无人机遥感课程设计模式研究

黄方　行敏锋　陆俊

[摘 要]针对无人机遥感技术的迅猛发展，结合学校专业特色以及专业需求，从课程体系结构设计、课程建设设计思路和课程实践模块设计等三个主要方面探讨挑战性课程无人机遥感的教学实践课程设计模式。其中，课程体系结构具有硬件与软件结合、理论与实践结合、应用与产品结合、挑战性与实践性结合的优势。具体的课程建设将无人机硬件、数据采集、处理等与本校、本专业特色紧密结合起来，形成完整的模块化技术体系；将无人机与本专业具体应用结合起来，融合相关典型课程的重点、难点知识点，构建完整的产品生产技术体系；建立满足教学需求的实验验证性平台，得到典型性示范验证成果，构建较为完善的实验教学和实践教学方法与规则。课程实践模块设计采用三级递进式的模式进行：引导基础性实验项目/技能培养层级；体现学生参与深度与广度/自主实验层级；挑战性实验项目/实验层级。课程建设能极大地锻炼学生的动手、动脑能力，培养极具特色的、满足用人单位急需的前沿性紧缺人才。

[关键词]挑战性课程；无人机遥感；课程设计；课程教学实践；工程能力培养

[中图分类号] G642.3 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2019）05-0049-04

一、概述

由于无人机（Unmanned Aerial， UA）具备可执行高危險任务、执行人类生理特点限制任务、成本低、易隐蔽等优点，最初被广泛运用在军事上，作为侦查和作战使用[1]。但随着技术的成熟，其生产成本降低，最后逐步进入到民用领域。2002年，美国国家航空航天局成立的无人机应用中心，便一直致力于无人机的民用研究。此外，欧洲、韩国、日本、澳大利亚等国也加快了无人机民用化步伐[2]。国内真正意义上的第一架民用无人机诞生于20世纪80年代，是由西北工业大学研发的D-4无人机，它开创了中国无人机军用转民用的先河。2007年后，民用无人机制造商便如雨后春笋般涌现[3]。正是由于民用无人机的蓬勃发展，无人机遥感技术才得以逐渐发展起来。

遥感技术（Remote Sensing， RS）目前已经广泛应用到测绘、环境监测、农业、国防、交通、灾害监测、气象和能源等关乎国计民生的各个领域[4-7]。随着应用面的拓展，卫星遥感存在的时效性不强、重返周期长、空间分辨率不高等问题也暴露出来。而无人机遥感（UA-based RS）作为一种新兴的低空遥感技术，它具有一系列卫星遥感和传统航空遥感所不具备的优点，是获取遥感影像不可或缺的补充手段[8]。在起降方式上，无人机的起降方式较传统的航空遥感和卫星遥感而言更为灵活多样，所需的起降条件也更为简单，一般可通过弹射起飞和伞降的方式实现起降，同时在起降条件允许的情况下，可实现随时起降，时效性强，并且没有固定的重返周期。在飞行高度上，无人机为近地飞行，飞行高度一般在300米至1000米之间，因此可以保证所获取的影像具有较高的空间分辨率，以及不存在因为云层遮挡导致无法获取到有效数据的问题。在成本上，由于无人机的快速发展，以及无人机生产厂商之间的竞争加大，使得无人机的使用越来越普遍。较传统的航空遥感而言，其成本实属较低；在安全性能上，无人机可到达一些人无法到达的区域，能减少操作人员可能出现的安全问题 [9]。

无人机遥感具备快速的机动响应及监测能力、简便的操作方法、低廉的使用成本、直观全面的获取高分辨率遥感影像数据等优势，这使得无人机遥感应用越来越广泛[10-12]。目前，无人机遥感主要应用在国土监测、地质灾害监测、环境监测、城市绿化监测以及应急保障等方面[13]，同时也广泛应用于气象监测与预报、海事等行业中[14]。除此之外，随着我国数字航空测量设备的像素提高，以及无人机具有的灵活度高、对起降场地的要求相对较低、操作简单、质量可靠等特点，无人机遥感在测绘行业中也被广泛应用[15]。

