遙感科學與技術專業無人機數字測圖實踐教學設計

艾明耀，陳智勇，萬舒良，付建紅，胡慶武

（武漢大學遙感信息工程學院，武漢 430079）

0 引言

實踐教學對理工科相關專業人才培養至關重要，是理論知識和科學思維向能力轉換的過程和方式，是學生掌握專業相關理論、方法與技術的必由之路。

近年來，無人機、深度學習、大數據技術等業已成為最熱門的新興高科技，在眾多領域得到廣泛應用。針對這一現實情況與發展趨勢，我校遙感信息工程學院調整了“遙感科學與技術”本科專業的培養方案，將包含定位測圖相關內容的多門實踐課程整合為一門“數字測圖與GNSS 測量綜合實習”；并在有限課時的實踐課程中引入無人機教學內容。

“數字測圖與GNSS測量綜合實習”的實踐教學目標是鞏固學生所學地形圖測量與全球定位衛星系統（Global Navigation Satellite System，GNSS）測量相關理論知識，鍛煉和提高學生的儀器設備使用水平與動手能力，靈活綜合運用所學知識和能力解決實際工程問題；并在工程實踐中，鍛煉學生發現-分析-解決問題的能力，拓寬其視野，將其所學所掌握的理論與實踐結合，培養和激發創新思維，提升專業素養。針對課程目標，根據我校的教學條件和現狀，結合當前測量技術的現狀與發展趨勢，引入無人機及相應的內容對數字測圖與GNSS測量綜合實習課程的內容設置進行改革。設計的無人機實踐教學內容踐行了武漢大學遙感信息工程國家級實驗教學示范中心“分階段、多層次、廣關聯、全方位”的理念，注重培養厚基礎、寬專業、強能力、高素質、求創新的人才。

1 數字測圖綜合實習實踐課程的問題和挑戰

培養方案修改前，遙感科學與技術大類專業本科生開設了4 門課程，主要教學內容包括測量基本知識、基本測量儀器（全站儀、水準儀和GPS接收機）操作及測圖方法、控制測量、水準測量、碎部測量、大比例尺數字測圖、GPS原理、靜態測量、實時差分定位（Real-time kinematic，RTK）測圖等內容。其中實踐課程內容主要面向數字線劃地圖（DLG）制作進行設計，如圖1 所示。這一課程設計雖然使學生切實掌握了兩種大比例尺地形圖測量的方法和技術，但是缺乏與其他遙感課程內容的直接關聯，學生需在相關課程結束后自行體悟，缺少將所學知識、所掌握的技能進行串聯和對比的訓練，不能形成連續完整的技術邏輯認知。

圖1 改革前實踐教學設計

針對這一實際情況，遙感信息工程學院調整了相關課程的設置，優化課程內容，改進課程設計，將4 門課程融合為1 門理論課程“普通測量學”和1 門實踐課程“數字測圖與GNSS測量綜合實習”。在理論課程的課間實驗中安排水準儀、全站儀、GPS接收機等設備的操作與使用，完成導線測量、水準測量、GPS 靜態測量等基本實踐任務；數字測圖與GNSS 測量綜合實習作為遙感信息工程學院的大類平臺實踐課程，則要求學生綜合利用多種測量儀器，綜合使用控制測量、水準測量、碎部測量、GNSS、數字成圖等方法，實現數字地形圖的測制、驗收和入庫。在具體安排中，實驗教師引導學生明確任務、逐步開展控制網設計、測量方案設計、首級控制、圖根控制、地形圖測量、計算機繪圖與整飾等工作。該方案更加貼合業界當前的技術實踐，創新了測量實驗教學設計，形成了從基礎到綜合再到設計的具有我校遙感特色的測量實驗教學內容體系。

近年來，民用無人機性能穩定操作便捷，在多個學科領域得到了大量的應用和發展。多所高校相繼在測繪、攝影測量等課程中引入無人機，拓展實踐教學內容。王星捷［1］設計了一個六旋翼測量教學無人機，證實其精度滿足國家標準。劉凱等［2］分析了無人機應用于攝影測量學實踐教學的可行性，闡述了實踐教學的建設內容、保障體系和注意事項。胡騰等［3］探討了無人機在攝影測量學實習中的教學改革問題。柏春嵐［4］設計了采用大疆M600 無人機進行4D 產品生產的實踐教學方案。謝鴻宇等［5］設計了一個基于無人機的數字攝影測量的教學實驗。王麗美等［6］提出了無人機輔助的攝影測量學實踐教學體系，但缺乏無人機航飛的實踐環節。龔循強等［7］探討了深度學習用于無人機圖像處理的實驗環節。李玉霞等［8］設計了一個無人機遙感硬件教學平臺，主要服務于圖像處理和無人機飛行控制的實踐教學。大多數高校應用無人機相關內容改進攝影測量學實踐教學。根據專業課程的學習規律，攝影測量學課程通常在大二或大三學年開設，因而這些教學設計會忽略像控點測量、無人機手控飛行與航攝區域飛行等參與度較高的關鍵實踐環節。針對這一問題，結合我校實際情況，設計了面向遙感專業大一學生的數字測圖綜合實習無人機實踐教學方案，將無人機教學內容與數字測圖綜合實驗有機融合，進一步改進了數字測圖與GNSS 測量綜合實習的教學設計。這一創新設計既能與數字測圖的內容相結合形成完整的無人機測圖實驗，又能為后續攝影測量學等課程培養學習興趣。

