新工科背景下“人工智能+无人机测绘”实验教学改革探讨

龚循强， 张方泽， 鲁铁定， 夏元平

(东华理工大学 测绘工程学院，江西 南昌 330013)

2017年4月8日，教育部在天津大学召开新工科建设研讨会，发布了《“新工科”建设行动路线(“天大行动”)》，为中国理工科教育，特别是工程类专业指出了新的方向和目标[1]。在新工科背景下，需将与人工智能密切相关的新兴工科专业和特殊专业群放在优先位置并大力发展。人工智能作为计算机学科的一个重要组成部分，通过研究如何用计算机来表示和执行人类的智能活动，以模拟人脑所从事的推理、学习、思考和规划等思维活动[2]。随着科技的进步，人工智能对人们的生活、学习和工作产生了重要影响。其中的深度学习在遥感影像分类、物体识别、语音识别和测绘遥感应用等方面均取得了较好的效果[3-5]。

无人机测绘是对传统摄影测量方法的补充，集成了无人飞行器、相机传感器等硬件设施，利用相关软件实时获取目标区域的地理空间信息，并对获取的数据进行预处理、绘图建模和分析[6，7]。由于无人机造价低廉、起降简单、操作灵活和不惧伤亡等特点，已经在测绘遥感领域得到了大量的应用。目前，大多开设“无人机测绘”及其相关课程的测绘遥感类高校仍将该课程的实验教学重点放在无人机的飞行操作和无人机影像的软件处理方面，而没有突出人工智能相关领域在无人机测绘中的应用，这显然与新工科建设行动背道而驰。为此，本文尝试将人工智能中的深度学习引入到无人机影像的处理中，从而丰富“无人机测绘”实验教学课程的内容，并对教学方式和考核办法进行改革探讨。

1 “无人机测绘”实验教学现状

当前普通高校的实验教学大多采用验证实验的开课方式，实验教学方式僵化、教学内容较为陈旧、成绩考核主要依据学生课后完成的实验报告，这种传统的实验教学其实是以教师的讲解为主，这显然与新工科人才培养提出的“问技术发展改内容，更新工程人才知识体系”和“落实以学生为中心的理念”的人才教育培养目标体系存有很大的矛盾。

1.1 僵化的实验教学方式

传统的实验教学方式比较僵化[8]，例如“无人机影像处理”实验，基本的实验教学流程是教师先讲解无人机影像处理的实验原理和无人机专业软件的操作，然后学生根据实验指导书的操作步骤和教师的讲解进行实验操作，得出实验结果。经调查发现，有部分同学在对实验原理或理论知识没有完全掌握的情况下，仅根据实验指导书的步骤完成实验，得到了合格的实验结果。这对部分不认真听教师讲解、不去主动掌握理论知识，仅根据实验步骤应付实验的部分学生起不到监督的作用，也会打击部分悉心掌握实验原理、认真完成实验过程学生的积极性。显然不利于实验教学的科学长远发展，也不利于新工科背景下“自主终身学习”型人才的培养。而且在这一传统的实验教学方式中，学生基本上是一种被动学习，被动做实验的状态，对学生的自主性、创造性等能力没有得到较好的培养。因此，要对现有实验教学方法进行改革以提高学生自主学习的积极性。

1.2 滞后的实验教学内容

现阶段普通高校实验课程的教学内容仍然保留有大量滞后的验证性实验，传统的实验教学方法已经无法适应新时代的科技前沿。例如，无人机测绘技术在测绘遥感领域已经得到了广泛的应用，随着无人机的起降方式由手抛伞降式向垂直起降、影像处理软件由专业化向大众化的转变，无人机的飞行操作和影像处理越来越容易被掌握，已经成为了从事无人机测绘技术人员的入门级知识，甚至很多外行只需稍加培训就能掌握。然而，目前大多数开设“无人机测绘”实验课程的教学内容仍以无人机飞行操作和无人机影像软件处理作为本门课程实验教学的重点。这些实验内容与无人机测绘技术的最新发展联系性不强，显然不符合新工科提出的“问技术发展改内容，更新工程人才知识体系”的要求，也与新工科建设规划强调的大力发展人工智能、大数据和云计算等最新技术不相吻合。因此，有必要将人工智能中的深度学习等与无人机测绘技术密切相关的新理念、新知识和新技术融入到“无人机测绘”的实验教学内容中，培养新工科背景下的“跨学科交叉融合”人才。

1.3 主观的实验考核办法

传统实验教学中学生成绩的考核主要由“考勤成绩”“操作成绩”和“报告成绩”三部分构成，成绩的评定基本由实验报告成绩决定，而实验报告都是学生在课后完成。实验报告中的实验结果也大多雷同，经常存在大量互相抄袭或借鉴的情况，而由于实验结果的单一性，教师也难以把握是否有部分学生存在抄袭的问题。此外，部分学生对自己实验所获得的结果分析得不够深刻，往往连实验结果所代表的含义都理解不透彻，对实验心得体会等需要自己组织文字撰写的部分却不重视，寥寥数语就将实验心得体会写完，忽视了对实验现象、结果用科学的理论加以解释与分析[9]。对教师而言，学生成绩评定工作量巨大，而且在实验操作过程中，教师精力有限，无法客观地评定所有学生的操作成绩，而实验报告由于都在课后完成，教师对这种单一实验结果的报告更难准确、客观评价。

