地方應用型本科高校無人機教學基地建設與實踐

田義超，黃遠林，張強，陶進，張亞麗，楊永偉，林俊良

（1.北部灣大學 資源與環境學院，廣西 欽州；2.北部灣大學 海洋地理信息資源開發利用重點實驗室，廣西 欽州）

一 引言

“十四五”時期是國家深入落實“一帶一路”建設，打造西部陸海新通道，全面落實習總書記賦予廣西的“三大定位”使命[1]，擴大對外開放的關鍵時期，也是自治區全面落實黨中央、國務院重大決策，推進“向海經濟”高質量發展[2]，破解制約我區創新驅動發展瓶頸的重要時期。按照黨中央、國務院的總體部署，全面落實《中共中央國務院關于深化體制機制改革 加快實施創新驅動發展戰略的若干意見》[3]和《國家創新驅動發展戰略綱要》[4]的要求，緊緊抓住新一輪高新技術革命所帶來的重大機遇，建設面向東盟的無人機教學基地，對廣西加快融入國內國際雙循環新發展格局，推動全區經濟高質量發展，培育經濟增長新動能，打造經濟增長新引擎具有至關重要的意義。

廣西北部灣是我國唯一與東盟國家陸海相鄰的地區，是西部陸海新通道的陸海交匯要沖，是有機銜接“一帶一路”的重要門戶。隨著廣西自由貿易試驗區和中國—東盟信息港建設進程的加快，尤其是新形勢下廣西全面對接中國東盟互聯互通總體規劃，對低空遙感大數據及其應用提出了新的更高的要求。建立無人機教學基地，是服務陸海新通道建設，落實“一帶一路”經濟帶建設，提升我區大數據信息產業的自主創新和應用服務能力，實現大數據信息產業的高度網絡化、信息化、智能化和應用社會化的必然要求。在國家實施“海洋強國”和“一帶一路”倡議背景下，北部灣大學確立了“立足北部灣、服務廣西、面向全國、輻射東盟”辦學面向定位，著力打造“區域性、海洋性、國際性”辦學特色[5]。因此資環學院地理信息科學專業根據辦學特色，積極融入改革發展潮流，采用無人機技術在中國-東盟信息化建設、海洋資源開發利用與海洋生態環境修復等方面開展基礎教學和應用研究。

二 無人機教學基地建設的意義

近半個多世紀以來，無人機在軍用和民用領域均得到了空前的發展，無人機在測繪方面也得到了廣泛應用[6-8]。無人機測繪因續航時間長、成本低、機動靈活等特點大幅度提高了測繪作業效率，使地理信息數據的獲取更加快速、準確和完整[9]。傳統測繪儀器在行業應用時，調查方法多以現場實測或實際勘測為主，加上經常受到天氣條件的限制，野外工作難度大，造成了測量效率低，測量范圍有限，難以使其優勢得到充分發揮。而無人機在現場指揮、災情監測、應急通信能力等方面具有明顯優勢，可用于突發自然災害、通信基礎設施受到破壞、環境惡劣等條件下傳統測繪不宜執行的危險任務[10]。

建立“面向東盟的無人機教學基地”可助力“一帶一路”經濟帶建設、國家鄉村振興戰略，平臺所生產的數據及科研轉化成果，可加快鄉村經濟發展，可解決當地農民就業、產業優化升級、農村經濟轉型，還可推進當地教育、經濟以及農業的發展，對整個廣西乃至中國－東盟地區無人機技術人才培養、“產教融合”示范基地建設、科普示范基地建設、鄉村振興和促進就業等方面都將起到極其重要的作用。北部灣大學作為廣西北部灣沿海地區唯一公立本科院校，在我校建立“面向東盟的無人機教學基地”具有義不容辭的責任。

“面向東盟的無人機教學基地”，集教學、科研、科普示范于一體，既可滿足學校的教學科研，也可大大提升青少年的科普教育水平，為無人機產業的發展提供高技術人才“搖籃”。該平臺的建設不僅提升了我校地理信息科學專業的應用型人才的培養水平，而且對推動海洋資源開發及海洋環境監測相關教學、為紅樹林生態修復、為白海豚、中華鱟等相關重點學科和重點實驗室的科學研究提供科技支撐作用，對于促進我校海洋特色的學科專業群的發展起著至關重要的作用。在一帶一路倡議帶動下，無人機將會在科技、經濟和社會各方面得到前所未有的發展，無人機可為中國－東盟地區海洋環境監測、海陸搜救、邊防巡視等任務提供更為可靠的航空平臺。

