无人机航测技术在测绘类本科专业实践教学中的应用

王宇　林中云　齐修东　柴华彬　都伟冰　连增增

［摘 要］自“新工科”建设被提出以来，测绘行业发展一直紧随时代科技发展的步伐，积极朝着向数字化、智能化转型迈进。传统的实践教学内容、教学方法已经难以满足新型基础测绘背景下测绘地理信息行业对人才培养的需求，高校应当与时俱进，着力构建有利于培养学生实践能力的教学新机制。文章结合国家建设与社会发展对测绘类人才的应用实践能力提出的更高要求，分析了当前无人机航测技术在测绘类本科专业实践教学中存在的若干问题，并提出应对措施。以河南理工大学测绘与国土信息工程学院为例，介绍了无人机技术在数字测图原理与方法、遥感原理与方法、三维激光扫描、空间信息数据处理综合实习课等程和集中实习中的应用，展现了无人机航测技术在实践教学中的应用价值，以期为其他高校完善测绘类本科专业实践教学培养体系提供思路。

［关键词］无人机航测技术；本科实践教学；新工科；测绘人才培养

［中图分类号］G642.0［文献标识码］A［文章编号］2095-3437（2024）02-0087-04

近年来，无人机技术借助高精度、高效率、经济性等优点，已成为新型测绘技术的重要依托[1]。随着物联网、大数据以及人工智能等信息技术的发展，测绘类学科将向多学科交叉的“新工科”转变，生产模式从基础数据采集型向空间信息应用型和服务型转变[2]。在此背景下，将无人机航测技术纳入测绘类本科专业教学体系，更新实践教学模式，既符合国家对“新工科”建设的要求，也是测绘行业新的发展机遇。

河南理工大学是我国第一所矿业高等学府、河南省建立最早的高等学校、中央与地方共建、以地方管理为主的河南省属重点高校[3]。测绘类专业是该校的优势工科专业，测绘科学与技术学科始建于1923年，是河南省首批特色骨干学科群建设学科（A类），入选河南省高校“双一流”创建工程。在“新工科”背景下，河南理工大学测绘学院不断探索无人机航测技术在理论教学与实践教学中的应用，使学生所学与工程实践建立起密切的联系。

一、无人机航测技术在测绘类本科专业实践教学中存在的问题

“新工科”建设的实质是面向创新型国家建设重大战略和制约社会发展的紧迫需求，抓住新一轮科技革命和产业变革的战略机遇，创新工程教育体系，培养新兴工程科技人才[4]。这对测绘类本科专业教学改革提出了新的要求。在引入无人机航测技术到测绘类本科专业实践教学时，存在以下三个方面的问题，应引起足够重视。

（一）无人机设备不足，教学仅以教师演练为主

相对于全站仪、水准仪、RTK等传统测量设备，无人机航测设备购买价格贵、维护费用高，且使用寿命短。由于财政拨款、办学经费等条件限制，部分高校无法购置足够数量的无人机设备以满足学生的实践需求，因此，许多学校的无人机教学的实践部分只能由教师演练，学生观摩。教师演练虽然可以确保无人机在相对受控的环境中运行，减少意外事件的发生，但限制了学生实践技能的提升。

（二）能够操控无人机的教师数量偏少

无人机航测技术涉及测绘、地理信息系统、航空、通信等多个学科，技术更新快、应用领域广[5]。许多教师缺乏无人机设备的相关知识，只有部分教师具备无人机操作和实践经验。目前河南理工大学测绘学院可以熟练操控无人机的教师只有8人，但却承担了多个专业的测量学、无人机遥感等课程以及数字测图等实习任务，具備飞手资格的教师数量还需进一步增加。

（三）学生普遍有畏惧心理，担心误操作而摔坏无人机

对于初学者来说，无人机操作可能是一个既兴奋又恐惧的存在。操控者需要一定的无人机飞行知识、飞行安全意识、操作技巧。而专业级的无人机价格较高，学生在操作前难免担心因误操作导致设备损坏而带来的经济责任，从而不敢轻易尝试，或者浅尝辄止。学生的畏惧心理降低了实践效果，难以充分激发学生的学习热情，也不利于学生的职业发展。

二、解决实践教学存在问题的应对措施

针对以上问题，结合“新工科”建设理念，提出以下解决措施：

（一）培养教师熟练操作无人机，鼓励教师考取飞行执照

由中国航空器拥有者及驾驶员协会颁发的AOPA无人机驾驶证的学习周期较长，且费用较高。为增加能够操作无人机的师资数量，满足实践教学需求，学校可以鼓励老师考取飞行执照。教师拥有无人机飞行执照后，可以直接参与无人机的实践操作和教学活动，带领学生进行实际飞行训练、数据采集和航测任务等，为学生提供更多的实践机会和航测数据。

（二）购置专门用于飞行训练的消费级微小型无人机，降低学生的心理负担

相比于专业级无人机，消费级的微小型无人机虽然不具备航测功能（没有RTK模块，没有航测软件），但可以进行飞行操作练习，购买成本较低，而且对周围环境和人员构成的潜在风险低，学生在操作时可以更加放松和自在，减少飞行心理负担。拥有更多的无人机，学生能够尝试更多的飞行方式、应用场景，促进学生创新能力的培养。

