消费级无人机在GIS本科教学中的应用研究

杨博丞，蒋兆恒

（通化师范学院，吉林通化 134000）

GIS全称Geographic Information Science，即地理信息科学，是近些年发展迅速的新兴学科，在地里信息科学本科教育经过一段时间的发展后越发被社会各界认可，进而产生了有针对性的教育发展方向研究，既消费级无人机用于地理信息科学本科教学的应用方向研究。无人驾驶飞机简称“无人机”，是由地面控制系统，空中运载平台和搭载组件组成，用无线电远程控制或利用设备自身程序控制，装置操控的不载人飞机的统称。根据无人机相关用途的分类，无人机可以分为军用无人机和民用无人机，其中民用无人机又可以分为专业级无人机和消费级无人机两种[1]。军用无人机应用在国防侦查、对敌战斗、搜救巡逻等方面拥有军事垄断性；民用无人机有运用在各专业领域的专业无人机，如：保值无人机、管线巡查无人机、环境监测无人机等，有专业性高、售价昂贵的特点,以及用于消费娱乐用途让爱好者业余飞行使用的消费级无人机。随着新兴科学技术的不断发展，无人飞行器作为新技术、新产品其发展十分迅猛并孕育着新一轮产业革命和升级，新兴产业正在成为引领未来经济社会发展的重要力量。国家对于无人飞行器高度重视，社会各界积极参与，已经显示出良好的发展势头和美好前景，形成了大规模研发、集群生产的模式。低空空域开放及通航新政策加速了无人飞行器与国民经济和民生的融合，带动众多产业快速发展。将消费级无人机运用到地理信息科学本科教学中，对培养地理信息科学专业人才，促进无人机的推广和应用具有重要意义。

1 消费级无人机的性能及优势特点

消费级无人机属于民用无人机，顾名思义特指无人机产品中面向个人消费者或群体、主要用于娱乐和航拍功能的无人航空飞行器，一般以四轴或六轴的多旋翼机型为主。从功能上来说，消费级无人机具备专业无人机的一些基本功能，如自主飞行功能、自动定位功能和空中悬停功能等，但是其相对低廉的售价相比于专业无人机来说，更适合日常消费使用，故而在现今商业模式下衍生出了越来越多的消费级无人机产品。

1.1 常见消费级无人机性能技术参数

该文以最为常见的消费级无人机厂商大疆、亿航智能、Parrot派诺特的相关产品及其性能技术参数进行简要介绍。

1.1.1 大疆精灵4无人机性能技术参数

精灵4（DJIPhantom 4 Advanced）是大疆无人机公司精灵系列产品线中的第四代无人机产品，其售价为7999元起，按照上文提到的无人机分类，属于典型的民用消费级无人机，因为用户广泛、保有率高，可以作为消费级无人机的案例进行介绍。精灵4无人机继承了精灵系列一贯的安全、稳定、灵活的产品特性，加入双IUM组件和避障系统，理论飞行续航时间也较上一代有明显提升，达到30min，使飞行期间更加持久和安全可靠。精灵4采用双模卫星定位模块，能够为用户提供精准位置信息，对后期图像定位提供有力保障。最大飞行高度为6000m，最大承受风速10m/h。教学实践过程中很少涉及极端天气和恶劣地形的因素影响，故能够满足日常飞行的需要。精灵4的相机系统可以提供可靠、灵活的拍照方法，根据不同的光线环境条件可以调节至适当模式进行拍摄，从而获取符合要求的航拍数字影像。

1.1.2 亿航智能无人机性能技术参数

亿航GHOSTDRONE2.0旗舰版是亿航智能专门针对无专业需求的普通消费者打造的一款无人机航拍产品。其旗舰版本的售价为5999元，机型与精灵4相仿，也属于民用消费级无人机行列。稳定续航时间25min，最大水平飞行速度40千米/小时（GPS模式）/70 km/h(手动模式)，最大传输距离1000m，最大抗风等级5级，可以满足日常飞行需求。其搭载4K球形相机有效像素达到1200万，可以手动调节ISO值从而达到预定拍摄要求，可以通过GPS模块获取飞行器的精准定位信息，达到基本的定位需求。

1.1.3 派诺特无人机性能技术参数

Parrot ANAFI 4K航拍无人机是由派诺特贸易（深圳）有限公司研制销售的消费级无人机产品。其完全展开后的小尺寸和4899元的起售价格受到广大消费者的欢迎。其最大续航时间可达25min，最大时速55km/h，最大抗风性能50km/h，具有GPS和GLONASS双定位系统，能够提供稳定飞行能力和精准定位功能。它搭载1/2.4英寸CMOS，能提供最高2100万像素的航拍相片，可手动调节快门、光圈和感光度，为拍摄符合要求的航空相片提供基础。