三 無人機教學基地建設的必要性

（一） 我校地理信息科學與測繪工程專業發展的需要

無人機適用于危險區域的地質災害調查、空中救援指揮和環境遙感監測等有人機不宜執行的任務。無人機利用先進的無人駕駛飛行器技術、遙感傳感器技術、遙測遙控技術、通訊技術、GPS差分定位技術和遙感應用技術，能夠實現自動化、智能化、專用化、快速獲取國土資源、自然環境、地震災區等空間遙感信息，可完成遙感數據處理、建模和應用分析等任務[11]。

無人機在地理科學專業、地理信息專業、測繪專業的工作中應用，能提高工作效率，增加測繪精度，是高級應用型人才培養不可缺少的專業技能。無人機作為當前測繪數據的主要獲取手段之一，在地理信息數據采集與生產中應用廣泛，可用于土地確權、地圖測繪、攝影測量、工程測量、海島監測、海底測繪、海域海籍基礎調查及浮標巡航等工作，是我校地理科學專業、地理信息專業、測繪專業發展的必由之路。

該平臺的建設有助于構建具有鮮明特色的地理信息科學專業，提升相關的地理科學、測繪工程兩個本科專業的辦學水平，培養具有較強社會適應能力和競爭能力的高素質應用型人才，提高地理信息科學學科在區內外乃至全國的影響力，并推動廣西區內其他院校地理信息科學的發展，為廣西北部灣社會經濟發展提供科技支撐。

（二） 我校推進應用型大學建設的需要

在我校建立“無人機教學基地”，擴大了我校的社會影響力，加速了北部灣大學向應用型大學轉型和發展。該平臺也成為我國無人機高科技對外輸出和交流的窗口，更好地服務于地方經濟建設。“無人機教學基地”以實驗教學中心為平臺，開設具有特色的應用型課程，培養學生綜合素質和應用科學研究技能，符合北部灣大學的辦學定位。另外，發展無人機產業項目，能整合資源，有效促進相關學科的發展。發展無人機產業項目，能推進我校地理科學專業、地理信息科學專業、測繪專業的快速發展。該平臺在推動海洋資源開發、海洋交通監測相關教學，促進白海豚、中華鱟等海洋特色學科專業群的發展方面起到了積極的作用，促進校內其他相關重點學科和重點實驗室的科學研究，服務廣西經濟、科技和社會發展，顯著推進建設海洋特色鮮明的高水平應用型大學——北部灣大學。

《航空運動產業發展規劃》中指出“大力開展各類群眾性航空運動休閑活動，發揮航空運動賽事、飛行表演、飛行體驗等的示范作用”[12]，這可為我校的旅游、體育等專業教學工作指明發展方向，推動旅游及其專業教學的多樣化發展。無人機應用于海洋測繪，為海洋學科的水產養殖、海洋生態監測、紅樹林監測、海洋生物醫藥制造、白海豚監測與觀測方向的教學與科研提供保障。無人機測繪應用于島礁紅樹林測量，可對紅樹林海島生態系統進行定量化評估[13-14]，應用于海底測量，對海運航線的引導、海洋管理等學科領域提供精確的數據支撐。應用于海上巡邏執法、調查取證和應急反應、海上搜尋和救助、海上船舶溢油、油污監視、航標巡檢、航道測量等動態業務監管，為北部灣海洋科學、輪機船舶工程及海洋工程等相關學科的發展提供專業化的服務。

