黃方　行敏鋒　陸俊

[摘 要]針對無人機遙感技術的迅猛發(fā)展，結合學校專業(yè)特色以及專業(yè)需求，從課程體系結構設計、課程建設設計思路和課程實踐模塊設計等三個主要方面探討挑戰(zhàn)性課程無人機遙感的教學實踐課程設計模式。其中，課程體系結構具有硬件與軟件結合、理論與實踐結合、應用與產品結合、挑戰(zhàn)性與實踐性結合的優(yōu)勢。具體的課程建設將無人機硬件、數據采集、處理等與本校、本專業(yè)特色緊密結合起來，形成完整的模塊化技術體系；將無人機與本專業(yè)具體應用結合起來，融合相關典型課程的重點、難點知識點，構建完整的產品生產技術體系；建立滿足教學需求的實驗驗證性平臺，得到典型性示范驗證成果，構建較為完善的實驗教學和實踐教學方法與規(guī)則。課程實踐模塊設計采用三級遞進式的模式進行：引導基礎性實驗項目/技能培養(yǎng)層級；體現學生參與深度與廣度/自主實驗層級；挑戰(zhàn)性實驗項目/實驗層級。課程建設能極大地鍛煉學生的動手、動腦能力，培養(yǎng)極具特色的、滿足用人單位急需的前沿性緊缺人才。

[關鍵詞]挑戰(zhàn)性課程；無人機遙感；課程設計；課程教學實踐；工程能力培養(yǎng)

[中圖分類號] G642.3 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2019）05-0049-04

一、概述

由于無人機（Unmanned Aerial， UA）具備可執(zhí)行高危險任務、執(zhí)行人類生理特點限制任務、成本低、易隱蔽等優(yōu)點，最初被廣泛運用在軍事上，作為偵查和作戰(zhàn)使用[1]。但隨著技術的成熟，其生產成本降低，最后逐步進入到民用領域。2002年，美國國家航空航天局成立的無人機應用中心，便一直致力于無人機的民用研究。此外，歐洲、韓國、日本、澳大利亞等國也加快了無人機民用化步伐[2]。國內真正意義上的第一架民用無人機誕生于20世紀80年代，是由西北工業(yè)大學研發(fā)的D-4無人機，它開創(chuàng)了中國無人機軍用轉民用的先河。2007年后，民用無人機制造商便如雨后春筍般涌現[3]。正是由于民用無人機的蓬勃發(fā)展，無人機遙感技術才得以逐漸發(fā)展起來。

遙感技術（Remote Sensing， RS）目前已經廣泛應用到測繪、環(huán)境監(jiān)測、農業(yè)、國防、交通、災害監(jiān)測、氣象和能源等關乎國計民生的各個領域[4-7]。隨著應用面的拓展，衛(wèi)星遙感存在的時效性不強、重返周期長、空間分辨率不高等問題也暴露出來。而無人機遙感（UA-based RS）作為一種新興的低空遙感技術，它具有一系列衛(wèi)星遙感和傳統(tǒng)航空遙感所不具備的優(yōu)點，是獲取遙感影像不可或缺的補充手段[8]。在起降方式上，無人機的起降方式較傳統(tǒng)的航空遙感和衛(wèi)星遙感而言更為靈活多樣，所需的起降條件也更為簡單，一般可通過彈射起飛和傘降的方式實現起降，同時在起降條件允許的情況下，可實現隨時起降，時效性強，并且沒有固定的重返周期。在飛行高度上，無人機為近地飛行，飛行高度一般在300米至1000米之間，因此可以保證所獲取的影像具有較高的空間分辨率，以及不存在因為云層遮擋導致無法獲取到有效數據的問題。在成本上，由于無人機的快速發(fā)展，以及無人機生產廠商之間的競爭加大，使得無人機的使用越來越普遍。較傳統(tǒng)的航空遙感而言，其成本實屬較低；在安全性能上，無人機可到達一些人無法到達的區(qū)域，能減少操作人員可能出現的安全問題 [9]。

