学，导致学生学习兴趣低，教学效果差的问题。
5.本发明提供的基础方案：一种无人机航空摄影测量教学系统，包括沙盘模型、无人机和地面站；所述沙盘模型用于模拟作业环境；所述沙盘模型边缘设有n个电子标签，n大于等于3；所述沙盘模型上方设有反射板；所述无人机为拍摄无人机，所述无人机用于对沙盘模型进行拍摄测量作业，所述地面站用于设置和生成无人机的作业参数；
6.所述无人机上设有飞行控制器、水平测距仪和竖直测距仪；所述水平测距仪用于检测无人机至各电子标签的水平距离，所述竖直测距仪用于检测无人机与反射板之间的竖直距离，所述飞行控制器用于根据检测的水平距离和竖直距离确定无人机在沙盘模型中的相对位置信息；所述飞行控制器还用于接收作业参数，并根据无人机的相对位置信息和作业参数控制无人机进行作业。
7.本方案的技术原理和有益效果：本方案中使用沙盘模型模拟作业环境，所述沙盘模型边缘设有n个电子标签，n大于等于3，沙盘模型上方设有反射板；所述无人机上设有水平测距仪和竖直测距仪，通过检测无人机与各个电子标签的水平距离和无人机与反射板之
间的竖直距离即可确定无人机在沙盘模型上的相对位置信息；地面站用于设置和生成无人机的作业参数，无人机根据相对位置信息和作业参数对沙盘模型进行拍摄测量作业；通过在沙盘模型上设置反射板和沙盘模型边缘设置电子标签获取无人机的相对位置信息，代替传统的无人机导航定位方式，解决了使用传统的无人机导航定位方式无法在小面积的室内使用的问题，改变直线导轨移动相机的定位方式，直接使用无人机对沙盘模型进行拍摄测量，使无人机的航空拍摄测量教学接近实际的无人机航测作业操作，可对无人机航空摄影测量进行全面详细的教学，增加学生的学习兴趣，提高无人机航空摄影测量教学效果。
8.进一步，所述地面站包括地面控制器和显示器；所述控制器内存储有无人机控制程序；所述无人机控制程序用于设置和生成无人机的作业参数；所述显示器用于获取和显示无人机的作业参数。
9.有益效果：显示器便于教师和学生对无人机的作业参数进行设定和修改，也方便学生随时对无人机的作业参数进行查看，设置和生成无人机的作业参数，满足飞行路线自助设计的需求，提高教学质量。
10.进一步，所述作业参数包括作业区域、航向重叠度、旁向重叠度、飞行速度、航带间距、拍照频率、航高和航线。
11.有益效果：通过无人机控制程序设定无人机的作业区域、航向重叠度、旁向重叠度、飞行速度、航带间距、拍照频率、航高和航线，准确地控制无人机进行航空摄影测量作业，使无人机的航空拍摄测量教学与实际的无人机航测作业操作的相似度高，并且设置作业数据，满足大部分作业需求和自主设计需求，提高教学品质。
12.进一步，所述无人机控制程序包括地图模块、显示模块、设置模块和生成模块；
13.所述地图模块用于存储沙盘模型的地图；
14.所述显示模块用于显示沙盘模型的地图；
15.所述设置模块用于在地图上设置作业区域；所述设置模块还用于设置飞行速度、航向重叠度、旁向重叠度和航高；
16.所述生成模块用于根据作业区域、航向重叠度、旁向重叠度和航高生成航线、航带间距和拍照频率。
17.有益效果：通过作业区域、航向重叠度、旁箱重叠度、航高生成航线、航带间距和拍照频率，跟操作人员计算设定的航线、航带间距和拍照频率相比，生成的航线和拍摄频率与作业区域的适配性更高、更合理，拍摄出的影响清晰完整，测量出的数据更准确，也更利于学生对实际应用与相关理论之间的理解。
18.进一步，所述作业参数还包括无人机的镜头模式，所述镜头模式包括正射模式和五向模式；所述正射模式为镜头方向与水平方向垂直；所述五向模式为镜头分别朝竖直向下、向东、向西、向南、向北倾斜；所述设置模块还用于设置镜头模式。
19.有益效果：教师能够根据作业需求的不同，选择不同的镜头模式进行拍摄教学，增加教学案例，使学生能够学到更多的无人机航空摄影测量知识，提高教学质量。