目前，利用无人机遥感技术进行数字测绘产品生产主要是利用单镜头和多镜头的方式开展。单镜头方式获取的影像可以先通过Pix4Dmapper等软件进行空三加密，然后再在MapMatrix或其他软件下进行数据的进一步处理，从而生成4D产品（数字地表模型（Digital Surface Mode， DSM）数字高程模型如Digital Elevation Mode， DEM）、数字正射影像图（Digital Orthophoto Map， DOM）以及数字线划地图（Digital Line Graphic， DLG）等。多镜头方式中用到最多的是五镜头，由五镜头进行的拍摄测量也称为倾斜摄影测量。倾斜摄影测量技术[16]是通过在同一飞行平台搭载多台传感器，从不同的角度进行数据的采集[17]。作为一种新兴的测量技术，它改变了以往航测只能从垂直角度拍摄的局限性[18]，同时在获取影像时，它要求航向重叠率在60%～80%之间，旁向重叠率在15%～60%之间，因此通过倾斜摄影测量获得的数据更能真实反应地物情况。倾斜摄影测量技术极大地扩展了遥感影像的应用领域，使遥感影像的行业应用更加深入，特别在地物三维建模方面具有极大的优势[19]。基于无人机倾斜摄影测量的实景三维建模软件现在市面上也有很多，其中较为成熟的有法国Acute3d公司的Smart3DCapture，街景工厂等，用这些软件可以轻松简单地构建出实景三维模型。无人机遥感技术不论是在抢险救灾、工程测量，还是在将来的智慧城市发展中，都起着不可替代的作用。

可见，无人机遥感技术改变了以往航测只能从垂直角度拍摄的局限性，它通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，从不同的角度采集数据，最后生成的产品提高了用户的真实直观体验感。基于无人机遥感技术不仅可以生成对应的数字产品，如DSM、DEM、DOM、DLG等，还可以进行三维建模和可视化研究。此外，还可以搭载多/高光谱仪器、热红外成像仪、LiDAR（Light Detection And Ranging）等开展相关领域的作业与应用。

综上，与无人机蓬勃的发展相比，如何在传统地学技术领域应用无人机遥感技术，却存在一定的问题与障碍。目前，我院空间信息与数字技术专业涵盖专业课程较多，涉及面也较广，但课程之间整体融合的力度需进一步提升。同时，专业课程多强调理论学习，在学生动手能力培养以及软件与硬件结合方面，仍待进一步强化。此外，整体课程设置在体现电子科技大学电子信息学科优势的特色上，亟须加强。为了改变这种现状，围绕“本科精英人才”培养体系，结合学院的“电子信息+地球科学”工作思路，建设一门基于无人机硬件平台，融合数字摄影测量、遥感、测量学、地图学、三维可视化等专业基础课，研究并开发出一门多课程深度融合的、具有挑战性的课程，具有非常重要的理论探索和实际应用价值。该课程涵盖硬件软件，涉及空间数据获取、处理、应用各个环节，且与传统的地学相关课程联系紧密。然而，虽然无人机技术得到了迅猛发展和广泛应用，但无人机遥感方面的研究还远未形成完整体系，造成无人机遥感这门挑战性课程的建设还存在一定困难。因此，探讨该课程建设的设计模式具有重要的现实意义。

二、课程设计模式研究

该挑战性课程的建设设计模式研究将从课程体系结构设计、课程建设设计思路和课程实践模块设计等三个主要方面展开。

（一）课程体系结构设计

基于无人机平台，融合数字摄影测量、遥感、地理信息系统、测量学、地图学等学科相关理论基础，突破基于无人机遥感应用技术的重点、难点问题，包括无人机航线规划、同名点匹配、区域网联合平差、数字表面模型生产、正射影像纠正以及基于多/高光谱载荷的地物波谱特性探测与处理等；构建从无人机硬件到三维可视化建模[20-22]、典型4D数字产品生成（DSM、DEM、DOM、DLG）[23]，以及搭载多/高光谱载荷的地物目标探测应用的全链条应用技术体系；形成较为完整的基于无人机遥感应用技术的实践课程教学体系结构（图1）。

其中，该体系结构具有的优势主要表现在以下几个方面。

1.硬件与软件的结合。将无人机相关硬件，如无人机平台、云台、飞控、数传、图传、导航定位、传感器等器件设计组装与数据处理算法、空中三角测量加密、影像三维可视化以及传统遥感图像处理等结合起来，形成一个较为完善的无人机遥感影像数据采集与处理过程。

2.理论与实践的结合。基于飞行原理、航空气象、旋翼无人机机理、倾斜摄影测量、三维建模及可视化等基础理论，结合无人机遥感数据获取到处理过程中存在的诸多难点问题，如无人机航线规划、同名点匹配、区域网联合平差、正射影像纠正以及数字表面模型生产、土地利用分类算法等，本课程以任务为驱动组织教学内容，通过对问题、任务的剖析（理论与实践），采用“教、学、做”一体的方式，达到让学生掌握理论知识与技能的目的。

