測繪新技術賦能地方高校測繪類本科實踐教學改革與實踐

王宇　程鋼　柴華彬　郭靈輝　張文志

［摘 要］實踐教學是提升工程教育實踐效果和學生工程能力的重要基礎。面對全社會數字化發展、智能化轉型的時代浪潮，基于水準儀和全站儀等的傳統測繪技術已經無法滿足測繪行業需求，測繪類專業本科實踐教學改革勢在必行。文章聚焦“新工科”建設理念，根據經濟社會發展和行業發展對“新工科”人才培養的實際需求，分析了當前測繪類本科實踐教育教學存在的問題，指出了測繪技術體系和測繪產品的新變化，并以河南理工大學測繪與國土信息工程學院為例，介紹了利用航測無人機、移動LiDAR、無人測量船等測繪裝備和新技術更新實踐教學體系的做法和經驗，闡述了測繪新技術在本科實踐教學中的應用和價值，以期為其他地方高校測繪類專業“新工科”建設提供參考和借鑒。

［關鍵詞］測繪新技術；本科實踐教學；“新工科”；人才培養

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）11-0044-05

國家正在實施創新驅動發展戰略、制造業強國戰略和“一帶一路”建設。培養理論基礎厚、實踐能力強的高素質創新型人才，對于支撐服務第四次工業革命浪潮下的新技術、新產業、新業態、新模式“四新經濟”發展具有重要意義[1-3]。為主動應對新一輪科技革命與產業變革、支撐服務國家戰略，2017年以來，教育部積極推進“新工科”建設，探索工程教育的中國模式、中國經驗。測繪空間信息不僅在國土空間規劃、自然資源開發與利用、生態環境保護等方面作用重大，還與國家安全、領土主權和智慧城市建設等息息相關。隨著航空航天科技、大數據、“互聯網+”等新技術的發展，測繪由數字化走向智能化，測繪地理信息領域成為科技革命的重要戰場，測繪學科與空間信息學科不斷交融，相關應用和服務也向著各個行業拓展[4-5]。因此，將現代測繪新技術及時納入教學體系，更新教學內容，改革實踐教學模式，培養順應高等教育改革方向、滿足經濟社會發展的測繪類工科人才迫在眉睫。

河南理工大學（以下簡稱我校）是中央與地方共建、以地方管理為主的河南省特色骨干大學，學校工科優勢突出，理學、經管、人文等學科協調發展[6]。我校測繪類專業最早可追溯到1960年招生的礦山測量本科專業，具有一級學科博士學位授予權。我校測繪科學與技術學科入選河南省高?！半p一流”創建工程。我校測繪類專業以“新工科”建設為契機，依托學科優勢資源，加強了測繪新技術引領；以實踐教學改革為抓手，強化了本科生工程實踐和創新能力培養，提升了學生解決復雜工程問題的能力。

一、“新工科”對工程實踐能力和實踐教學的新要求

目前，我國工程教育領域的教育教學改革已經在“CDIO”（Conceive構思-Design設計-Implement實現-Operate運作）、工程專業認證、卓越工程師培養等方面進行了多年的探索、積累和實踐[7]。教育部在2017年提出了“新工科”概念，發布了《“新工科”建設行動路線》[8-9]，標志著我國工程教育教學改革開始走上一條能夠把握世界經濟、科技發展趨勢，適合中國國情的新道路?！靶鹿た啤币髽淞⒕C合化工程教育理念，創新工程教育的人才培養模式、專業結構和教育教學方式方法，深入推進高等工程教育改革[10]。綜合性高校、工科優勢高校和地方工科院校既要培養大國工匠，也要培養普通工程人才，這兩種人才均需具備創新意識和創新能力，是既懂人文又懂工程的綜合型人才。

