無人機遙感技術在土地生態學教學改革中的應用

謝團輝 季翔

【摘? ?要】 與傳統的遙感數據相比，無人機具有高時效、高分辨率和高機動性等優勢，是傳統衛星無法比擬的。傳統的土地生態學具有課程教學內容更新不及時、實踐環節偏弱和難以激發學生的興趣等缺點，土地生態學課程改革也成為了未來的必然趨勢。無人機作為地生態學研究的重要數據來源，可與土地生態學中的群落物種多樣性的研究、土地生態調查和土地生態規劃與重建等知識點相切合，激發學生的學習積極性和實際動手能力，能為社會培養掌握先進無人機技術、動手能力強的現代科學人才。

【關鍵詞】 土地生態學;無人機;教學改革

[Abstract] Compared with traditional remote sensing data， UAV has advantages such as high timeliness， high resolution， and high maneuverability， which are unmatched by traditional satellites. Traditional land ecology has the disadvantages of not updating the course teaching content promptly， weak practice links， and difficult to arouse students' interest. The reform of the course of land ecology has become an inevitable trend in the future. As an important data source for geoecological research， drones can be related to the knowledge of community species diversity in land ecology， land ecological surveys， and land ecological planning and reconstruction， which can stimulate students' enthusiasm and practicality in learning. Hands-on ability can cultivate modern scientific talents who master advanced UAV technology and have a strong hands-on ability for society.

[Key words] land ecology; uav; teaching reform

生態學研究中的野外生態數據的獲取一直以來都具有挑戰性，通過遙感、地理信息系統等技術可實現對地球表面的多維立體觀測，獲取多樣化的地理空間信息數據，進而實現從不同的時間和空間尺度對生態學開展相關研究，并取得了眾多研究成果[1]。土地生態學作為生態學的分支學科之一，以土地生態系統為研究對象，調查分析系統構成要素與生態過程，優化調控系統結構與系統功能，是合理利用土地資源、促進可持續發展的生態學基礎。近幾十年來，3S技術對推動生態學特別是土地調查、獲取土地動態信息等方面的迅速發展起著重要的推動作用[2]。無人機遙感技術作為3S技術的手段之一，使用航攝儀、航空數碼相機等設備對地面拍攝，采集空間信息數據，是開展土地生態學研究數據獲取的信息數據來源。土地生態學專家可利用無人機獲得的遙感數據，結合3S技術，開展土地生態利用變化、土地生態群落物種多樣性、三維建模、土地生態規劃和重建等方面的研究[3，4]。在以往的土地生態學教學中，學科課時少、實踐陳舊、創新性不足，難以與目前主流的實踐內容相匹配。因此在土地生態學教學課程中，加入無人機遙感技術，可提高教學效果和學生的學習積極性，同時可為社會培養一批專業性人才。

1? 無人機概述

無人機（簡稱UAV-Unmanned Aerial Vehicle）是一種低空無人飛行器，可搭載多種設備，如數碼相機、激光掃描儀和紅外掃描儀等來獲取信息;其具有采集空間數據靈活、易操作、適應多種復雜地形條件，可快速獲取高分辨率空間數據等的特點;因而無人機遙感技術已在多個領域推廣和應用，如：地形和海洋測繪、空間三維建模、自然資源國土調查、空間生態規劃與重建、不同植被類型與覆蓋度調查和生物群落多樣性監測研究等[5-8]。