（三） 自治區地理信息科學相關專業發展的需要

無人機應用于數據采集的前端，涉及測量、地理信息、數字制圖、遙感理論等多個學科。其中大地測量和工程測量主要涉及無人機位置定位、控制網布設等；地理信息專業主要是對數據的整理入庫，是無人機數據處理技術中的核心部分；數字制圖可以非常方便地對無人機圖像的內容進行任意形式的要素組合、拼接，形成新的地圖；遙感概論主要涉及到無人機攝影測繪的基本原理。目前，廣西區內有廣西師范大學、廣西師范學院 、桂林理工大學以及北部灣大學等高校開設有地理科學、地理信息科學或測繪類相關專業。從人才培養與課程體系看，這些院校都沒有涉及到無人機等相關課程，然而，無人機在地理科學、地理信息科學或測繪類相關專業中的應用是大趨勢，是本學科發展的必然之路，該平臺的建立可為廣西區地理信息、遙感以及測繪相關專業提供專業實踐實習平臺，促使自治區地理信息科學相關產業在廣西的大發展。

（四） 推進國家應用型大學建設的需要

目前，國家大力推行應用型大學建設，北部灣大學作為國家“十三五”規劃建設的“應用型本科高校”項目建設單位之一，無人機教學基地集無人機技術應用型人才培養、“產教融合”培養模式、科普示范協同帶動、促進教育鏈、人才鏈與產業鏈于一體，是當前推進國家應用型大學建設和改革的迫切需要。在理論學習方面，無人機實驗實訓基地的教學體系可將航空法規、氣象學、地理學、地理信息科學、測繪工程、空氣動力學、多旋翼無人機系統組成及飛行原理以及任務規劃等理論知識構建成為一個全面的知識體系。在實踐學習方面，該平臺更加側重于提升學生的動手能力和創新能力。

無人機教學基地建設在“一帶一路”沿線國家中的勘探測繪、電力石油管道巡檢、農林植保、海洋測繪、海洋巡邏等多個行業大顯身手。伴隨著“一帶一路”倡議的實施，跨地域和跨國的貿易往來不斷增多。利用無人機遙感信息獲取技術與手段，協同以高分辨率遙感衛星、北斗導航和數據采集系統等空間信息服務，可促進老撾、泰國、柬埔寨、緬甸等“一帶一路”沿線國家空間信息走廊建設、資源保護與開發及信息化管理合作，并帶動中國衛星遙感、高精度導航等相關產業發展。

四 無人機教學基地建設定位

無人機教學基地建設緊密結合國家“一帶一路”倡議，西部陸海新通道建設以及全面落實習總書記賦予廣西的“三大定位”等重大使命，緊密結合國家“科技興海”支撐體系任務和廣西陸海經濟可持續發展所面臨的地理信息資源開發利用等科學問題，以“認知陸海資源時空演變規律，服務一帶一路地區經濟社會發展”為使命，堅持面向國家重大需求、面向科技前沿、面向國民經濟主戰場，致力于推動北部灣海岸帶地理信息科學、測繪與遙感技術、環境科學、生態科學以及海洋科學等重點學科的發展，著力提升北部灣大學在廣西乃至北部灣地區的綜合創新能力，在無人機行業應用和理論研究方面開展基礎性、戰略性、前瞻性研究，解決國家和北部灣地方經濟社會可持續發展所面臨的生態環境等重大科技問題提供理論和技術支撐。

五 無人機教學基地建設成效

（一） 建立了校企合作的無人機實訓實驗室

根據“資源共享、優勢互補、合作雙贏”的原則，積極開展校企合作交流，引進和整合社會辦學力量和資源，完善和充實無人機教學設備和教學條件。目前已經通過與廣西自然資源廳、廣西林業局、南寧三維房地產測繪有限公司、廣西紅樹林研究中心、國家海洋局北海海洋環境監測中心站、北侖河口國家級自然保護區、欽州市農業局、欽州市測繪院、欽州市海洋局、廣東中冶地理信息股份有限公司以及廣西璇星科技有限公司等搭建了無人機育人平臺和相應的實習實訓基地。重點與廣州中海達衛星導航技術股份有限公司開展大量相關技術研究，特別是前期具有共性的技術難題。這些實驗實踐平臺的建設，有效整合了實驗教學資源，形成了“教學-科研-應用”三位一體的互動合作機制，實現高校輸出與企業需求的無縫對接。同時，為學生的生產實踐和實習實訓活動打開了廣闊的空間，為學生鞏固理論知識、拓展專業視野、培養動手能力和工程素質創造了良好的條件和氛圍。