20.进一步，所述设置模块还用于设置镜头模式为五向模式时，设置镜头的倾斜角度。
21.有益效果：摄像头的镜头可调节角度，满足不同的作业需求，使拍摄测量结果具有多样性，利于学生学习如何根据作业需求，调整镜头角度。
22.进一步，所述无人机控制程序还包括虚拟位置模块，所述虚拟位置信息模块用于
设定电子标签的虚拟位置信息，所述虚拟位置信息包括经度、纬度和海拔；所述虚拟位置信息模块还用于获取无人机的相对位置信息，并根据电子标签的虚拟位置信息计算出无人机的虚拟位置信息。
23.有益效果：跟相对位置信息相比，使用虚拟位置信息反馈无人机的位置更加直观，操作人员在设定作业参数过程用更加方便快捷；并且在无人机航空摄影测量教学过程中使用虚拟位置信息与实际的无人机航测作业更相似，使教学质量更高。
24.进一步，所述反射板与沙盘模型之间的距离为3m，所述无人机航高调节范围为0.6m～2.4m，所述无人机的航高调整间隔为每次调整0.2m。
25.有益效果：无人机调节范围设定为0.6m～2.4m，使无人机与沙盘模型和反射板之间保持一定的距离，保证无人机在作业过程中不碰撞到沙盘模型和反射板，确保无人机、沙盘模型和反射板在作业过程中的安全稳定性。
26.进一步，所述无人机控制程序还包括无人机调整模块，所述无人机调整模块用于当无人机完成作业时，将无人机调整为停止状态；所述无人机调整模块还用于检测到无人机飞出沙盘区域时，将无人机调整为停止状态。
27.有益效果：增加无人机调整模块，若无人机在作业过程中操作人员停止操作或者无人机飞出沙盘区域，则调整无人机为悬停状态，避免无人机掉落或者无目的飞行导致沙盘模型损坏，或者对室内人员造成威胁。
28.进一步，所述无人机还包括红外传感器，所述红外传感器用于飞行过程中检测无人机周围是否存在障碍物，所述飞行控制器还用于当红外传感器检测到障碍物时控制无人机避开障碍物。
29.有益效果：增加无人机的避障功能，避免在教学过程中无人机误伤到室内的教师和学生，保证室内的教学安全。
附图说明
30.图1为本发明一种无人机航空摄影测量教学系统实施例的控制逻辑示意图。
具体实施方式
31.下面通过具体实施方式进一步详细说明：
32.实施例1
33.实施例1基本如附图1所示：一种无人机航空摄影测量教学系统，包括沙盘模型、无人机和地面站；所述沙盘模型用于模拟作业环境；所述无人机用于对沙盘模型进行拍摄测量作业，所述地面站用于设置和生成无人机的作业参数；本实施例中，所述无人机为小型拍摄无人机，无人机上装有单镜头相机，适用于室内模拟教学。
34.所述地面站包括地面控制器和显示器；所述显示器用于获取和显示无人机的作业参数；所述控制器内存储有无人机控制程序；所述无人机控制程序用于设置和生成无人机的作业参数；所述作业参数包括作业区域、航向重叠度、旁向重叠度、飞行速度、航带间距、拍照频率、航高、航线和镜头模式。
35.所述无人机控制程序包括地图模块、显示模块、设置模块、生成模块、虚拟位置模块和无人机调节模块；所述地图模块用于存储沙盘模型的地图；所述显示模块用于显示沙
盘模型的地图；所述设置模块用于在地图上设置作业区域，操作人员可选择作业区域，作业区域可以是整个沙盘模型，也可以是沙盘模型的一部分；所述设置模块还用于设置飞行速度、航向重叠度、旁向重叠度、航高和镜头模式；
36.所述镜头模式包括正射模式和五向模式；所述正射模式为镜头方向与水平方向垂直；所述五向模式为镜头分别朝竖直向下、向东、向西、向南、向北倾斜；所述设置模块还用于设置镜头模式和五向模式下镜头的倾斜角度；
37.所述生成模块用于根据作业区域、航向重叠度、旁向重叠度和航高生成航线、航带间距和拍照频率；航带方向默认东西向，操作人员可以通过设置模块将航带方向设置为其他方向；
38.所述虚拟位置信息模块用于设定电子标签的虚拟位置信息，所述虚拟位置信息包括经度、纬度和海拔；所述虚拟位置信息模块还用于获取无人机的相对位置信息，并根据电子标签的虚拟位置信息计算出无人机的虚拟位置信息。
