无人机遥感技术在地理教学中的应用

吕文清

（宁夏师范学院，宁夏固原 756000）

0 引言

党的二十大报告明确提出“以中国式现代化全面推进中华民族伟大复兴”的使命任务，同时也明确指出加快建设高质量教育体系，着力培养创新人才[1,2]。而全面深入推进基础教育现代化，培养创新拔尖人才是深入实施科教兴国战略、人才强国战略、创新驱动发展战略的重要途径。地理学是一门研究地球表层自然要素与人文要素相互关系与作用的科学，是融自然科学与社会科学于一体的综合性科学[3]，在人类的全面发展、服务国家重大战略需求等方面都有着重要的作用。强化地理学科的育人能力，提高学生的地理科学素养既是基础地理教育的学科责任，也是服务国家重大发展战略的要求。关注学科发展前沿，应用新技术手段丰富地理教学，对提升地理实践教学水平、培养创新人才具有重要意义。无人机是未来网络环境下一种数据驱动的空中移动智能体，而无人机遥感则是无人机应用最重要的引领性产业[4]。近年来，随着无人机软硬件技术的迅速发展和遥感技术应用研究的不断深入，无人机遥感技术已在多个领域进行深入应用，并取得了显著的成果。在地理教学中地理课程枯燥难度大、缺乏与其他学科的交叉并且教学目标较为单一，为了解决这一系列问题我们将无人机遥感技术融入日常教学中，让学生通过自己动手去掌握和理解一些知识的内在逻辑。因此，在地理教学中应用无人机遥感技术对于培养学生的地理实践能力和创新素养具有重要作用，这既是推进信息化教学向深拓展的重要举措，也是革新教学手段、丰富地理课堂、激发学生学习兴趣和学习效率的必要行动。同时将无人机遥感技术运用到教中还可以加强学生们的地理实践力，培养综合化的学生。本文拟对教育信息化建设背景下，无人机遥感技术+地理教学中的深度融合应用进行分析研究，以期提高地理学科创新型人才培养质量。

1 地理教学中存在的问题

1.1 创新能力不足，教学目标单一

目前，地理课程教学创新能力培养不足，教学目标层次较为单一，这与新时代对学生的要求不匹配。从日常地理教学过程来看，受课时制约教学内容的创新性、生活性、深度和广度都在一定程度上难以有效深化，较少关注学生创新能力的培养。教学方法仍然沿用传统教学模式，虽有引入信息化教学设备，但技术和内容仍然是对传统教学模式的二次加工，只是改变了知识的展现形式，从书本、课件转变为VR、AR支持下的可视化形式。

教学内容组织更多侧重于考试，对学生的个性化需求和新技术、新方法的应用相对较少，对于新的技术如GIS、RS、GPS 技术及其相关应用虽有涉及，但仅仅停留在图片、视频等形式的展示上，没有引导学生动手完成相关的创新性实验，没有让学生从感性认识上升到理性认识。面对无人技术和遥感技术深度融合的应用背景和学科发展，教学中很难创设相应的教学情景，帮助学生了解新技术，形成科学认知，即使有引入无人机到教学中，也大多停留在无人机航拍视频等娱乐应用，且学生操作相对较少。这不利于学生实践能力的培养，也无法激发学生的创新意识，对于创新型人才培养的目标无法触及，不能有效发挥地理课程的育人价值。

1.2 课程枯燥，学习难度大

从地理课程内容来看，地理知识涉及自然、人文等多个领域，理论性、实践性较强，相对复杂枯燥，不易理解。因此，学生学习的积极性、热情相对较低，课堂参与度、学习效果较差，在地理学科方向的兴趣受到了打击，甚至出现厌学情绪。面对理论性、实践性较强的内容传统教学改革中虽有触及，但学生缺乏真实场景的接触，很难理解理论背景。因此，在长期双重因素的共同作用下，学生的学习兴趣、学习效果受到影响，而在二者结果的进一步反噬下，地理教学逐渐从理解知识的维度向识记知识的低端维度迁移。而信息化教学的功能就是革新教学内容承载方式，变被动接受为主动探索，深度应用无人机遥感技术进行地理教学，将为这一问题有效解决提供支持。