無人機遙感具備快速的機動響應及監(jiān)測能力、簡便的操作方法、低廉的使用成本、直觀全面的獲取高分辨率遙感影像數據等優(yōu)勢，這使得無人機遙感應用越來越廣泛[10-12]。目前，無人機遙感主要應用在國土監(jiān)測、地質災害監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、城市綠化監(jiān)測以及應急保障等方面[13]，同時也廣泛應用于氣象監(jiān)測與預報、海事等行業(yè)中[14]。除此之外，隨著我國數字航空測量設備的像素提高，以及無人機具有的靈活度高、對起降場地的要求相對較低、操作簡單、質量可靠等特點，無人機遙感在測繪行業(yè)中也被廣泛應用[15]。

目前，利用無人機遙感技術進行數字測繪產品生產主要是利用單鏡頭和多鏡頭的方式開展。單鏡頭方式獲取的影像可以先通過Pix4Dmapper等軟件進行空三加密，然后再在MapMatrix或其他軟件下進行數據的進一步處理，從而生成4D產品（數字地表模型（Digital Surface Mode， DSM）數字高程模型如Digital Elevation Mode， DEM）、數字正射影像圖（Digital Orthophoto Map， DOM）以及數字線劃地圖（Digital Line Graphic， DLG）等。多鏡頭方式中用到最多的是五鏡頭，由五鏡頭進行的拍攝測量也稱為傾斜攝影測量。傾斜攝影測量技術[16]是通過在同一飛行平臺搭載多臺傳感器，從不同的角度進行數據的采集[17]。作為一種新興的測量技術，它改變了以往航測只能從垂直角度拍攝的局限性[18]，同時在獲取影像時，它要求航向重疊率在60%～80%之間，旁向重疊率在15%～60%之間，因此通過傾斜攝影測量獲得的數據更能真實反應地物情況。傾斜攝影測量技術極大地擴展了遙感影像的應用領域，使遙感影像的行業(yè)應用更加深入，特別在地物三維建模方面具有極大的優(yōu)勢[19]。基于無人機傾斜攝影測量的實景三維建模軟件現在市面上也有很多，其中較為成熟的有法國Acute3d公司的Smart3DCapture，街景工廠等，用這些軟件可以輕松簡單地構建出實景三維模型。無人機遙感技術不論是在搶險救災、工程測量，還是在將來的智慧城市發(fā)展中，都起著不可替代的作用。

可見，無人機遙感技術改變了以往航測只能從垂直角度拍攝的局限性，它通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，從不同的角度采集數據，最后生成的產品提高了用戶的真實直觀體驗感?；跓o人機遙感技術不僅可以生成對應的數字產品，如DSM、DEM、DOM、DLG等，還可以進行三維建模和可視化研究。此外，還可以搭載多/高光譜儀器、熱紅外成像儀、LiDAR（Light Detection And Ranging）等開展相關領域的作業(yè)與應用。

綜上，與無人機蓬勃的發(fā)展相比，如何在傳統(tǒng)地學技術領域應用無人機遙感技術，卻存在一定的問題與障礙。目前，我院空間信息與數字技術專業(yè)涵蓋專業(yè)課程較多，涉及面也較廣，但課程之間整體融合的力度需進一步提升。同時，專業(yè)課程多強調理論學習，在學生動手能力培養(yǎng)以及軟件與硬件結合方面，仍待進一步強化。此外，整體課程設置在體現電子科技大學電子信息學科優(yōu)勢的特色上，亟須加強。為了改變這種現狀，圍繞“本科精英人才”培養(yǎng)體系，結合學院的“電子信息+地球科學”工作思路，建設一門基于無人機硬件平臺，融合數字攝影測量、遙感、測量學、地圖學、三維可視化等專業(yè)基礎課，研究并開發(fā)出一門多課程深度融合的、具有挑戰(zhàn)性的課程，具有非常重要的理論探索和實際應用價值。該課程涵蓋硬件軟件，涉及空間數據獲取、處理、應用各個環(huán)節(jié)，且與傳統(tǒng)的地學相關課程聯系緊密。然而，雖然無人機技術得到了迅猛發(fā)展和廣泛應用，但無人機遙感方面的研究還遠未形成完整體系，造成無人機遙感這門挑戰(zhàn)性課程的建設還存在一定困難。因此，探討該課程建設的設計模式具有重要的現實意義。