“新工科”的諸多內涵有利于高校教育教學的改造升級，有利于培養具有扎實工程知識和較強的工程實踐能力的多層次多類型人才。同時，“新工科”也倒逼相關高校推動教育理念、培養目標、專業設置、課程體系、培養途徑、培養制度和教學組織形式等的改革，構建工科專業和課程新結構，使工程教育人才培養能夠適應相關行業向價值鏈中高端發展的迫切需求。

二、地方行業高校測繪類專業實踐教學存在的問題

地方高校培養的專業人才為地方經濟社會和相關行業發展做出了重要貢獻，但隨著“四新經濟”的發展，地方高校工科人才培養出現了諸多不適應的現象。

（一）教學模式重知識、輕能力，學生創新能力不足

長期以來，地方高校本科教學主要以理論知識傳授作為教學過程中的主要驅動力，強調以教學進程為導向、以知識為導向，對學生的工程實踐能力和創新能力培養關注度不夠。

（二）教學設備落后于實際生產需求，學生工程實踐能力有待提高

由于財政撥款、辦學經費等的限制，地方高校實踐條件建設經費不足[11]，難以投入大量資金購買先進的測繪儀器設備，實驗室軟、硬件設備更新頻率較低，新型測繪裝備購置不足，實踐教學仍以傳統水準儀、全站儀和GNSS接收機等為主，導致教學設備落后于實際生產需求。

（三）教師學歷層次提升較大，但“雙師”型教師或工程實踐經驗豐富的教師較少

高校教師是教學、科研乃至管理的主要實踐者，教師的工程實踐能力和科研水平不高無疑會制約學生的培養質量[12]。隨著師資隊伍的不斷建設，地方高校教師的學歷層次呈現上升趨勢，部分教師雖是應屆碩士或博士研究生，但工程項目實踐經驗較少，在實踐教學過程中不能有效把握行業發展變化，易與社會實際需求脫鉤。

以上測繪類本科專業實踐教學存在的問題，一定程度上限制了學生工程實踐能力和創新能力的培養，無法滿足“新工科”對工程實踐能力培養的要求，不利于破解“教育脫離產業、學校脫離企業、教學脫離實踐、學生脫離實際”這個長期困擾高等教育的難題。

三、測繪新技術與新型基礎測繪產品介紹

基礎測繪經歷幾十年的發展，其成果為社會各行業、領域提供了不可替代的基礎性服務。傳統基礎測繪產品按照產品形態和數據組織方式等可以歸納為以數字正射影像圖（DOM）、數字柵格地圖（DRG）、數字高程模型（DEM）和數字線劃地圖（DLG）為代表的4D產品，這些產品已廣泛應用于國土、規劃、測繪、建設等行業領域。雖然傳統4D產品形式上已變成數字的，但仍有成果品種單一、社會經濟和人文信息不全等缺點?；A測繪成果標準化、制式化的產品形式，已經不再適應信息化社會對多樣化、精細化、個性化測繪地理信息的需求。測繪領域歷來是高新技術的催生者、應用者和集成者。隨著全球導航定位系統、遙感衛星技術、數字攝影測量、三維激光掃描、無人機測圖、傾斜攝影等技術的出現和革新，測繪技術體系的升級換代，催生了一批測繪地理信息的新業態、新產品。

《國務院關于全國基礎測繪中長期規劃綱要（2015—2030年）的批復》（國函〔2015〕92號）提出“到2030年，全面建成新型基礎測繪體系”，要求全面提升測繪地理信息服務能力，形成以基礎地理信息獲取立體化實時化、處理自動化智能化、服務網絡化社會化為特征的信息化測繪體系，基本形成以新型基礎測繪、地理國情監測、應急測繪為核心的完整測繪地理信息服務鏈條。以“3S”（GPS、RS、GIS）為代表的上一代技術體系正在與互聯網、大數據、人工智能等高新技術進行深度融合，陸續出現了實景三維模型等比較成熟的新型測繪產品，很好地滿足了各行業領域和社會民眾的多元化需求。這些新型基礎測繪體系下的新型測繪產品，按照其用途，可以分為地理場景產品（包括實景三維模型、可量測實景影像、激光點云等新型測繪產品和傳統測繪4D產品）和地理實體產品（指物理世界在計算機環境下的“抽象”）兩大類。