综合上述3款无人机产品的主要性能技术参数（见表1），可以看出消费级无人机产品的性能完全能够达到本科教学用航拍标准，飞行数据和影像可以用于相关专业的实践教学。

1.2 消费级无人机的优势特点

根据其性能技术参数，消费级无人机在地理信息科学本科教学中应用时展现出一些专业级无人机所不具备的优势特点。

1.2.1 价格低廉

消费级无人机相较于专业级无人机其最主要的优势特点是低廉的售价。这一优势特点明显降低了消费级无人机的准入门槛，万元左右的价格使得爱好者和相关人群可以轻松变成消费群体，使消费级无人机迅速发展并占领市场。

1.2.2 操作简单

消费级无人机的显著优点还有操作简单，相较于专业无人机操作系统烦琐复杂、行业专业性要求高的特点，消费级无人机遥控操作系统直白简单，只需简单学习、培训就可直接完成相关飞行任务。

1.2.3 无航空驾照管制

我国 《民用无人驾驶航空器系统驾驶员管理暂行规定》中相关条款规定，在视距内运行的微型无人机(驾驶员或观测员目视视距内半径500m，相对高度低于120m的区域内,空机质量小于等于7kg的无人机)，无人机系统驾驶员自行负责，无须证照管理。而一般消费级无人机均符合民航局对于微型无人机的定义，因此不要求驾驶员必须持有航空驾照。

结合以上无人机相关技术参数和相较于专业无人机的优势特点可以得知，消费级无人机就飞行系统、相机系统、消费价格、安全性和可操作性而言，完全符合从事简单测绘和遥感影像采集工作的要求。利用消费级无人机可以获取包括地理位置信息、高清图像信息、飞行数据等基础数据，用于地理信息科学本科教学中非高精度实践和日常教学工作。

2 无人机在地理信息科学本科教学中的应用意义和应用现状

2.1 无人机在地理信息科学本科教学中的应用意义

地理信息科学（Geographic Information Science，GIS），是在计算机软硬件系统支撑下研究地理空间信息的采集、存储、处理、管理和分析等一系列问题的学科。地理信息科学是一门交叉学科，学科内容涉及地理学、地图学、计算机科学、测绘科学等多个学科领域，其主干课程有自然地理、人文地理、测量学基础、地理信息系统原理、遥感原理与应用、GPS原理等。地理空间信息采集工作是学科发展的基础，地理信息科学本科教学涉及该部分内容的课程包括地理信息系统实验、遥感实验、测量学实习、摄影测量实习等。无人机的应用丰富了地理空间信息采集的手段和方法，有助于培养学生专业实践能力。

表1 常见消费级无人机主要技术参数

将消费级无人机引入本科实践教学，利用无人机进行倾斜摄影测量和地理空间信息的采集，获取海量地理信息，可为全球变化和区域可持续发展研究提供数据支撑。此外，地理信息网络系统正在迅速发展，地理信息科学在城市规划、道路建设、车辆导航、资源评价、环境监测等方面都有广泛和深入的应用，这些无疑说明，地理信息科学具有旺盛的生命力，必将在推动社会生产力的发展中发挥巨大作用[2]。从另一方面也显示空间地理信息采集工作的重要性，因此，高校地理信息科学本科教学中基于无人机应用的信息采集能力的培养不容忽视。

2.2 无人机在高校地理信息科学本科教学中的应用现状

现阶段国内高校应用无人机进行教学的除无人机专业外，主要集中在测量科学和地理信息科学内的摄影测量课程、遥感技术课程和环境资源勘探等科目中。

各高校针对不同的应用方向和领域，所采用的也是符合其院校应用和发展的不同方式。例如，四川水利职业技术学院的摄影测量与遥感技术专业，采用高校投入财力物力使无人机教学融入实践教学课程当中的方法，通过“分批实习，校企联动”的方式，实现大规模开展无人机影像获取的实践教学工作，使学生在校期间熟悉小型无人机由外业操作到内业数据处理的流程[3]。也有一些高校采取实践教学+创新创业训练的模式，使学生亲自参与到相关企业管理和技术开发当中，运用无人机测绘和遥感图像分析工作的高热度、高关注度的特点，进行针对性的无人机训练教学。但以上是小部分高校实验教学项目，其他高校并未大规模普及无人机进入实践教学环节。