目前國內的無人機系統種類繁多，在大小、質量、飛行高度、速度、航程、和航時等方面差異性較大;無人機分類方式很多，但無統一標準，出于不同行業的需求會有不同的分類方法;從尺度方面分類，無人機可分為微型、輕型、小型中型以及大型。從技術層面分為：固定翼和旋翼無人機、無人飛艇和直升機、 傘翼無人機、垂直起降無人飛機等;在土地生態學研究中，最受歡迎和青睞的是小型、輕型、微型和旋翼無人機，其中旋翼無人機能夠實現目標懸停的特點，更適用于土地生態中的空間數據獲取。其次為固定翼無人機，特點是飛行速度快、續航時間長、抗風性好，將其與GPS技術結合可獲得較大面積測繪，適用于大面積范圍的生態群落系統和植被類型等數據獲取，但此類型無人機的缺點是穩定性較差、起飛條件要求較高、成本高。此外，無人機還可根據需要搭載不同的傳感器，如數碼相機，激光雷達掃描儀、光譜儀等[9]。

2? 傳統的土地生態學教學模式不足及改革必要性

2.1? 課程知識體系內容更新不及時

隨著十九大報告 “加快生態文明體制改革，建設美麗中國” 的提出，土地生態學的發展與更新將會更加的迅速，要推進土地生態學的發展就要加快土地生態學知識體系的構建，加快提升研究土地生態的技術和方法，加快推進面向國家戰略和決策需求的土地生態學實踐應用等[10]。而原有的土地生態學課程內容體系難以適應社會對高校畢業生的需求。這主要是由于當前社會對土地生態學高層次人才的需求不在側重于學術研究，而是要求創新、綜合、應用三方面能力相融合。因此，不應一味培養學術型人才，要根據實際需求合理設置土地生態學課程，教學時要以理論知識為基礎，通過實踐這個抓手，將理論與實踐相結合，從實踐中來到實踐中去。

2.2? 實踐教學環節較弱

土地生態學課程體系應是理論知識、技術方法及其實踐應用的總體結合。而目前高校對土地生態學課程學時設置較少、教學實踐所需的儀器設備較為昂貴，加上高校的教學經費有限，因此現有實踐課所學內容大多為一些方法陳舊、成本較低、創新性不足的實驗，這就與目前社會上主流的實踐內容相脫節。當前，更多的土地生態學主要以理論教學為主，與實踐教學內容聯系不緊密，不僅欠缺綜合性、創新性、探究性和設計性等實踐內容，而且還欠缺與主流前沿學科的關聯，在實現與不同課程、不同學科之間的知識體系、實踐內容相切合很難實現。因此，需要注重實踐教學環節。

2.3? 學生對課程內容興趣與積極性不高

土地生態學是一門交叉學科領域，具有課程知識面廣、內容多且繁雜，概念抽象、部分知識體系理論性較強等特點，難以引起學生的學習興趣與積極性。另外土地生態學更多時候只注重基礎知識的講解，教學中單純的理論內容較為枯燥乏味，常常生硬地傳授給學生，使得課堂變得更加無趣，學生更加難以吸收且參與度不高。因此豐富土地生態學的教學模式也是提升教學質量的有效方法之一。

基于以上傳統教學模式的不足、難以激發學生學習熱情、理論脫離實際等問題，為提高學生的興趣與積極性以及對知識內容的掌握程度，也為與社會實踐相接軌，土地生態學的理論、實踐內容等課程的改革刻不容緩。目前無人機作為一種新興的高科技行業，隨著科學技術的快速發展，無人機應用逐漸由軍用轉向民用領域，在農業、環保、電力、國土等行業日漸成熟，尤其在土地生態學中的土地生態群落物種多樣性的識別分類與調查，土地生態調查、規劃與設計、土地生態修復與重建等應用上起到關鍵技術作用;為了適應新時代土地生態學的教學要求，亟待將無人機技術引人土地生態學課程體系中，使學生能夠接觸到無人機，進而逐漸提高學習興趣和掌握最新的專業技能。

