消費級無人機在GIS本科教學中的應用研究

楊博丞，蔣兆恒

（通化師范學院，吉林通化 134000）

GIS全稱Geographic Information Science，即地理信息科學，是近些年發展迅速的新興學科，在地里信息科學本科教育經過一段時間的發展后越發被社會各界認可，進而產生了有針對性的教育發展方向研究，既消費級無人機用于地理信息科學本科教學的應用方向研究。無人駕駛飛機簡稱“無人機”，是由地面控制系統，空中運載平臺和搭載組件組成，用無線電遠程控制或利用設備自身程序控制，裝置操控的不載人飛機的統稱。根據無人機相關用途的分類，無人機可以分為軍用無人機和民用無人機，其中民用無人機又可以分為專業級無人機和消費級無人機兩種[1]。軍用無人機應用在國防偵查、對敵戰斗、搜救巡邏等方面擁有軍事壟斷性；民用無人機有運用在各專業領域的專業無人機，如：保值無人機、管線巡查無人機、環境監測無人機等，有專業性高、售價昂貴的特點,以及用于消費娛樂用途讓愛好者業余飛行使用的消費級無人機。隨著新興科學技術的不斷發展，無人飛行器作為新技術、新產品其發展十分迅猛并孕育著新一輪產業革命和升級，新興產業正在成為引領未來經濟社會發展的重要力量。國家對于無人飛行器高度重視，社會各界積極參與，已經顯示出良好的發展勢頭和美好前景，形成了大規模研發、集群生產的模式。低空空域開放及通航新政策加速了無人飛行器與國民經濟和民生的融合，帶動眾多產業快速發展。將消費級無人機運用到地理信息科學本科教學中，對培養地理信息科學專業人才，促進無人機的推廣和應用具有重要意義。

1 消費級無人機的性能及優勢特點

消費級無人機屬于民用無人機，顧名思義特指無人機產品中面向個人消費者或群體、主要用于娛樂和航拍功能的無人航空飛行器，一般以四軸或六軸的多旋翼機型為主。從功能上來說，消費級無人機具備專業無人機的一些基本功能，如自主飛行功能、自動定位功能和空中懸停功能等，但是其相對低廉的售價相比于專業無人機來說，更適合日常消費使用，故而在現今商業模式下衍生出了越來越多的消費級無人機產品。

1.1 常見消費級無人機性能技術參數

該文以最為常見的消費級無人機廠商大疆、億航智能、Parrot派諾特的相關產品及其性能技術參數進行簡要介紹。

1.1.1 大疆精靈4無人機性能技術參數

精靈4（DJIPhantom 4 Advanced）是大疆無人機公司精靈系列產品線中的第四代無人機產品，其售價為7999元起，按照上文提到的無人機分類，屬于典型的民用消費級無人機，因為用戶廣泛、保有率高，可以作為消費級無人機的案例進行介紹。精靈4無人機繼承了精靈系列一貫的安全、穩定、靈活的產品特性，加入雙IUM組件和避障系統，理論飛行續航時間也較上一代有明顯提升，達到30min，使飛行期間更加持久和安全可靠。精靈4采用雙模衛星定位模塊，能夠為用戶提供精準位置信息，對后期圖像定位提供有力保障。最大飛行高度為6000m，最大承受風速10m/h。教學實踐過程中很少涉及極端天氣和惡劣地形的因素影響，故能夠滿足日常飛行的需要。精靈4的相機系統可以提供可靠、靈活的拍照方法，根據不同的光線環境條件可以調節至適當模式進行拍攝，從而獲取符合要求的航拍數字影像。

1.1.2 億航智能無人機性能技術參數

億航GHOSTDRONE2.0旗艦版是億航智能專門針對無專業需求的普通消費者打造的一款無人機航拍產品。其旗艦版本的售價為5999元，機型與精靈4相仿，也屬于民用消費級無人機行列。穩定續航時間25min，最大水平飛行速度40千米/小時（GPS模式）/70 km/h(手動模式)，最大傳輸距離1000m，最大抗風等級5級，可以滿足日常飛行需求。其搭載4K球形相機有效像素達到1200萬，可以手動調節ISO值從而達到預定拍攝要求，可以通過GPS模塊獲取飛行器的精準定位信息，達到基本的定位需求。

1.1.3 派諾特無人機性能技術參數

Parrot ANAFI 4K航拍無人機是由派諾特貿易（深圳）有限公司研制銷售的消費級無人機產品。其完全展開后的小尺寸和4899元的起售價格受到廣大消費者的歡迎。其最大續航時間可達25min，最大時速55km/h，最大抗風性能50km/h，具有GPS和GLONASS雙定位系統，能夠提供穩定飛行能力和精準定位功能。它搭載1/2.4英寸CMOS，能提供最高2100萬像素的航拍相片，可手動調節快門、光圈和感光度，為拍攝符合要求的航空相片提供基礎。