总体来说，高校主要把无人机用于科研和无人机研发当中，对于在地理信息科学专业中开设利用无人机的相应课程十分少见，对于普通高校来说，最为适合开设无人机辅助实践的摄影测量课程，大部分只进行了相关理论学习和软件应用，最重要、最基础的航空影像数据收集环节没有进行。其他如遥感原理、GPS原理、三维建模应用、空间数据分析等课程都适合利用无人机进行辅助学习和实践，但绝大部分高校未把无人机运用在实践课程中，整体教学过程无法直观反映出实际生产中的整体流程，缺少外业数据采集的必要环节，使学生不能完全掌握实际成产中应熟悉的流程步骤。

分析高校现阶段不引进无人机的主要原因：一是专业级无人机价格昂贵，无法普及到师生实践教学层面；二是专业级无人机专业性高、操作复杂，对于驾驶员要求相对严格，缺乏操作熟练的驾驶员；三是法律规定严格，飞行前需要上报有关部门审批，不灵活不利于教学活动的开展。

为弥补教学工作中缺失的部分，高校应该结合自身特点，根据消费级无人机价格便宜、简单易操作、不受航空管制、基本满足专业学习要求的特点，从实际出发，适当引入消费级无人机，在教学中替代专业级无人机用于实践教学。

3 地理信息科学本科教学中引入消费级无人机的优势及前景

引入消费级无人机，让学生系统地掌握地理空间信息的采集、存储、处理、管理和分析等相关工作流程的所有环节，突出学科特色，提高教学水平。

3.1 引入消费级无人机提高学生实践应用能力优势明显

引入消费级无人机，通过实践课程让学生熟悉航空数据的采集方法，获取学习中需要的基础数据，不仅能够完善课程内容，还可以将多门课程有效的结合在一起，培养学生自学能力和钻研精神，提高专业综合应用能力。例如，在小规模的城乡规划行业中应用无人机，用于基础地理信息数据产品的生产（包括DOM、DLG、DEM产品，小范围低空遥感影像数据处理）；也可用于智慧城市、智慧校园平台的建立，提供以倾斜摄影为基础数据的三维建模模型，建立专题地理信息数据库、开发专题应用软件等工作[4]。

在引入无人机相关技术后可以借助国内大型的地理信息科学相关学科比赛、ESRI和超图等大公司、企业的专业技能竞赛等平台充分调动学生的积极性和创造性。借助企业实习实训基地创造更好的学习机会和应用机会，增加学生技能并提升竞争力和创造力。

3.2 引入消费级无人机用于大学生创新创业实训和教育前景广阔

国家最早从“十一五”规划期间就开始大力扶植大学生创新创业实践工作，每年投入大量人力、物力、财力推动大学生创新创业工作。地理信息科学本科教学中可以利用消费级无人机引导学生参加创新创业实训。利用入门消费级无人机可以进行针对性的创新创业训练，在校期间熟悉利用无人机从外业资料获取到内业数据分析全过程，通过把企业实际生产遇到的问题模块化，分解转化为学生在校可以学习和实践的项目形式，来让学生提前掌握创新创业能力，从而为以后真正的创业实践提供参考。也可使学生通过利用消费级无人机参加相关大赛，借助相关特色技术和优势项目突出专业特色、扩大影响并增加对于无人机的应用经验。以通化师范学院为例，通化师范学院地理信息科学专业5名学生运用所学技能和相关创新创业想法，结合消费级无人机在城市三维建模中的应用项目在吉林省“梦想杯”大学生创新创业大赛中获得三等奖的成绩，凸显了应用消费级无人机参加创新创业大赛时的技术优势和影响效应。

根据国家新兴产业规划，在大学生创新创业教育的大背景下，无人机行业迅猛发展，地理信息科学逐渐运用在各行各业各领域当中，在可预见的将来，无人机结合地理信息网络化一定会成为热门研究方向，而且还会不断深化和细化，应用前景广阔。在本科教学中结合区位优势，利用消费级无人机开展对植被保护、河流水系、山地利用等方面的研究具有得天独厚的优势；通过消费级无人机的应用实践，衍生、发展出不同领域的无人机运用新方法、新理论也是必然的，对此高校要有一定的前瞻性，在人才培养目标和课程设置、实践课程的开展方面做出必要的调整。

4 结语

无人机行业和地理信息科学专业在近几年中逐渐被各行各业所接受并且迅速发展起来，可以预见在未来信息化越来越重要的时代，无人机和地理信息科学势必会结合在一起。在高校可以接受的成本条件下，将消费级无人机引入到地理信息科学本科实践教学中来是增加学生专业水平和知识能力的一种方法，也是切实可行的一种实践教学方案。当前社会不但对学科专业性要求越来越高，也更加注重学生的综合素质，高校应该更多的启用新兴热点技术，推动教育教学改革，在创新创业的教育大背景下推动地理信息科学长远、完善、不断创新的发展。