1.3 交叉视野不足，培养过程割裂

从学科交叉的角度来看，地理教学大多立足于本课程、本领域的知识，对其他课程的融合和应用较少，没有发挥出多学科交叉的课程优势。从地理科学在人类的全面发展中的作用来看，当前的地理教学目标层次较低，较少从学生全面发展的角度设计教学内容和实践活动，对学生感兴趣、前沿科学话题关注度较低，不利于学生科学素养和创新精神的培养。人才培养过程中对多学科、多领域的知识割裂来看，对学科交叉认识不足，而这正是地理学本身所表现出的一大特性。地理学因其研究领域广泛涉及自然、人文、地理信息等多个领域，表现出强大的学科交叉特性，这一特性使得地理学者也同样具备这一素养。因此，引入新技术热点，重视学科交叉特性，对于培养具备这一特性的创新人才具有重要意义。

从创新人才培养的角度来看，以往的创新素养培养大多面向少数的学习成绩好的“高智商”学生，将学习成绩高低与创新素养画等号，造成了在其他方面有天赋的学生无法通过成绩入围。这种以成绩划分的方法，人为地将创新人才培养的对象进行了划分，使创新人才培养中另一部分成绩较低者无法被培养和挖掘，这难以适应当前时代发展的需要。在创新素养培养过程中，也存在拔苗助长的一些现象。在这一过程中，对选拔的学生提前灌输相关的学科知识，忽略学生的年龄特征、心理特点、学习特点和主观能动性。且创新素养培养过程多依靠课外活动、社团活动、拓展训练课程等模块进行，而这割裂了学科课程与创新素养培养之间的连接，进一步弱化了地理课程在创新素养培养方面的价值。

2 无人机遥感技术的教学价值

随着天基导航通信系统等高新技术的快速发展，无人机已成为一种新兴的遥感平台，被广泛地应用于国土航测、农林植保、大气探测、灾害救援、国防安全等领域，轻小型无人机遥感系统在数量和应用领域都占绝对主导地位[5,6]。无人机遥感主要应用于低空基础地理信息数据获取和处理，是区域快速测绘、倾斜三维模型构建、自然资源调查的重要工具，因机动性强、灵活安全、空间分辨率高、图像采集周期短、操作简单、成本低廉等优势，成为卫星光学遥感的重要补充。作为遥感技术的重要组成部分，在地理教学中具有较好的应用价值。

首先，在地理教学过程中应用无人机遥感技术，可以让学生对地理学的前沿技术领域有所了解，引导学生关注学科前沿技术发展，了解前沿地理信息技术领域的应用热点，为学生的人生规划提供一定的参考。因为学生大都认为地理是文科，对其自然科学属性认识不足，导致学生在人生规划中首先排除了从事地理科学研究这一选项。其次，无人机遥感技术与地理实践力培养能够有机结合，让学生亲自操作无人机获取地理信息数据，通过软件进行数据处理、数据分析与成果制图，这对于培养学生的动手操作能力、数据处理与分析能力、解决问题能力具有一定的价值，也能激发学生的探索精神和创新意识。其次，无人机遥感贴近学生生活，可以为学生提供上帝视角观测所处的地理环境，使学生从自己熟悉的区域出发逐渐将视角推移至全国、全球，深入理解人类生存环境的变化，思考人类活动与地理环境的相互关系[7]，引导学生关注身边的地理，学习贯彻对生活有用的地理这一理念。最后，无人机应用的大众参与度高，创新活跃度也很高，发展迅猛，融入地理教学中能够激发学生的学习兴趣，提高学生的获得感和满足感，提升课程的教学质量。

3 无人机技术教学场景重构

无人机摄影与传统地理学景观观察法结合可吸引学生主动思考和探究，是中学地理教师培养学生发现生活中的地理知识和培养学生地理志趣的关键环节[8]。在地理教学中应用无人机获取所在区域典型地理自然景观、人文景观的影像数据，帮助学生建构对所在区域地理景观的认识，加深对所学地理课程内容的理解。如获取所在区域河流的正射影像，让学生结合所学的河流地貌知识，辨识该河流所处的位置是上游、中游还是下游，地貌特点如何等。通过无人机影像让学生结合区域生态环境建设章节知识评价区域的生态环境质量，树立自觉保护生态环境的责任感和使命感。结合对所在城市的正射影像，让学生结合城市内部空间结构的知识辨识该城市的功能分区及其形态、特点和城市内部空间结构模式，分析城市内部空间结构模式形成的原因。还可以同时获取乡村的正射影像，让学生通过城市与乡村的影像数据特点总结城市与乡村聚落的区别与联系，分析城市与乡村土地利用和功能分区的合理性，引导学生思考当前城镇化过程中的出现问题，深刻理解城镇化过程中需坚持以人为本、优化布局、生态文明和传承文化的基本原则，深化发展有历史记忆、地域特色、民族特点的美丽城镇，不搞千城一面、万楼一貌的认识[9]。