綜合上述3款無人機產品的主要性能技術參數（見表1），可以看出消費級無人機產品的性能完全能夠達到本科教學用航拍標準，飛行數據和影像可以用于相關專業的實踐教學。

1.2 消費級無人機的優勢特點

根據其性能技術參數，消費級無人機在地理信息科學本科教學中應用時展現出一些專業級無人機所不具備的優勢特點。

1.2.1 價格低廉

消費級無人機相較于專業級無人機其最主要的優勢特點是低廉的售價。這一優勢特點明顯降低了消費級無人機的準入門檻，萬元左右的價格使得愛好者和相關人群可以輕松變成消費群體，使消費級無人機迅速發展并占領市場。

1.2.2 操作簡單

消費級無人機的顯著優點還有操作簡單，相較于專業無人機操作系統煩瑣復雜、行業專業性要求高的特點，消費級無人機遙控操作系統直白簡單，只需簡單學習、培訓就可直接完成相關飛行任務。

1.2.3 無航空駕照管制

我國 《民用無人駕駛航空器系統駕駛員管理暫行規定》中相關條款規定，在視距內運行的微型無人機(駕駛員或觀測員目視視距內半徑500m，相對高度低于120m的區域內,空機質量小于等于7kg的無人機)，無人機系統駕駛員自行負責，無須證照管理。而一般消費級無人機均符合民航局對于微型無人機的定義，因此不要求駕駛員必須持有航空駕照。

結合以上無人機相關技術參數和相較于專業無人機的優勢特點可以得知，消費級無人機就飛行系統、相機系統、消費價格、安全性和可操作性而言，完全符合從事簡單測繪和遙感影像采集工作的要求。利用消費級無人機可以獲取包括地理位置信息、高清圖像信息、飛行數據等基礎數據，用于地理信息科學本科教學中非高精度實踐和日常教學工作。

2 無人機在地理信息科學本科教學中的應用意義和應用現狀

2.1 無人機在地理信息科學本科教學中的應用意義

地理信息科學（Geographic Information Science，GIS），是在計算機軟硬件系統支撐下研究地理空間信息的采集、存儲、處理、管理和分析等一系列問題的學科。地理信息科學是一門交叉學科，學科內容涉及地理學、地圖學、計算機科學、測繪科學等多個學科領域，其主干課程有自然地理、人文地理、測量學基礎、地理信息系統原理、遙感原理與應用、GPS原理等。地理空間信息采集工作是學科發展的基礎，地理信息科學本科教學涉及該部分內容的課程包括地理信息系統實驗、遙感實驗、測量學實習、攝影測量實習等。無人機的應用豐富了地理空間信息采集的手段和方法，有助于培養學生專業實踐能力。

表1 常見消費級無人機主要技術參數

將消費級無人機引入本科實踐教學，利用無人機進行傾斜攝影測量和地理空間信息的采集，獲取海量地理信息，可為全球變化和區域可持續發展研究提供數據支撐。此外，地理信息網絡系統正在迅速發展，地理信息科學在城市規劃、道路建設、車輛導航、資源評價、環境監測等方面都有廣泛和深入的應用，這些無疑說明，地理信息科學具有旺盛的生命力，必將在推動社會生產力的發展中發揮巨大作用[2]。從另一方面也顯示空間地理信息采集工作的重要性，因此，高校地理信息科學本科教學中基于無人機應用的信息采集能力的培養不容忽視。

2.2 無人機在高校地理信息科學本科教學中的應用現狀

現階段國內高校應用無人機進行教學的除無人機專業外，主要集中在測量科學和地理信息科學內的攝影測量課程、遙感技術課程和環境資源勘探等科目中。

各高校針對不同的應用方向和領域，所采用的也是符合其院校應用和發展的不同方式。例如，四川水利職業技術學院的攝影測量與遙感技術專業，采用高校投入財力物力使無人機教學融入實踐教學課程當中的方法，通過“分批實習，校企聯動”的方式，實現大規模開展無人機影像獲取的實踐教學工作，使學生在校期間熟悉小型無人機由外業操作到內業數據處理的流程[3]。也有一些高校采取實踐教學+創新創業訓練的模式，使學生親自參與到相關企業管理和技術開發當中，運用無人機測繪和遙感圖像分析工作的高熱度、高關注度的特點，進行針對性的無人機訓練教學。但以上是小部分高校實驗教學項目，其他高校并未大規模普及無人機進入實踐教學環節。