2 “人工智能+无人机测绘”实验教学改革方案

为了实现新工科背景下“人工智能+无人机测绘”实验教学的改革，本文提出新颖自由的实验教学方式、灵活且富有挑战的实验教学内容和客观公正的实验考核办法。

2.1 新颖自由的实验教学方式

为了提升新工科背景下学生的跨学科交叉融合能力，将人工智能中的深度学习融入到“无人机测绘”课程的实验教学中。对该课程的实验教学方式进行改革，摒弃传统僵化的实验教学方式，取而代之的是，教师仅提供实验数据给学生，让学生采用理论课时讲解的深度学习算法，自主编写代码，完成实验。采取这种实验教学方法能够带来以下三点益处。

(1)由于整个实验具备一定的难度，学生需主动学习理论知识和实验原理，才能够顺利完成实验。此外，由于每个人写的代码不可能完全一样，这样也避免了学生之间互相抄袭的问题，从而促使学生上课必须认真听教师的讲解。当遇到难度较大的内容时，需要学生自己去查找资料解决，此时有利于提高学生的学习兴趣并提升学生自主学习的能力。

(2)学生在自主学习的过程中，或在实验室编写代码的时候，可能会存在一些难度较大且自己查阅相关资料也没法解决的问题。这时就需要向教师请教，教师可以给学生提供一些资料引导学生或者适当给学生进行一些讲解，学生也可以和其他同学相互交流，从而提升学生的沟通协商能力。

(3)对比简单的无人机飞行操作和无人机影像软件处理实验，“人工智能+无人机测绘”实验由于需要学生在掌握理论知识的基础上，自主编写代码完成实验，对非计算机专业的测绘遥感类本科生而言具有一定的挑战性。这与2018年教育部部长陈宝生在新时代全国高等学校本科教育工作会议强调的给大学生合理“增负”，提升大学生的学业挑战度，从而激发学生的学习动力和专业志趣相符合[10]。

2.2 灵活且富有挑战的实验教学内容

无人机测绘技术应用广泛，其获取的影像具有数量多、分辨率高等特点。测绘工程学院目前开设的“无人机测绘及应用”和“低空摄影测量与遥感”等课程，包含了8个学时的实验教学课程，教学内容主要是无人机飞行操作和无人机影像软件处理。结合新工科“向学生介绍学科研究新进展”的要求，对“无人机测绘”等课程的实验教学内容进行改革，将无人机飞行操作和通过无人机影像处理软件如Pix 4D Mapper对无人机影像进行处理、制作数字正射影像图的实验学时缩减为4个学时，而增加4个学时的基于深度学习的无人机影像处理实验，具体实验教学内容如下。

(1)基于深度学习的无人机影像批量拼接(2学时)

无人机影像拼接中的特征点匹配是目前无人机影像批量处理主要解决的问题，为了提高准确率通常利用分层卷积特征进行图像配准。而分层卷积特征是通过相关滤波器对不同深度的卷积特征逐层进行相关性分析，进而综合计算特征点的位置，通过采用十字点集变换方法对传统的点变换方法进行简化[11]。根据所配准的特征点计算变换参数，从而实现无人机影像的拼接。

(2)基于深度学习的无人机影像建筑物特征提取(2学时)

采用先识别后定位的思想，利用卷积神经网络构建无人机建筑物识别和检测模型。实验数据集选取含有部分建筑物的无人机影像，而卷积神经网络作为特征提取器，采用自适应池化模型，使用Fast R-CNN将两个网络进行训练来检测建筑物。通过非下采样轮廓波变换来获取影像纹理特征，并将纹理特征输入网络中参与建筑物提取[12]，将影像特征输入Softmax分类器进行分类，获得建筑物提取结果，并将各自结果进行融合快速准确的检测出影像中的建筑物。

2.3 客观公正的实验考核办法

传统以实验报告为主的实验考核办法单一，考核思路不利于促进学生自主学习以及师生互动。整个考核过程学生处于被考核者的地位，只需应付最后的考核，无法有效地提升学生主动学习的积极性。这种考核办法容易让学生产生得过且过的思想，而且最终成绩不能体现学生在主动学习、交流沟通、PPT汇报等方面的能力[13]。

为了落实新工科提出的“形成以学习者为中心的工程教育模式”，将实验教学的考核办法进行修改，实验最终成绩主要由“代码设计”“实验报告”和“最终成果答辩演示”三部分组成，最终成绩=代码设计成绩×30%+实验报告成绩×30%+最终成果答辩演示成绩×40%，其实验考核参数表如表1所示。整个考核过程始终坚持以学生为中心的理念，学生自主设计代码，运行程序。完成实验后，依据自己的数据和结果写出合理科学的分析报告，并制作PPT汇报自己的成果。

表1 “人工智能+无人机测绘”实验考核参数表

在整个考核中，被考核者将自己的所有成果进行现场演示汇报，教师和参与考核的学生根据被考核者的成果及汇报情况现场打分，最终将所有人所打分数的平均值作为被考核者的最终成绩。这样不但更加客观公正，避免了教师打分的主观性，而且能够较好地杜绝部分学生实验期间不认真做实验，课后抄袭实验报告的情况。此外，这种形式的考核有利于提高学生学习的积极性，并可促进教师与学生、学生与学生之间的互动交流。

3 结语

“无人机测绘”实验课程是一门较为前沿性的课程，课程内容和要求需设置合理，且与最新较为前沿的技术发展成果接轨，将人工智能中的深度学习引入“无人机测绘”实验教学内容中，提出“人工智能+无人机测绘”实验教学改革方案，形成新颖自由的实验教学方式、灵活且富有挑战的实验教学内容和客观公正的实验考核办法，可以切实提高学生的新知识运用能力、代码编写能力、语言表达能力、自主学习和沟通协商能力，培养更多满足新工科要求的创新型人才。