遥感科学与技术专业无人机数字测图实践教学设计

艾明耀，陈智勇，万舒良，付建红，胡庆武

（武汉大学遥感信息工程学院，武汉 430079）

0 引言

实践教学对理工科相关专业人才培养至关重要，是理论知识和科学思维向能力转换的过程和方式，是学生掌握专业相关理论、方法与技术的必由之路。

近年来，无人机、深度学习、大数据技术等业已成为最热门的新兴高科技，在众多领域得到广泛应用。针对这一现实情况与发展趋势，我校遥感信息工程学院调整了“遥感科学与技术”本科专业的培养方案，将包含定位测图相关内容的多门实践课程整合为一门“数字测图与GNSS 测量综合实习”；并在有限课时的实践课程中引入无人机教学内容。

“数字测图与GNSS测量综合实习”的实践教学目标是巩固学生所学地形图测量与全球定位卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）测量相关理论知识，锻炼和提高学生的仪器设备使用水平与动手能力，灵活综合运用所学知识和能力解决实际工程问题；并在工程实践中，锻炼学生发现-分析-解决问题的能力，拓宽其视野，将其所学所掌握的理论与实践结合，培养和激发创新思维，提升专业素养。针对课程目标，根据我校的教学条件和现状，结合当前测量技术的现状与发展趋势，引入无人机及相应的内容对数字测图与GNSS测量综合实习课程的内容设置进行改革。设计的无人机实践教学内容践行了武汉大学遥感信息工程国家级实验教学示范中心“分阶段、多层次、广关联、全方位”的理念，注重培养厚基础、宽专业、强能力、高素质、求创新的人才。

1 数字测图综合实习实践课程的问题和挑战

培养方案修改前，遥感科学与技术大类专业本科生开设了4 门课程，主要教学内容包括测量基本知识、基本测量仪器（全站仪、水准仪和GPS接收机）操作及测图方法、控制测量、水准测量、碎部测量、大比例尺数字测图、GPS原理、静态测量、实时差分定位（Real-time kinematic，RTK）测图等内容。其中实践课程内容主要面向数字线划地图（DLG）制作进行设计，如图1 所示。这一课程设计虽然使学生切实掌握了两种大比例尺地形图测量的方法和技术，但是缺乏与其他遥感课程内容的直接关联，学生需在相关课程结束后自行体悟，缺少将所学知识、所掌握的技能进行串联和对比的训练，不能形成连续完整的技术逻辑认知。

图1 改革前实践教学设计

针对这一实际情况，遥感信息工程学院调整了相关课程的设置，优化课程内容，改进课程设计，将4 门课程融合为1 门理论课程“普通测量学”和1 门实践课程“数字测图与GNSS测量综合实习”。在理论课程的课间实验中安排水准仪、全站仪、GPS接收机等设备的操作与使用，完成导线测量、水准测量、GPS 静态测量等基本实践任务；数字测图与GNSS 测量综合实习作为遥感信息工程学院的大类平台实践课程，则要求学生综合利用多种测量仪器，综合使用控制测量、水准测量、碎部测量、GNSS、数字成图等方法，实现数字地形图的测制、验收和入库。在具体安排中，实验教师引导学生明确任务、逐步开展控制网设计、测量方案设计、首级控制、图根控制、地形图测量、计算机绘图与整饰等工作。该方案更加贴合业界当前的技术实践，创新了测量实验教学设计，形成了从基础到综合再到设计的具有我校遥感特色的测量实验教学内容体系。

近年来，民用无人机性能稳定操作便捷，在多个学科领域得到了大量的应用和发展。多所高校相继在测绘、摄影测量等课程中引入无人机，拓展实践教学内容。王星捷［1］设计了一个六旋翼测量教学无人机，证实其精度满足国家标准。刘凯等［2］分析了无人机应用于摄影测量学实践教学的可行性，阐述了实践教学的建设内容、保障体系和注意事项。胡腾等［3］探讨了无人机在摄影测量学实习中的教学改革问题。柏春岚［4］设计了采用大疆M600 无人机进行4D 产品生产的实践教学方案。谢鸿宇等［5］设计了一个基于无人机的数字摄影测量的教学实验。王丽美等［6］提出了无人机辅助的摄影测量学实践教学体系，但缺乏无人机航飞的实践环节。龚循强等［7］探讨了深度学习用于无人机图像处理的实验环节。李玉霞等［8］设计了一个无人机遥感硬件教学平台，主要服务于图像处理和无人机飞行控制的实践教学。大多数高校应用无人机相关内容改进摄影测量学实践教学。根据专业课程的学习规律，摄影测量学课程通常在大二或大三学年开设，因而这些教学设计会忽略像控点测量、无人机手控飞行与航摄区域飞行等参与度较高的关键实践环节。针对这一问题，结合我校实际情况，设计了面向遥感专业大一学生的数字测图综合实习无人机实践教学方案，将无人机教学内容与数字测图综合实验有机融合，进一步改进了数字测图与GNSS 测量综合实习的教学设计。这一创新设计既能与数字测图的内容相结合形成完整的无人机测图实验，又能为后续摄影测量学等课程培养学习兴趣。