總體來說，高校主要把無人機用于科研和無人機研發當中，對于在地理信息科學專業中開設利用無人機的相應課程十分少見，對于普通高校來說，最為適合開設無人機輔助實踐的攝影測量課程，大部分只進行了相關理論學習和軟件應用，最重要、最基礎的航空影像數據收集環節沒有進行。其他如遙感原理、GPS原理、三維建模應用、空間數據分析等課程都適合利用無人機進行輔助學習和實踐，但絕大部分高校未把無人機運用在實踐課程中，整體教學過程無法直觀反映出實際生產中的整體流程，缺少外業數據采集的必要環節，使學生不能完全掌握實際成產中應熟悉的流程步驟。

分析高校現階段不引進無人機的主要原因：一是專業級無人機價格昂貴，無法普及到師生實踐教學層面；二是專業級無人機專業性高、操作復雜，對于駕駛員要求相對嚴格，缺乏操作熟練的駕駛員；三是法律規定嚴格，飛行前需要上報有關部門審批，不靈活不利于教學活動的開展。

為彌補教學工作中缺失的部分，高校應該結合自身特點，根據消費級無人機價格便宜、簡單易操作、不受航空管制、基本滿足專業學習要求的特點，從實際出發，適當引入消費級無人機，在教學中替代專業級無人機用于實踐教學。

3 地理信息科學本科教學中引入消費級無人機的優勢及前景

引入消費級無人機，讓學生系統地掌握地理空間信息的采集、存儲、處理、管理和分析等相關工作流程的所有環節，突出學科特色，提高教學水平。

3.1 引入消費級無人機提高學生實踐應用能力優勢明顯

引入消費級無人機，通過實踐課程讓學生熟悉航空數據的采集方法，獲取學習中需要的基礎數據，不僅能夠完善課程內容，還可以將多門課程有效的結合在一起，培養學生自學能力和鉆研精神，提高專業綜合應用能力。例如，在小規模的城鄉規劃行業中應用無人機，用于基礎地理信息數據產品的生產（包括DOM、DLG、DEM產品，小范圍低空遙感影像數據處理）；也可用于智慧城市、智慧校園平臺的建立，提供以傾斜攝影為基礎數據的三維建模模型，建立專題地理信息數據庫、開發專題應用軟件等工作[4]。

在引入無人機相關技術后可以借助國內大型的地理信息科學相關學科比賽、ESRI和超圖等大公司、企業的專業技能競賽等平臺充分調動學生的積極性和創造性。借助企業實習實訓基地創造更好的學習機會和應用機會，增加學生技能并提升競爭力和創造力。

3.2 引入消費級無人機用于大學生創新創業實訓和教育前景廣闊

國家最早從“十一五”規劃期間就開始大力扶植大學生創新創業實踐工作，每年投入大量人力、物力、財力推動大學生創新創業工作。地理信息科學本科教學中可以利用消費級無人機引導學生參加創新創業實訓。利用入門消費級無人機可以進行針對性的創新創業訓練，在校期間熟悉利用無人機從外業資料獲取到內業數據分析全過程，通過把企業實際生產遇到的問題模塊化，分解轉化為學生在校可以學習和實踐的項目形式，來讓學生提前掌握創新創業能力，從而為以后真正的創業實踐提供參考。也可使學生通過利用消費級無人機參加相關大賽，借助相關特色技術和優勢項目突出專業特色、擴大影響并增加對于無人機的應用經驗。以通化師范學院為例，通化師范學院地理信息科學專業5名學生運用所學技能和相關創新創業想法，結合消費級無人機在城市三維建模中的應用項目在吉林省“夢想杯”大學生創新創業大賽中獲得三等獎的成績，凸顯了應用消費級無人機參加創新創業大賽時的技術優勢和影響效應。

根據國家新興產業規劃，在大學生創新創業教育的大背景下，無人機行業迅猛發展，地理信息科學逐漸運用在各行各業各領域當中，在可預見的將來，無人機結合地理信息網絡化一定會成為熱門研究方向，而且還會不斷深化和細化，應用前景廣闊。在本科教學中結合區位優勢，利用消費級無人機開展對植被保護、河流水系、山地利用等方面的研究具有得天獨厚的優勢；通過消費級無人機的應用實踐，衍生、發展出不同領域的無人機運用新方法、新理論也是必然的，對此高校要有一定的前瞻性，在人才培養目標和課程設置、實踐課程的開展方面做出必要的調整。

4 結語

無人機行業和地理信息科學專業在近幾年中逐漸被各行各業所接受并且迅速發展起來，可以預見在未來信息化越來越重要的時代，無人機和地理信息科學勢必會結合在一起。在高校可以接受的成本條件下，將消費級無人機引入到地理信息科學本科實踐教學中來是增加學生專業水平和知識能力的一種方法，也是切實可行的一種實踐教學方案。當前社會不但對學科專業性要求越來越高，也更加注重學生的綜合素質，高校應該更多的啟用新興熱點技術，推動教育教學改革，在創新創業的教育大背景下推動地理信息科學長遠、完善、不斷創新的發展。