無人機航測技術在測繪類本科專業實踐教學中的應用

王宇　林中云　齊修東　柴華彬　都偉冰　連增增

［摘 要］自“新工科”建設被提出以來，測繪行業發展一直緊隨時代科技發展的步伐，積極朝著向數字化、智能化轉型邁進。傳統的實踐教學內容、教學方法已經難以滿足新型基礎測繪背景下測繪地理信息行業對人才培養的需求，高校應當與時俱進，著力構建有利于培養學生實踐能力的教學新機制。文章結合國家建設與社會發展對測繪類人才的應用實踐能力提出的更高要求，分析了當前無人機航測技術在測繪類本科專業實踐教學中存在的若干問題，并提出應對措施。以河南理工大學測繪與國土信息工程學院為例，介紹了無人機技術在數字測圖原理與方法、遙感原理與方法、三維激光掃描、空間信息數據處理綜合實習課等程和集中實習中的應用，展現了無人機航測技術在實踐教學中的應用價值，以期為其他高校完善測繪類本科專業實踐教學培養體系提供思路。

［關鍵詞］無人機航測技術；本科實踐教學；新工科；測繪人才培養

［中圖分類號］G642.0［文獻標識碼］A［文章編號］2095-3437（2024）02-0087-04

近年來，無人機技術借助高精度、高效率、經濟性等優點，已成為新型測繪技術的重要依托[1]。隨著物聯網、大數據以及人工智能等信息技術的發展，測繪類學科將向多學科交叉的“新工科”轉變，生產模式從基礎數據采集型向空間信息應用型和服務型轉變[2]。在此背景下，將無人機航測技術納入測繪類本科專業教學體系，更新實踐教學模式，既符合國家對“新工科”建設的要求，也是測繪行業新的發展機遇。

河南理工大學是我國第一所礦業高等學府、河南省建立最早的高等學校、中央與地方共建、以地方管理為主的河南省屬重點高校[3]。測繪類專業是該校的優勢工科專業，測繪科學與技術學科始建于1923年，是河南省首批特色骨干學科群建設學科（A類），入選河南省高校“雙一流”創建工程。在“新工科”背景下，河南理工大學測繪學院不斷探索無人機航測技術在理論教學與實踐教學中的應用，使學生所學與工程實踐建立起密切的聯系。

一、無人機航測技術在測繪類本科專業實踐教學中存在的問題

“新工科”建設的實質是面向創新型國家建設重大戰略和制約社會發展的緊迫需求，抓住新一輪科技革命和產業變革的戰略機遇，創新工程教育體系，培養新興工程科技人才[4]。這對測繪類本科專業教學改革提出了新的要求。在引入無人機航測技術到測繪類本科專業實踐教學時，存在以下三個方面的問題，應引起足夠重視。

（一）無人機設備不足，教學僅以教師演練為主

相對于全站儀、水準儀、RTK等傳統測量設備，無人機航測設備購買價格貴、維護費用高，且使用壽命短。由于財政撥款、辦學經費等條件限制，部分高校無法購置足夠數量的無人機設備以滿足學生的實踐需求，因此，許多學校的無人機教學的實踐部分只能由教師演練，學生觀摩。教師演練雖然可以確保無人機在相對受控的環境中運行，減少意外事件的發生，但限制了學生實踐技能的提升。

（二）能夠操控無人機的教師數量偏少

無人機航測技術涉及測繪、地理信息系統、航空、通信等多個學科，技術更新快、應用領域廣[5]。許多教師缺乏無人機設備的相關知識，只有部分教師具備無人機操作和實踐經驗。目前河南理工大學測繪學院可以熟練操控無人機的教師只有8人，但卻承擔了多個專業的測量學、無人機遙感等課程以及數字測圖等實習任務，具備飛手資格的教師數量還需進一步增加。

（三）學生普遍有畏懼心理，擔心誤操作而摔壞無人機

對于初學者來說，無人機操作可能是一個既興奮又恐懼的存在。操控者需要一定的無人機飛行知識、飛行安全意識、操作技巧。而專業級的無人機價格較高，學生在操作前難免擔心因誤操作導致設備損壞而帶來的經濟責任，從而不敢輕易嘗試，或者淺嘗輒止。學生的畏懼心理降低了實踐效果，難以充分激發學生的學習熱情，也不利于學生的職業發展。

二、解決實踐教學存在問題的應對措施

針對以上問題，結合“新工科”建設理念，提出以下解決措施：

（一）培養教師熟練操作無人機，鼓勵教師考取飛行執照

由中國航空器擁有者及駕駛員協會頒發的AOPA無人機駕駛證的學習周期較長，且費用較高。為增加能夠操作無人機的師資數量，滿足實踐教學需求，學校可以鼓勵老師考取飛行執照。教師擁有無人機飛行執照后，可以直接參與無人機的實踐操作和教學活動，帶領學生進行實際飛行訓練、數據采集和航測任務等，為學生提供更多的實踐機會和航測數據。

（二）購置專門用于飛行訓練的消費級微小型無人機，降低學生的心理負擔

相比于專業級無人機，消費級的微小型無人機雖然不具備航測功能（沒有RTK模塊，沒有航測軟件），但可以進行飛行操作練習，購買成本較低，而且對周圍環境和人員構成的潛在風險低，學生在操作時可以更加放松和自在，減少飛行心理負擔。擁有更多的無人機，學生能夠嘗試更多的飛行方式、應用場景，促進學生創新能力的培養。