新型基礎測繪體系和產品的發展，倒逼測繪類本科教學必須引入測繪新技術，并對人才培養體系，尤其是實踐教學體系進行改革升級，以適應產業轉型升級與區域發展對人才培養的需求。

四、我校測繪新技術本科教學實踐案例

為提高學生工程實踐素養及創新能力，我校測繪與國土信息工程學院（以下簡稱測繪學院）在學科建設政策的大力支持下，持續購置了大疆精靈4RTK無人機，華測P330Pro垂起固定翼無人機，Leica-ALS50-II 型機載LiDAR、MinSAR、SWDC數字航攝儀，無人測量船，室內外三維激光測量系統，陀螺經緯儀等多款測量儀器設備及高性能計算機，并將它們投入本科實踐教學當中。

（一）利用無人機測繪系統，開設無人機大比例測圖等實踐項目

隨著航測無人機的普及，越來越多的地面測量工作已經被無人機取代。我校測繪學院開設的多門理論課程和集中實習已經設置了無人機大比例測圖、傾斜攝影以及內業處理等實驗教學項目。通過在無人機遙感原理與應用、數字測圖原理與方法實習、空間信息數據綜合處理實習、現代測量技術實習、測量與遙感實習等課程中的教學實踐，學生可以掌握全站儀、RTK與無人機的聯測（制作數字線劃圖DLG）、三維模型制作及WebGIS開發[13]、衛星影像與無人機影像的綜合處理分析（遙感分類、精度對比分析、DEM地形分析）等實踐技能。

另外，我校測繪學院利用集中實習機會，積極開展社會實踐，讓學生將所學技能運用到解決鄉村振興的實際問題中（如圖1所示）。學生在教師帶領下利用華測P330Pro垂起固定翼無人機航測平臺，開展無人機低空攝影測量工作，獲取覆蓋南朱營村的正射和傾斜影像，建立南朱營村正射底圖和三維模型，開展南朱營村水系測繪和地勢分析，為南朱營村科學開展防汛減災工作提供精準的測繪數據。在實踐過程中，教師注重引導學生增強社會責任感、樹立家國情懷，實現課程思政育人。

（二）利用新型北斗接收機，開設GNSS觀測與平差等實踐項目

全球導航衛星系統（GNSS）與空間地理信息的融合發展，正在為經濟社會發展和國防建設提供強有力的保障與服務。測繪學院在已有GNSS接收機的基礎上，建立了北斗導航實驗室，并在南校區安裝了4臺連續工作的GNSS靜態接收站（如圖2所示）。該接收站采用華測導航公司的P5接收機，工作模式支持主流導航系統（美國GPS、歐洲伽利略、俄羅斯格洛納斯以及我國的北斗）。靜態相對定位時，該接收站的水平精度可達±2.5mm+0.5ppm，垂直精度可達±5mm+0.5ppm；動態相對定位時，該接收站的水平精度可達±8mm+1ppm，垂直精度可達±15mm+1ppm。利用該設備可以開設GNSS靜態組網、基線解算、高精度實時變形監測和RTK坐標采集等實驗項目，也可以服務GNSS原理與應用、變形與沉陷工程學、衛星導航算法與程序設計、工程測量學、誤差理論與測量平差基礎等課程的實踐教學，促進北斗導航應用端的發展。同時，常年的GNSS基準站網觀測數據，可為焦作地區提供氣象、地殼形變的地面驗證數據。