二、課程設計模式研究

該挑戰(zhàn)性課程的建設設計模式研究將從課程體系結構設計、課程建設設計思路和課程實踐模塊設計等三個主要方面展開。

（一）課程體系結構設計

基于無人機平臺，融合數字攝影測量、遙感、地理信息系統(tǒng)、測量學、地圖學等學科相關理論基礎，突破基于無人機遙感應用技術的重點、難點問題，包括無人機航線規(guī)劃、同名點匹配、區(qū)域網聯合平差、數字表面模型生產、正射影像糾正以及基于多/高光譜載荷的地物波譜特性探測與處理等；構建從無人機硬件到三維可視化建模[20-22]、典型4D數字產品生成（DSM、DEM、DOM、DLG）[23]，以及搭載多/高光譜載荷的地物目標探測應用的全鏈條應用技術體系；形成較為完整的基于無人機遙感應用技術的實踐課程教學體系結構（圖1）。

其中，該體系結構具有的優(yōu)勢主要表現在以下幾個方面。

1.硬件與軟件的結合。將無人機相關硬件，如無人機平臺、云臺、飛控、數傳、圖傳、導航定位、傳感器等器件設計組裝與數據處理算法、空中三角測量加密、影像三維可視化以及傳統(tǒng)遙感圖像處理等結合起來，形成一個較為完善的無人機遙感影像數據采集與處理過程。

2.理論與實踐的結合?；陲w行原理、航空氣象、旋翼無人機機理、傾斜攝影測量、三維建模及可視化等基礎理論，結合無人機遙感數據獲取到處理過程中存在的諸多難點問題，如無人機航線規(guī)劃、同名點匹配、區(qū)域網聯合平差、正射影像糾正以及數字表面模型生產、土地利用分類算法等，本課程以任務為驅動組織教學內容，通過對問題、任務的剖析（理論與實踐），采用“教、學、做”一體的方式，達到讓學生掌握理論知識與技能的目的。

3.應用與產品的結合。針對無人機的應用領域，以采集到的無人機遙感數據為基礎，形成三維可視化建模、典型4D數字產品（DSM、DEM、DOM、DLG）、土地利用分類產品等。

4.挑戰(zhàn)性實踐課題?；谇懊婊A知識的學習以及實踐，結合學生的專業(yè)、興趣以及特長等，開展如多旋翼無人機組裝、調試與飛控系統(tǒng)優(yōu)化、區(qū)域的大比例尺數字地圖研制、區(qū)域實景三維模型構建、單體化建模研究、基于無人機與高光譜結合的區(qū)域病蟲害監(jiān)測應用研究等一系列挑戰(zhàn)性實踐課題，使學生達到真正意義上的學做一體。

（二）課程建設設計思路

學生首先要了解項目課題涉及的知識廣度和專業(yè)深度，以及系統(tǒng)規(guī)劃、功能、需要達成的指標等， 在廣泛查閱文獻資料、團隊研究探討的基礎上進行項目的規(guī)劃、設計，同時預留部分學習知識的時間。

為了更好地增強無人機遙感技術課程的挑戰(zhàn)性，課程建設將從以下幾個方面發(fā)力。

1.將無人機硬件、數據采集、處理等與本校、本專業(yè)特色緊密結合起來，形成完整的模塊化技術體系。模塊體現可以考慮無人機軟硬件系統(tǒng)調試與研發(fā)模塊、無人機實踐飛行與多源空間數據采集模塊、無人機遙感數據處理與應用模塊等。