（三）结合虚拟仿真教学手段，先开展线上模拟，后进行线下操作

虚拟仿真是指通过计算机技术和虚拟现实技术，模拟真实世界创造出一种虚拟的、可交互的环境。学生可以在虚拟三维场景中进行无人机电池安装、螺旋桨安装、航线规划等操作，获取测区的正摄或倾斜数据。目前河南理工大学测绘学院已获批国家级虚拟仿真实验教学项目1项（矿区地表形变监测），省级虚拟仿真实验教学项目8项，测绘空间信息省级虚拟仿真实验中心1个、省级虚拟仿真实验教学课程群1个。通过线上模拟无人机操作及数据处理，学生实际操作无人机时可以更加从容。这种“虚实结合”的教学方法能够充分激发学生的实践兴趣，切实提高学生的实践水平和数据处理能力。

三、无人机航测技术在测绘类本科专业实践教学中的应用

为提高学生工程实践素养及创新能力，河南理工大学测绘学院已购置的无人机包括无人直升飞机、华测P330pro垂起固定翼无人机、大疆M300（图1）、精灵4RTK、精灵4多光谱等多旋翼无人机，传感器包括长光禹辰AQ600多光谱相机、Leica?ALS50 II型机载LiDAR、MinSAR、大疆H20T相机、高光谱相机。在“双一流”学科建设支持下，河南理工大学测绘学院将对现有设备进行升级和补充，包括购置大疆M350无人机、机载高光谱、激光雷达等，助力教学和科研。

本文以河南理工大学测绘学院为例，介绍无人机航测技术在河南理工大学本科理论教学与实践教学中的应用情况。需要注意的是，随着无人机技术的普及，学科边界越来越模糊，无人机航测技术会应用于更多测绘类课程。

（一）数字测图原理与方法课程集中实习

数字测图原理与方法课程是面向测绘类本科专业开设的核心课程。测绘学院为培养本科生分析、解决实际问题的能力，组织学生在校内开展为期一个月的数字测图原理与方法集中实习，包括2周的水准测量、导线测量和全站仪碎部点采集；1周的无人机正射影像获取、处理及地形图绘制；1周的无人机倾斜数据获取、处理及地形图绘制。学生通过集中实习，可以掌握航测外业操作流程和内业数据处理方法，提高动手能力和解决问题的能力。利用无人机航测技术制作的正摄影像（图2）、三维模型、数字线画图等数据，可用于城市规划、遥感分类、WebGIS开发等。

（二）遥感原理与方法

无人机可以搭载多光谱、热红外（图3）、高光谱等传感器，可以灵活调整飞行区域、飞行高度，获取同一地区多种维度的遥感数据，加深学生对不同地物对不同电磁波谱的表现认知，继而为遥感原理与方法课程提供充足的实验数据，激发学生对遥感分类的兴趣。同时，学生可以利用高质量的无人机遥感数据进行遥感定量反演分析，如病虫害、农业估产、土壤重金属污染调查、水质监测等，提高学术视野和水平。

（三）三维激光扫描技术

三维激光扫描技术通过高速激光扫描测量方法，可以快速建立高精度（精度可达毫米级）、高分辨率的物体真实三维模型以及数字地形模型。早期的三维激光扫描技术课程主要针对地面固定式和地面移动式三维激光扫描设备。但地面三维激光扫描设备难以获取建筑物顶部或高层数据，此时，便需要借助机载三维激光扫描技术。由于机载设备也有视野盲区，因此，为获得某一地区或建筑物的点云数据或三维模型，可以通过Context Capture或大势智慧软件对多种平台的激光点云数据进行融合处理。目前机载三维激光扫描技术已经用于多个领域，比如电力线巡检、土方量估算、实景三维构建、林业调查（图4）等。

（四）空间信息数据处理综合实习

空间数据处理综合实习是集无人机实习、遥感实习及地信實习为一体的综合性实习，是学生步入社会、走上工作岗位之前的重要实践。综合实习包括1周的无人机实习，主要进行无人机倾斜数据获取及正射图和DEM图制作；1周的遥感实习，涵盖了无人机正射影像遥感分类（图5）、卫星影像遥感分类；1周的地信实习，进行分类产品精度验证、专题图制作以及基于DEM数据的淹没分析。该实习可以检验和提高学生综合运用所学知识解决实际问题的能力，为培养新工科人才奠定扎实的基础。

四、结语

无人机航测技术具备高精度、高集成、高自动化和低成本的优势，应用场景越来越丰富，可以为测量、地图更新、城市规划、实景三维等相关领域的工作、规划和决策提供重要支持。当今测绘行业处于信息化时代，对高层次创新型、应用型人才的需求更为迫切。地方高校在培养新工科测绘专业人才时，应当从无人机航测等新兴技术切入，结合自身的专业特点，以产业需求为导向，培养师资梯队，改革教学实践内容，切实提高测绘工程人才培养质量，以顺应测绘类专业技术人才培养的新形势。

［ 参 考 文 献 ］

[1] 王浩天.基于无人机航测技术的城市用地规划模型研究[J].北京测绘， 2018， 32（10）：1174-1177.

[2] 晏磊， 廖小罕， 周成虎， 等.中国无人机遥感技术突破与产业发展综述[J].地球信息科学学报， 2019， 21（4）：476-495.

[3] 陈军， 刘万增， 武昊， 等.智能化测绘的基本问题与发展方向[J].测绘学报， 2021， 50（8）：995-1005.

[4] 邹友峰， 周英， 武学超， 等.河南理工大学人才培养的百年探索与实践[J].河南理工大学学报（社会科学版）， 2010， 11（4）：489-492.

[5] 闫利， 李建成.测绘类专业的“新工科”建设思考[J].测绘通报， 2020（12）：148-154.

［责任编辑：黄紧德］