（三）利用無人測量船，開設水下地形測量、水庫庫容分析等實踐項目

為了進行河道（水下地形）測量，測繪學院購置了華微3號無人測量船（如圖3所示）。該設備搭載了單波束雷達、GNSS模塊、相機、慣導系統、避障模塊等技術，具有自動航行和手動航行（在岸邊水淺處使用，可補測自動航行未觀測之處）兩種模式，可實時獲取水深及水底高程信息。利用該設備可以采集焦作新河、龍源湖、青天河水庫等大型水域的水底地形，進行庫容分析，也可以服務工程測量、數字高程模型的實踐教學。利用無人機航測技術獲取水上、水下的數字高程模型（DEM）及三維模型，可為科學防汛提供測繪數據支持。

（四）利用三維激光掃描設備，開設點云數據采集與內業處理實踐項目

三維激光掃描技術是利用激光雷達（Light Detection And Ranging，LiDAR）設備，通過記錄被測物體表面大量密集的點坐標、反射率、紋理和全景圖等信息，通過計算機輔助計算，提供三維空間點云模型。為豐富三維激光數據采集方式、擴展應用場景，我校測繪學院購置了一套北京四維遠見信息技術有限公司研發的QS輕型室內外測量系統。該系統的輕掃設備靈活輕便，可折疊，支持“有路輕載（三輪車、汽車）、無路人工背負”的作業方式（如圖4所示），提高了作業效率和安全系數。使用該系統在進行外業采集時，通過配備的手簿可實時查看激光點云掃描狀況，支持暫停、繼續掃描等操作；在進行內業處理時，無須人工配準，只需將數據導入配套軟件QSCloud或者ZXMap，軟件即可根據內置SLAM算法處理數據，最后得到測區整個的LAS點云數據。該系統降低了激光點云數據的獲取和處理難度，方便本科生進行實踐創新。利用該系統可以開展建筑物三維模型構建、點云分類、土方量計算、隧道測量、礦區變形監測等實踐項目。另外，我校測繪學院也擁有地面LiDAR[14]和車載LiDAR設備[15]，可服務三維激光掃描技術、礦山測量、空間信息綜合處理等課程實踐和本科畢業設計。

利用該系統可以開設GNSS靜態組網、基線解算、高精度實時變形監測和RTK坐標采集等實驗項目，服務GNSS原理與應用、變形與沉陷工程學、衛星導航算法與程序設計、工程測量學、誤差理論與測量平差基礎等課程的實踐教學，促進北斗導航應用端的發展。同時，常年的GNSS基準站網觀測數據，可為焦作地區提供氣象、地殼形變的地面驗證數據。

（五）借助虛擬仿真技術，開設無人機虛擬仿真測圖等實踐項目

虛擬仿真實驗教學依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通信等技術構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，具有較高的沉浸性和逼真性。為擺脫傳統實踐教學在空間和時間的限制，緩解新冠疫情對教學質量的負面影響，我校測繪學院積極開展虛擬仿真試驗項目建設。目前，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，獲評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。虛擬數字測圖（水準儀、全站儀、RTK）、虛擬無人機測圖、虛擬礦場等虛擬仿真技術在教學中的運用，讓工科實踐教學不再受限于實驗儀器和實習場地，為學生提供了充分的實踐機會，加深了學生對無人機操作、航測數據采集以及理論知識的理解，有力提高了學生作為學習主體的主動性、積極性與創造性。

五、結語

在數字化測繪到智能化測繪的轉型升級過程中，測繪學院將測繪新設備、新技術及時引入測繪類專業本科教學，豐富了測繪專業的內涵，引導學生及時了解行業發展動態和市場需求，掌握新型測繪產品的制作和生產過程。通過教學理念、教學體系的更新，專業教師幫助學生進行學科交叉融合，強化了對學生工程實踐和創新能力的培養，提升了測繪地理信息高素質人才的培養成效，滿足了產業轉型升級與區域發展對人才的需求。實踐教學改革之路任重而道遠，測繪新設備和新技術的引入，無疑會幫助測繪類高校培養具備新素養的“新工科”人才，提升人才培養的核心競爭力，促進“新工科”改革的實施。

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［責任編輯：鐘 嵐］