此外，我校還與蒼穹數碼技術股份有限公司建立了灣大蒼穹紅樹林生態系統過程研究聯合實驗室，該實驗室屬于教育部產學合作協同育人項目，以企業需求為導向，以高校研發為核心，實現“產、學、研”一體化，實現基地建設、高校發展、企業需求、個人能力提升的多元發展目標。

（二） 在人才培養方案中加入了無人機技術實訓課

根據我校地理信息科學專業培養目標定位，圍繞“知識—能力—素質”的主線，以學生創新能力培養為目標，注重理論與實踐的有機統一。無人機教學基地結合我院地理信息科學專業特色，在理論研究方面開設地理信息系統原理、遙感概論、GPS原理及應用、地圖學、空間數據庫等核心的專業主干課程，在技術擴展型專業課設置方面，突出了無人機技術在專業學科中的重要作用，將無人機技術的講解貫穿到空間分析、遙感地學分析以及無人機海洋測繪等專業課的實踐環節中。地理信息科學教研室積極組織老師編寫了無人機激光遙感方面的實踐性教材、無人機紅樹林航拍技術手冊、無人機海岸帶地貌獲取技術規范等實習手冊，同時教研室老師積極錄制無人機技術和應用案例視頻，充分體現了無人機課程的實用性，開放性和應用性。

（三） 建立了基于不同傳感器的無人機實驗室

根據無人機教學基地建設的定位和要求，近年來，我院購置了不同傳感器的無人機，主要包括激光雷達無人機、五鏡頭傾斜攝影無人機、多光譜無人機、多旋翼無人機和固定翼無人機等儀器設備(圖1)，該無人機實驗室的建立有效彌補了無人機低空遙感數據難以獲得的缺點。

圖1 無人機實驗室

（四） 培養了無人機領域的應用型技術人才

資源與環境學院目前具有航空運動方面的科研人員12人，其中高級職稱9人，博士12人。已經與企業共同培養無人機機長4人，指導學生進行無人機土地確權等項目獲橫向課題，培養無人機方面的優秀學生數百人，部分無人機機長經常到欽州市各大中小學開展無人機比賽，對當地無人機的科普起到了極大的推動作用，宣傳了我校的無人機品牌。經過近幾年的建設，使用無人機進行實踐性教學的技術力量雄厚，指導的學生多次獲得自治區廣西高校無人機大賽1等獎、2等獎和3等獎多項，獎項主要集中于無人機花式表演、無人機航拍、無人機激光點云處理以及無人機紅樹林行業應用等方面(圖2)。團隊田義超老師獲得2020易智瑞杯中國大學生GIS 軟件開發競賽（省級）優秀指導老師，指導的學生在“第三屆、第四屆廣西高校無人機大賽”中成績優異，表現突出，被授予優秀指導教師獎。指導學生參加省部級以上大學生比賽獲得第三屆廣西高校無人機大賽一等獎1項、二等獎1項、三等獎2項。獲得第四屆廣西高校無人機大賽二等獎2項、三等獎2項、成功參賽獎2項。獲得南方測繪杯第十二屆全國高等學校大學生測繪科技論文大賽二等獎1項，指導挑戰杯全國大學生課外學術科技作品競賽獲三等獎1項。為拓展青少年的科技創新能力，為培養航空科技人才，2019年7月，由自治區體育局主辦，北部灣大學、自治區航空運動管理中心、市航模運動協會承辦的2019年廣西青少年航空航天模型錦標賽在北部灣大學舉行，來自區內各地市的400余名中小學生同臺競技，旨在進一步挖掘、拓展青少年的科技創新能力，為培養航空科技人才、鼓勵青少年科技創作提供實踐平臺。