3? 無人家遙感技術在土地生態學課程教學改革切合點

3.1? 群落物種多樣性的研究

由于受遙感影像比例尺的限制，低分辨率的衛星遙感影像很難開展對群落物種多樣性等調查研究。而通過無人機遙感技術獲取的高分辨率數據可識別單個或多個群落物種的空間分布格局。國內外學者已通過無人機技術對動植物種群進行了研究[11-13]。如Zweig等利用無人機搭載單反相機獲取區域數字正射影像，對濕地植物進行物種識別及植被分類，成功識別了區域內的幾種草本植物，并獲得較高精度的植被類型圖[14]。Zhang等利用小型無人機調查了森林冠層結果參數對植物多樣性的影響[15]。Messinger等利用無人機遙感影像在亞馬遜地區快速準確估計了地上生物量[16]。周在明等，通過無人機遙感技術獲取的可見光和多光譜影像，監測調查入侵植物大米草，并獲得其植被覆蓋度[17]。由此可見，在群落物種的識別上無人機已經得到的廣泛應用，將無人機引入土地生態學中群落物種多樣性的知識體系中，可以更好更直觀的研究。

3.2? 土地生態調查

土地生態調查主要包括農業土地生態調查、城市土地生態調查和海洋生態調查，主要的調查手段為野外考察[18]。隨著無人機的廣泛應用，也逐步成為土地生態調查的主要技術方法，通過無人機的高分辨率、多光譜等特點，其利用價值得到真正的體現，特別是在中小比例尺的土地生態調查中，可獲得的生態調查信息量更大，精度更高。在2017-2019年的國土第三次調查中，無人機充分發揮了靈活性和獲取高分辨率影像的特點，在國土調查中具有非常高的應用價值：外業方面，縮短了調查時間，提高了工作效應，在針對部分因地形因素造成外業人員無法抵達的地區，均可使用無人機前往進行航拍，使用高分辨率的航拍影像進行舉證;內業方面，提高內業信息提取的能力和地類判讀的準確性，解譯的準確率遠高于衛星遙感影像的內業解譯成果，減少誤差。可見，利用無人機技術，可將土地生態信息更好的處理與管理，使土地生態調查中的一些重要問題更簡單，更直接的解決，土地生態學與無人機的結合更能與現代社會的應用實踐相貼合。

3.3? 土地生態規劃與重建

無人機在土地生態規劃方面，主要是借助高清晰的相機與穩定性的云臺，可清楚穩定的拍出土地生態的整體面貌、范圍大小、內部的道路、河流、景觀等重要信息，從而從較大尺度上可以對原有的土地要素優化結合以及重新配置、調整或構建新的土地格局及功能區域，更好的體現“總體規劃”的原則。重建方面，魯恒針對地震災區重建規劃設計的需求，將無人機系統獲取的影像進行處理，重建規劃設計模型并引入三維可視化地理信息系統環境對地震災區重建規[19]。另外，無人機遙感系統已在08年漢川地震抗震救災中得到成功應用，無人機系統憑借其機動靈活，體積小，起降時不需專用跑道，受天氣的影響較小的優勢，快速采集到了地震災區的遙感影像，清晰直觀的反映了災區地質災害情況，為領導迅速了解地震災區受災情況、科學指揮抗震救災及地震災區災后重建規劃設計工作提供了重要的數據支撐。因此，無人機與土地生態學的切合，更能為土地生態規劃和重建提供一種可行的布局規劃和重建手段。

4? 展望

隨著社會科學技術的發展，無人機搭載的平臺將會更豐富多彩，這也為土地生態學的空間數據獲取帶來更多的可能性。技術的革新促進學科的發展，無人機技術將為土地生態學技術帶來更多的機遇和挑戰。綜上所述，從現今社會發展對人才的需求角度來看，無人機遙感技術能推進土地生態學的知識體系的構建以及技術方法的革新。通過土地生態學的理論教學、科學研究以及社會實踐三者的有機結合，在豐富課程講授內容的基礎上，不僅有利于激發學生的學習興趣和積極性，并且可提高學生的實際動手能力，為現代社會培養創新型、應用型和綜合型的社會高層次人才。

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（編輯：赫亮）