（三）結合虛擬仿真教學手段，先開展線上模擬，后進行線下操作

虛擬仿真是指通過計算機技術和虛擬現實技術，模擬真實世界創造出一種虛擬的、可交互的環境。學生可以在虛擬三維場景中進行無人機電池安裝、螺旋槳安裝、航線規劃等操作，獲取測區的正攝或傾斜數據。目前河南理工大學測繪學院已獲批國家級虛擬仿真實驗教學項目1項（礦區地表形變監測），省級虛擬仿真實驗教學項目8項，測繪空間信息省級虛擬仿真實驗中心1個、省級虛擬仿真實驗教學課程群1個。通過線上模擬無人機操作及數據處理，學生實際操作無人機時可以更加從容。這種“虛實結合”的教學方法能夠充分激發學生的實踐興趣，切實提高學生的實踐水平和數據處理能力。

三、無人機航測技術在測繪類本科專業實踐教學中的應用

為提高學生工程實踐素養及創新能力，河南理工大學測繪學院已購置的無人機包括無人直升飛機、華測P330pro垂起固定翼無人機、大疆M300（圖1）、精靈4RTK、精靈4多光譜等多旋翼無人機，傳感器包括長光禹辰AQ600多光譜相機、Leica?ALS50 II型機載LiDAR、MinSAR、大疆H20T相機、高光譜相機。在“雙一流”學科建設支持下，河南理工大學測繪學院將對現有設備進行升級和補充，包括購置大疆M350無人機、機載高光譜、激光雷達等，助力教學和科研。

本文以河南理工大學測繪學院為例，介紹無人機航測技術在河南理工大學本科理論教學與實踐教學中的應用情況。需要注意的是，隨著無人機技術的普及，學科邊界越來越模糊，無人機航測技術會應用于更多測繪類課程。

（一）數字測圖原理與方法課程集中實習

數字測圖原理與方法課程是面向測繪類本科專業開設的核心課程。測繪學院為培養本科生分析、解決實際問題的能力，組織學生在校內開展為期一個月的數字測圖原理與方法集中實習，包括2周的水準測量、導線測量和全站儀碎部點采集；1周的無人機正射影像獲取、處理及地形圖繪制；1周的無人機傾斜數據獲取、處理及地形圖繪制。學生通過集中實習，可以掌握航測外業操作流程和內業數據處理方法，提高動手能力和解決問題的能力。利用無人機航測技術制作的正攝影像（圖2）、三維模型、數字線畫圖等數據，可用于城市規劃、遙感分類、WebGIS開發等。

（二）遙感原理與方法

無人機可以搭載多光譜、熱紅外（圖3）、高光譜等傳感器，可以靈活調整飛行區域、飛行高度，獲取同一地區多種維度的遙感數據，加深學生對不同地物對不同電磁波譜的表現認知，繼而為遙感原理與方法課程提供充足的實驗數據，激發學生對遙感分類的興趣。同時，學生可以利用高質量的無人機遙感數據進行遙感定量反演分析，如病蟲害、農業估產、土壤重金屬污染調查、水質監測等，提高學術視野和水平。

（三）三維激光掃描技術

三維激光掃描技術通過高速激光掃描測量方法，可以快速建立高精度（精度可達毫米級）、高分辨率的物體真實三維模型以及數字地形模型。早期的三維激光掃描技術課程主要針對地面固定式和地面移動式三維激光掃描設備。但地面三維激光掃描設備難以獲取建筑物頂部或高層數據，此時，便需要借助機載三維激光掃描技術。由于機載設備也有視野盲區，因此，為獲得某一地區或建筑物的點云數據或三維模型，可以通過Context Capture或大勢智慧軟件對多種平臺的激光點云數據進行融合處理。目前機載三維激光掃描技術已經用于多個領域，比如電力線巡檢、土方量估算、實景三維構建、林業調查（圖4）等。

（四）空間信息數據處理綜合實習

空間數據處理綜合實習是集無人機實習、遙感實習及地信實習為一體的綜合性實習，是學生步入社會、走上工作崗位之前的重要實踐。綜合實習包括1周的無人機實習，主要進行無人機傾斜數據獲取及正射圖和DEM圖制作；1周的遙感實習，涵蓋了無人機正射影像遙感分類（圖5）、衛星影像遙感分類；1周的地信實習，進行分類產品精度驗證、專題圖制作以及基于DEM數據的淹沒分析。該實習可以檢驗和提高學生綜合運用所學知識解決實際問題的能力，為培養新工科人才奠定扎實的基礎。

四、結語

無人機航測技術具備高精度、高集成、高自動化和低成本的優勢，應用場景越來越豐富，可以為測量、地圖更新、城市規劃、實景三維等相關領域的工作、規劃和決策提供重要支持。當今測繪行業處于信息化時代，對高層次創新型、應用型人才的需求更為迫切。地方高校在培養新工科測繪專業人才時，應當從無人機航測等新興技術切入，結合自身的專業特點，以產業需求為導向，培養師資梯隊，改革教學實踐內容，切實提高測繪工程人才培養質量，以順應測繪類專業技術人才培養的新形勢。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 王浩天.基于無人機航測技術的城市用地規劃模型研究[J].北京測繪， 2018， 32（10）：1174-1177.

[2] 晏磊， 廖小罕， 周成虎， 等.中國無人機遙感技術突破與產業發展綜述[J].地球信息科學學報， 2019， 21（4）：476-495.

[3] 陳軍， 劉萬增， 武昊， 等.智能化測繪的基本問題與發展方向[J].測繪學報， 2021， 50（8）：995-1005.

[4] 鄒友峰， 周英， 武學超， 等.河南理工大學人才培養的百年探索與實踐[J].河南理工大學學報（社會科學版）， 2010， 11（4）：489-492.

[5] 閆利， 李建成.測繪類專業的“新工科”建設思考[J].測繪通報， 2020（12）：148-154.

［責任編輯：黃緊德］