无人机倾斜摄影测量技术能够快速获取某一区域的三维地形，快速构建某一区域的三维模型，这在地理教学的多个方面具有应用价值，能够更加直观地表现地理知识，帮助学生理解相关的地理知识。如通过无人机获取学校周边的山体倾斜数据，利用软件快速构建地形三维模型，结合获取的数字高程模型，并以此生成该山体的等高线数据，直观表达等高线与真实地形之间的关系，更好地帮助学生理解这部分内容。还可以利用无人机获取野外某一典型区域的地质构造、地质灾害点三维数据，使学生无需到现场就能直观感受到地质构造的特点、地质灾害点的状况，理解无人机在野外数据采集、地质灾害监测等方面的应用[10]。此外，无人机在古建筑保护领域也有重要的应用。在课程教学中，可利用无人机获取不同地域的古建筑三维模型，使学生直观感受建筑风格的地域特点及其与地理环境之间的关系，感受古建筑魅力和古人智慧，在内心深处形成高度的文化自信，树立自觉保护古建筑的意识。

随着生态文明战略的深入推进，区域生态环境质量评价成为学界研究的热点。近年来，多光谱无人机技术、高光谱无人机技术不断发展，为快速获取区域光谱指数评价区域生态质量提供了一种灵活、高效的技术手段。利用多光谱无人机获取区域多光谱数据，并利用遥感数字图像处理软件生成如NDVI 数据等光谱指数，在ArcGIS 软件中对NDVI 进行分级和统计以评价该区域的生态质量。能够让学生从数据获取、处理到制图与分析整个过程中感受到科学研究的魅力，培养学生的地理实践力和创新精神；引导学生关注区域生态质量，自觉践行生态文明战略。还可以结合叶绿素仪对学校周边农田的作物进行监测，反演作物的生物量、估测产量等，使学生不仅能深入科学研究过程中，还可以引导学生关注农业，深刻理解农业现代化在全面推进乡村振兴战略中的重要意义。

4 无人机遥感地学创新培养模式

通过对传统地理教学存在的问题进行分析发现，将无人机遥感技术与地理教学相结合成为地学创新人才培养的新方案，本文结合无人机遥感应用场景和地理人才培养中面临的问题，提出了一种无人机遥感支持下的地学创新人才培养模式，如图1所示。

图1 无人机遥感地学创新培养模式

无人机操作技能训练模块主要包括无人机系统认识、无人机飞行模拟、无人机航线规划、无人机测图。在该模块中主要培养学生对无人机遥感影像获取的能力，让学生理解遥感数据获取的方式和原理。无人机遥感应用能力训练模块主要包括地理景观识别，二、三维数据制图，多光谱数据应用、遥感地学应用。在该模块学生系统地进行了无人机数据应用专题化训练，使学生初步掌握开展地学创新应用的技能和创新思维。在地理创新素养培养模块中，通过课程实践教学、综合素质拓展、无人机创新空间、地学学科竞赛等方式，多样化、多渠道、全过程培养学生的创新素养，使学生在这一模式下形成地学创新的意识和能力。

5 结论

随着无人机遥感技术的飞速发展，在地理教学中融入无人机遥感技术对于提高课程教学质量、提升课程创新人才培养的能力具有重要意义。本文结合创新人才培养的时代背景，从当前地理教学中存在的问题出发，对无人机遥感技术在地理教学中的应用价值进行多角度分析，并结合地理课程教学内容对无人机遥感技术在地理教学中的应用场景进行分析，最后提出了一种新的无人机地学遥感创新培养模式。地理学的课程枯燥难懂，并且学习难度大，学生总是难以理解和掌握。今后可以让学生通过无人机遥感技术对一些数据和模块自主学习，这样可以让学生对所学理论知识有着更深的理解，能更好地掌握所学知识。通过该研究以期为基础地理教育课程改革、创新人才培养模式改革提供一定的借鉴。