圖2 獲得廣西高校無人機大賽與廣西青少年航空航天模型錦標賽

（五） 培養了無人機領域的科學研究人才

在無人機教學基地的支持下，近年來該平臺在基礎科學研究方面取得了顯著的科研成效，獲得了國家自然科學基金1項、省級基金1項、廳級基金4項，發表國際TOP(權威) SCI1篇(Science of the Total Environment，IF為 7.963)，EI論文 2篇， 中文核心期刊6篇。該平臺的田義超科研團隊利用無人機激光點云技術對桂西南典型峰叢洼地的地形地貌進行了航拍，獲得了第一手的峰叢洼地地形地貌信息(圖3)，基于此田義超獲得了國家自然科學基金“桂西南峰叢洼地流域生態系統服務權衡關系及其驅動機制”項目立項。田義超利用大疆無人機搭載的激光雷達設備獲得了紅樹林樣地的激光點云數據，通過野外調查并結合激光點云信息獲得了紅樹林、地表以及灘涂的空間結構信息（圖4中①為無瓣海桑群落的點云信息，圖4c中②為桐花樹群落點云信息，而4c中③為灘涂地面點云信息），基于機器學習算法反演了無瓣海桑紅樹林群落和桐花樹群落的生物量，揭示了無瓣海桑紅樹林擴散過程與當地紅樹林樹種之間的關系[15]。根據團隊研究成果田義超老師獲得廣西創新重大驅動項目“近海岸雙頻激光LiDAR探測儀產品開發與應用示范”子課題以及廣西科技基地和人才專項“廣西欽州灣紅樹林島群生態系統健康評價及應用示范”項目立項。此外團隊成員張亞麗和張強也分別獲得了教育廳基金項目的立項。

圖3 桂西南峰叢洼地與洼地激光點云數據

圖4 無人機獲取的紅樹林激光點云(a)、激光點云剖面(b)和局部點云數據特征(c)[15]

在學生科研素養培養方面，團隊成員積極培養我校本科生開展無人機方面的科學研究，其中地理信息科學專業2020級羅謹璇同學獲得了“基于UAV-LiDAR的茅尾海典型紅樹林結構參數反演”國家級大學生創新創業訓練計劃項目1項，2018級地理信息科學專業的鄧靜雯和黃桌梅分別獲得“基于無人機激光雷達數據的紅樹林地上生物量與碳儲量反演”以及“基于于無人機-衛星遙感尺度上推技術的茅尾海地區紅樹林地上生物量反演”自治區大學生創新創業訓練計劃項目各1項，2017級測繪工程專業盧芳獲得了“基于多光譜無人機技術的紅樹林土壤鹽漬化定量反演”自治區大學生創新創業訓練計劃項目1項。

（六） 服務地方的能力顯著

通過與校企合作平臺建設，立足廣西，面向北部灣地區，輻射東南亞，以承接無人機低空測量、土地測量、國土空間規劃等橫向課題為契機，服務于當地社會經濟發展，促進地理信息大數據挖掘技術的提升。通過對不同的業務部門進行需求分析，獲得不同地區的無人機低空遙感數據、地形數據和無人機航拍影像數據，基于獲取的實測數據，我院教師帶領學生開展了一系列的衛星遙感圖像處理實踐。在教學過程中所融入的有關地理信息科學的各類型項目，均按業主和相關政策的要求，按時、保質、保量地完成工作，并得到了業主們的一致認可。社會各界對學生職能能力培養模式也進行了廣泛關注，反響較好。科研平臺建設期間，無人機航拍應用型橫向項目16項，總經費約120余萬元。

六 結語

無人機教學基地經過近年來的積極探索與實踐，在“應用型、復合型、創新型”無人機技術型人才培養方面取得顯著成效，對提高學生畢業、就業質量起到了巨大的推動作用。與此同時也培養了大量的科學研究技術人才，目前已經逐步形成一支以主講教授、副教授、講師和無人機機長負責的結構合理、人員穩定、教學水平高、教學效果好的無人機團隊，課程內涵建設得到提升。基于此，該平臺也獲得了一定數量的基金項目、論文成果、專利和軟件著作，目前該研究平臺和教學團隊有效地支持了自治區級地理信息科學一流專業的建設。未來該平臺應重點聚焦“一帶一路”倡議，重點在西部陸海新通道以及面向東盟服務方面開展更多的工作，同時平臺在未來建設時應該結合我校辦學特色，在海洋特色鮮明應用型大學方面持續改進與探索，才能在新時期全面落實習總書記賦予廣西的“三大定位”使命，更好地推進我區在“向海經濟”高質量發展方面作出應有的努力。