2 無人機遙感數字測圖教學方案設計

為培養厚基礎、寬專業、強能力、高素質、求創新人才，提出了結合無人機的遙感數字測圖綜合實驗課程設計方案。

2.1 無人機數字測圖綜合實驗課程方案

將無人機視為一種測量設備，結合全站儀、水準儀和GPS接收機，綜合使用控制測量、水準測量、碎部測量、GNSS、數字成圖等方法，實現數字地形圖的測制、驗收和入庫，課程方案如圖2所示。有關數字測圖實踐教學模式和內容，可參考文獻［9、10］，本文重點介紹無人機實踐教學部分。

圖2 無人機數字測圖綜合實驗課程方案

2.2 無人機遙感數字測圖實踐教學方案

無人機實踐教學方案主要包括無人機拆裝、手控飛行、像控點設測、無人機航飛、無人機圖像幾何處理與測圖，方案及所用設備和軟件如圖3 所示。需要特別指出的是，安全教育貫徹整個野外作業過程。

圖3 無人機遙感實踐方案

2.2.1 無人機拆裝

從安全、使用方便和教學效果等角度考慮，選用了大疆精靈4RTK無人機開展實踐教學。該款無人機輕便易攜帶（起飛質量小于1.5 kg），操作簡便，性能穩定，定位精度高，適用于多個相關課程教學。在本教學設計中，將無人機結構和飛行原理等內容與無人機拆裝結合起來，讓學生在安全教育中切實感受無人機技術及實物，增強教學體驗感。

2.2.2 手控飛行

手控飛行中需注意遙控器各開關按鈕的作用及注意事項，遙控器顯示屏中的提示信息等。教學中應強調無人機擺放方向、與自身及他人的距離，無人機主機和遙控器開機關機的先后順序等，飛行中注意觀察無人機空中位置、方向和姿態，遠離樹木電線等障礙物；尤其強調起飛、手控飛行及降落過程中兩手操控的動作要輕、慢、柔，確保學生在學習中既能安全自由地體驗操作無人機飛行的快感，又能掌握無人機操控飛行技術。由于選用的無人機性能穩定，學生均能在0.5 h內掌握飛行要領，完成起飛、手控飛行與降落等實驗。

2.2.3 像控點設測與無人機航飛

大一學生并未接觸攝影測量學，對其原理、方法和技術并不了解。因此，該教學環節首先結合“瓦片屋頂構造”的實例講述攝影測量的原理，使之了解航向重疊和旁向重疊等概念；進一步引入拼圖和坐標系的概念，介紹像控點的概念和作用，要求學生在實習范圍內按“井”字分布布設“L”或“+”形像控點，并提醒他們制作點之記、在控制測量中綜合利用全站儀、水準儀和GPS儀器測出其坐標。

與大疆P4R無人機配套的DJI Go 軟件可以輕松設置航飛任務，只需要簡單設置測區范圍、重疊度、航高等即可完成航線設計，調用航線隨即開始無人機航飛任務。任務結束無人機自行降落于起飛點，偏差不超過5 cm。在實踐中仍需注意檢查確認學生的航區、航線等，要求學生保持與無人機的距離等，在安全的環境中順利開展航飛實驗。

2.2.4 數字圖像幾何處理

遙感圖像幾何處理主要為影像空三和正射影像圖（Digital Orthophoto Map，DOM）生成。盡管其中技術原理復雜，但當前國內外攝影測量軟件均已達到一鍵式傻瓜操作的水平。ContextCapture（Smart3D）、Photoscan、Pix4D、大疆智圖、大勢重建大師等軟件均可一鍵式處理得到DOM。這一階段的實驗可以跳過背后的技術原理，但需指導學生將已學知識進行結合，例如飛控WGS84 坐標系與像控點坐標系的轉換，并將其對攝影測量內業相關處理的原理性問題引向以后的課程。知識點的關聯不僅將前后課程內容和技術邏輯連通，并且激發學生對以后課程的興趣。

2.2.5 基于DOM 與全站儀-GPS RTK 草圖結合的數字成圖

為了完成一幅大比例尺地形圖，我校在數字測圖實踐課程中創新地將基于DOM的成圖方式與傳統的全站儀-GPS RTK草圖模式相結合，減少外業測量工作量。學生充分發揮其主觀能動性，將被動任務型實驗變為主動創新設計型實驗，依靠團隊群策群力共同完成地形圖測量與繪制。

3 無人機數字測圖實踐教學方案成效

本方案在2019～2020 年的數字測圖綜合實驗課程中得到了應用和驗證。兩年共600 多名大一學生均在4 學時內掌握了無人機操控與航飛，并將幾何處理得到的正射影像用于測圖。為期3 周的實習展現出學生們能夠吃苦耐勞，認真完成各種實習任務，遇到不懂的也會和老師探討，或小組內討論，最終能夠綜合使用不同的設備、運用不同的定位和測圖技術實現地形圖的測制。學生實習報告中的體會反響良好，體現出實習收效超過學生預期，實習環節設置較為豐富，能夠鍛煉并提升學生的動手能力和綜合運用所學知識的能力，激發了學生思考和探索的興趣。學生實習成果完成度較高，證實了無人機遙感數字測圖實踐教學方案的效果。

4 結語

介紹了我校數字測圖與GNSS測量綜合實習教學改革方案，并將消費級無人機引入本科大一學生的實踐教學中，大膽嘗試并創新了數字測圖實驗教學內容。設計的無人機實踐教學方案得到了學生的認可，改進的數字測圖實驗課程被學生評為“還想重修的實踐課”，可見教學參與度和體驗感均比以前有較大提高。該實踐教學設計體現出無人機新技術與傳統數字測圖實踐教學模式相結合的思路，提高了學生的動手實踐能力，增強了學生創新設計意識，達到了改革實驗教學的目的，同時也促進了高校遙感相關專業本科實踐課程教學的先進性、科學性和規范化。