39.所述无人机调整模块用于当无人机完成作业时(即操作人员停止操控无人机时)或无人机飞出沙盘区域时将无人机调整为停止状态。
40.本实施例中，沙盘模型为尺寸12m
×
10m的方形模型，模拟1.2km
×
1.0km区域，比例尺100：1。沙盘模型尺寸要和整个室内空间相协调，沙盘模型的长宽比例合适，沙盘模型的高度和沙盘模型要素间的相对高度要合理，沙盘模型涵盖的地形及地物要素应尽量齐全，具体应包括山峰、山谷、河流、森林、农田、高层建筑、低层建筑、公路、桥梁、轨道、村庄等要素应。沙盘模型中应含有一部分可作为控制点的地物标识，如停车线、斑马线等；沙盘模型的地面材质应为容易粘贴标识物的材质，以便于添加控制点。
41.所述沙盘模型边缘设有n个电子标签，n大于等于3；本实施例中，在沙盘模型的四个顶点设置4个杆状物，每个杆状物上装有一个电子标签，电子标签为frid卡；所述沙盘模型上方3m的位置设有平整的反射板；所述反射板的长宽尺寸与沙盘模型相同；本实施例中，由于无人机在反射板与沙盘模型中作业，因此设置无人机的航高调节范围为0.6m～2.4m，调整间隔为每次调整0.2m。
42.所述无人机上设有飞行控制器、水平测距仪、竖直测距仪和红外传感器；
43.所述水平测距仪发射水平信号至电子标签，再由电子标签反射回水平测距仪，以此得出水平测距仪与四个电子标签的水平直线距离，飞行控制器根据水平测距仪与四个电子标签的水平直线距离计算出无人机在沙盘模型的相对水平位置；
44.所述竖直测距仪发射竖直方向的测距信号至反射板，再接收反射板的反射回的测距信号，以此得出竖直测距仪与反射板之间的距离，所述飞行控制器通过竖直测距仪与反射板之间的距离、反射板与沙盘模型之间的距离得出检测无人机与沙盘模型之间的距离；
45.所述红外传感器用于飞行过程中检测无人机周围是否存在障碍物，所述飞行控制器还用于当红外传感器检测到障碍物时控制无人机避开障碍物，以此保证室内教学安全。
46.实施例2
47.本实施例与实施例1的区别在于：所述无人机控制程序还包括获取模块、评价模块和分析模块；
48.所述控制器还用于记录无人机的避障次数；
49.所述获取模块用于获取无人机的作业参数、无人机的避障次数和无人机的拍摄结
果；
50.所述地面控制器还用于控制显示器显示无人机的拍摄结果；
51.所述互评模块用于对无人机的作业过程进行评级，级别包括a级、b级、c级、d级，a级为优，并依次降低。
52.所述评价模块用于对无人机的作业过程进行评价；所述评价标准为：根据无人机的拍摄结果清晰度对无人机的作业过程进行评分；避障次数增加一次则扣除相应的分数；
53.所述分析模块用于根据评价模块的评分结果对无人机的作业过程进行分析，给出改进建议；若拍摄结果的清晰度较差，则建议调节无人机作业参数中的飞行速度或者镜头的倾斜角度；若避障次数过多，则建议调节无人机的飞行路线。
54.有益效果：通过设置评价模块和分析模块能够对学生的飞行演练过程进行评分，使学生能够自主进行飞行演练，增加学生的学习兴趣；通过互评模块使学生之间能够相互评价，互相学习和监督，提高学生的学习自主性，激励学生的学习欲望；并且通过分析模块给出学生改进建议，促进学生进行独立思考，提高教学质量。
55.以上的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本技术给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本技术的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本技术要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。