2.將無人機與本專業(yè)的具體應用結合起來，融合相關典型課程的重點、難點知識點，構建完整的產品生產技術體系。模塊體現可以考慮基于無人機遙感數據的三維建筑物建模與可視化模塊、4D產品生成模塊，以及多/高光譜遙感應用產品模塊等。

3.建立滿足教學需求的實驗驗證性平臺，得到典型性示范驗證成果，構建較為完善的實驗教學和實踐教學方法與規(guī)則。

（三）課程實踐模塊設計

該課程擬采用三級遞進式的實踐模式進行，分別是：1.引導基礎性實驗項目/技能培養(yǎng)層級；2.體現學生參與深度與廣度/自主實驗層級；3.挑戰(zhàn)性實驗項目/實驗層級。各個層級涉及的主要實踐模塊如下。

（1）引導基礎性實驗項目/技能

· 無人機模擬器及模擬軟件的操控基礎訓練；

· 多旋翼無人機組裝、測試與無人機試飛；

· 航線規(guī)劃及無人機地面站軟件使用；

· 無人機數據獲取及4D產品生成技術；

· 無人機傾斜攝影測量（5鏡頭）及三維建模與可視化；

· 無人機多/高光譜遙感數據獲取與應用實驗。

（2）體現學生參與深度與廣度/自主實驗

· 獲取清水河校區(qū)無人機攝影測量數據，制作校區(qū)遙感影像地圖（部分）、完成整體地圖的拼接（整體）（體現無人機遙感技術的方法與應用層次）。

· 利用單兵無人機（單鏡頭），形成無人機（5鏡頭）的數據，并進行建模，生成清水河校區(qū)的三維模型（部分），完成整個校區(qū)的三維可視化模型；（體現無人機遙感的原理、方法與應用）。

· 三維建模過程中，最為耗時的是數據處理。本課程針對數據處理的時效問題，開發(fā)并實現相應的三維建模并行算法（體現無人機遙感的軟件開發(fā)、應用）。

· 制備LiDar/熱紅外傳感器設備及控制系統(tǒng)，進行對應的無人機遙感應用實驗（三維模型、熱紅外產品生成）及數據處理等（體現無人機遙感的硬件、方法與應用）。

（3）挑戰(zhàn)性實驗項目/實驗

· 多旋翼無人機組裝、調試與飛控系統(tǒng)優(yōu)化；

· 基于無人機的區(qū)域大比例尺數字地圖研制；

· 基于傾斜攝影測量的區(qū)域實景三維模型構建；

· 基于無人機遙感的單體化建模研究；

· 基于無人機與高光譜結合的區(qū)域病蟲害監(jiān)測應用研究；

· 基于無人機與LIDAR結合的區(qū)域三維建模研究；

· 基于無人機與計算機視覺結合的快速三維地圖構建技術研究。

根據上述設計模式，制定了如表1所示的各周師生交互的主題列表（表1）。學生首先了解項目課題涉及的知識廣度和專業(yè)深度，以及系統(tǒng)規(guī)劃、功能、需要達成的指標等， 在廣泛查閱文獻資料、團隊研究探討的基礎上進行項目的規(guī)劃、設計，同時預留部分學習知識的時間。

三、結束語

通過如上課程建設，可以實現：1.緊跟遙感、GIS技術方向的最前沿，打通相關課程的重點、難點理論與技術，探索前沿技術與本專業(yè)的應用結合點，形成理論與實踐緊密聯系、硬件與軟件兼?zhèn)涞氖痉缎蕴魬?zhàn)性實踐教學性課程；2.將極大地鍛煉學生的動手、動腦能力，培養(yǎng)極具特色的、滿足用人單位急需的前沿性緊缺人才。

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[責任編輯：陳 明]