2 无人机遥感数字测图教学方案设计

为培养厚基础、宽专业、强能力、高素质、求创新人才，提出了结合无人机的遥感数字测图综合实验课程设计方案。

2.1 无人机数字测图综合实验课程方案

将无人机视为一种测量设备，结合全站仪、水准仪和GPS接收机，综合使用控制测量、水准测量、碎部测量、GNSS、数字成图等方法，实现数字地形图的测制、验收和入库，课程方案如图2所示。有关数字测图实践教学模式和内容，可参考文献［9、10］，本文重点介绍无人机实践教学部分。

图2 无人机数字测图综合实验课程方案

2.2 无人机遥感数字测图实践教学方案

无人机实践教学方案主要包括无人机拆装、手控飞行、像控点设测、无人机航飞、无人机图像几何处理与测图，方案及所用设备和软件如图3 所示。需要特别指出的是，安全教育贯彻整个野外作业过程。

图3 无人机遥感实践方案

2.2.1 无人机拆装

从安全、使用方便和教学效果等角度考虑，选用了大疆精灵4RTK无人机开展实践教学。该款无人机轻便易携带（起飞质量小于1.5 kg），操作简便，性能稳定，定位精度高，适用于多个相关课程教学。在本教学设计中，将无人机结构和飞行原理等内容与无人机拆装结合起来，让学生在安全教育中切实感受无人机技术及实物，增强教学体验感。

2.2.2 手控飞行

手控飞行中需注意遥控器各开关按钮的作用及注意事项，遥控器显示屏中的提示信息等。教学中应强调无人机摆放方向、与自身及他人的距离，无人机主机和遥控器开机关机的先后顺序等，飞行中注意观察无人机空中位置、方向和姿态，远离树木电线等障碍物；尤其强调起飞、手控飞行及降落过程中两手操控的动作要轻、慢、柔，确保学生在学习中既能安全自由地体验操作无人机飞行的快感，又能掌握无人机操控飞行技术。由于选用的无人机性能稳定，学生均能在0.5 h内掌握飞行要领，完成起飞、手控飞行与降落等实验。

2.2.3 像控点设测与无人机航飞

大一学生并未接触摄影测量学，对其原理、方法和技术并不了解。因此，该教学环节首先结合“瓦片屋顶构造”的实例讲述摄影测量的原理，使之了解航向重叠和旁向重叠等概念；进一步引入拼图和坐标系的概念，介绍像控点的概念和作用，要求学生在实习范围内按“井”字分布布设“L”或“+”形像控点，并提醒他们制作点之记、在控制测量中综合利用全站仪、水准仪和GPS仪器测出其坐标。

与大疆P4R无人机配套的DJI Go 软件可以轻松设置航飞任务，只需要简单设置测区范围、重叠度、航高等即可完成航线设计，调用航线随即开始无人机航飞任务。任务结束无人机自行降落于起飞点，偏差不超过5 cm。在实践中仍需注意检查确认学生的航区、航线等，要求学生保持与无人机的距离等，在安全的环境中顺利开展航飞实验。

2.2.4 数字图像几何处理

遥感图像几何处理主要为影像空三和正射影像图（Digital Orthophoto Map，DOM）生成。尽管其中技术原理复杂，但当前国内外摄影测量软件均已达到一键式傻瓜操作的水平。ContextCapture（Smart3D）、Photoscan、Pix4D、大疆智图、大势重建大师等软件均可一键式处理得到DOM。这一阶段的实验可以跳过背后的技术原理，但需指导学生将已学知识进行结合，例如飞控WGS84 坐标系与像控点坐标系的转换，并将其对摄影测量内业相关处理的原理性问题引向以后的课程。知识点的关联不仅将前后课程内容和技术逻辑连通，并且激发学生对以后课程的兴趣。

2.2.5 基于DOM 与全站仪-GPS RTK 草图结合的数字成图

为了完成一幅大比例尺地形图，我校在数字测图实践课程中创新地将基于DOM的成图方式与传统的全站仪-GPS RTK草图模式相结合，减少外业测量工作量。学生充分发挥其主观能动性，将被动任务型实验变为主动创新设计型实验，依靠团队群策群力共同完成地形图测量与绘制。

3 无人机数字测图实践教学方案成效

本方案在2019～2020 年的数字测图综合实验课程中得到了应用和验证。两年共600 多名大一学生均在4 学时内掌握了无人机操控与航飞，并将几何处理得到的正射影像用于测图。为期3 周的实习展现出学生们能够吃苦耐劳，认真完成各种实习任务，遇到不懂的也会和老师探讨，或小组内讨论，最终能够综合使用不同的设备、运用不同的定位和测图技术实现地形图的测制。学生实习报告中的体会反响良好，体现出实习收效超过学生预期，实习环节设置较为丰富，能够锻炼并提升学生的动手能力和综合运用所学知识的能力，激发了学生思考和探索的兴趣。学生实习成果完成度较高，证实了无人机遥感数字测图实践教学方案的效果。

4 结语

介绍了我校数字测图与GNSS测量综合实习教学改革方案，并将消费级无人机引入本科大一学生的实践教学中，大胆尝试并创新了数字测图实验教学内容。设计的无人机实践教学方案得到了学生的认可，改进的数字测图实验课程被学生评为“还想重修的实践课”，可见教学参与度和体验感均比以前有较大提高。该实践教学设计体现出无人机新技术与传统数字测图实践教学模式相结合的思路，提高了学生的动手实践能力，增强了学生创新设计意识，达到了改革实验教学的目的，同时也促进了高校遥感相关专业本科实践课程教学的先进性、科学性和规范化。