3.应用与产品的结合。针对无人机的应用领域，以采集到的无人机遥感数据为基础，形成三维可视化建模、典型4D数字产品（DSM、DEM、DOM、DLG）、土地利用分类产品等。

4.挑战性实践课题。基于前面基础知识的学习以及实践，结合学生的专业、兴趣以及特长等，开展如多旋翼无人机组装、调试与飞控系统优化、区域的大比例尺数字地图研制、区域实景三维模型构建、单体化建模研究、基于无人机与高光谱结合的区域病虫害监测应用研究等一系列挑战性实践课题，使学生达到真正意义上的学做一体。

（二）课程建设设计思路

学生首先要了解项目课题涉及的知识广度和专业深度，以及系统规划、功能、需要达成的指标等， 在广泛查阅文献资料、团队研究探讨的基础上进行项目的规划、设计，同时预留部分学习知识的时间。

为了更好地增强无人机遥感技术课程的挑战性，课程建设将从以下几个方面发力。

1.将无人机硬件、数据采集、处理等与本校、本专业特色紧密结合起来，形成完整的模块化技术体系。模块体现可以考虑无人机软硬件系统调试与研发模块、无人机实践飞行与多源空间数据采集模块、无人机遥感数据处理与应用模块等。

2.将无人机与本专业的具体应用结合起来，融合相关典型课程的重点、难点知识点，构建完整的产品生产技术体系。模块体现可以考虑基于无人机遥感数据的三维建筑物建模与可视化模块、4D产品生成模块，以及多/高光谱遥感应用产品模块等。

3.建立满足教学需求的实验验证性平台，得到典型性示范验证成果，构建较为完善的实验教学和实践教学方法与规则。

（三）课程实践模块设计

该课程拟采用三级递进式的实践模式进行，分别是：1.引导基础性实验项目/技能培养层级；2.体现学生参与深度与广度/自主实验层级；3.挑战性实验项目/实验层级。各个层级涉及的主要实践模块如下。

（1）引导基础性实验项目/技能

· 无人机模拟器及模拟软件的操控基础训练；

· 多旋翼无人机组装、测试与无人机试飞；

· 航线规划及无人机地面站软件使用；

· 无人机数据获取及4D产品生成技术；

· 无人机倾斜摄影测量（5镜头）及三維建模与可视化；

· 无人机多/高光谱遥感数据获取与应用实验。

（2）体现学生参与深度与广度/自主实验

· 获取清水河校区无人机摄影测量数据，制作校区遥感影像地图（部分）、完成整体地图的拼接（整体）（体现无人机遥感技术的方法与应用层次）。

· 利用单兵无人机（单镜头），形成无人机（5镜头）的数据，并进行建模，生成清水河校区的三维模型（部分），完成整个校区的三维可视化模型；（体现无人机遥感的原理、方法与应用）。

· 三维建模过程中，最为耗时的是数据处理。本课程针对数据处理的时效问题，开发并实现相应的三维建模并行算法（体现无人机遥感的软件开发、应用）。

· 制备LiDar/热红外传感器设备及控制系统，进行对应的无人机遥感应用实验（三维模型、热红外产品生成）及数据处理等（体现无人机遥感的硬件、方法与应用）。

（3）挑战性实验项目/实验

· 多旋翼无人机组装、调试与飞控系统优化；

· 基于无人机的区域大比例尺数字地图研制；

· 基于倾斜摄影测量的区域实景三维模型构建；

· 基于无人机遥感的单体化建模研究；

· 基于无人机与高光谱结合的区域病虫害监测应用研究；

· 基于无人机与LIDAR结合的区域三维建模研究；

· 基于无人机与计算机视觉结合的快速三维地图构建技术研究。

根据上述设计模式，制定了如表1所示的各周师生交互的主题列表（表1）。学生首先了解项目课题涉及的知识广度和专业深度，以及系统规划、功能、需要达成的指标等， 在广泛查阅文献资料、团队研究探讨的基础上进行项目的规划、设计，同时预留部分学习知识的时间。

三、结束语

通过如上课程建设，可以实现：1.紧跟遥感、GIS技术方向的最前沿，打通相关课程的重点、难点理论与技术，探索前沿技术与本专业的应用结合点，形成理论与实践紧密联系、硬件与软件兼备的示范性挑战性实践教学性课程；2.将极大地锻炼学生的动手、动脑能力，培养极具特色的、满足用人单位急需的前沿性紧缺人才。

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[责任编辑：陈 明]