艾明耀，陳智勇，萬(wàn)舒良，付建紅，胡慶武

（武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院，武漢 430079）

0 引言

實(shí)踐教學(xué)對(duì)理工科相關(guān)專業(yè)人才培養(yǎng)至關(guān)重要，是理論知識(shí)和科學(xué)思維向能力轉(zhuǎn)換的過(guò)程和方式，是學(xué)生掌握專業(yè)相關(guān)理論、方法與技術(shù)的必由之路。

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)、深度學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等業(yè)已成為最熱門的新興高科技，在眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。針對(duì)這一現(xiàn)實(shí)情況與發(fā)展趨勢(shì)，我校遙感信息工程學(xué)院調(diào)整了“遙感科學(xué)與技術(shù)”本科專業(yè)的培養(yǎng)方案，將包含定位測(cè)圖相關(guān)內(nèi)容的多門實(shí)踐課程整合為一門“數(shù)字測(cè)圖與GNSS 測(cè)量綜合實(shí)習(xí)”；并在有限課時(shí)的實(shí)踐課程中引入無(wú)人機(jī)教學(xué)內(nèi)容。

“數(shù)字測(cè)圖與GNSS測(cè)量綜合實(shí)習(xí)”的實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)是鞏固學(xué)生所學(xué)地形圖測(cè)量與全球定位衛(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）測(cè)量相關(guān)理論知識(shí)，鍛煉和提高學(xué)生的儀器設(shè)備使用水平與動(dòng)手能力，靈活綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和能力解決實(shí)際工程問(wèn)題；并在工程實(shí)踐中，鍛煉學(xué)生發(fā)現(xiàn)-分析-解決問(wèn)題的能力，拓寬其視野，將其所學(xué)所掌握的理論與實(shí)踐結(jié)合，培養(yǎng)和激發(fā)創(chuàng)新思維，提升專業(yè)素養(yǎng)。針對(duì)課程目標(biāo)，根據(jù)我校的教學(xué)條件和現(xiàn)狀，結(jié)合當(dāng)前測(cè)量技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)，引入無(wú)人機(jī)及相應(yīng)的內(nèi)容對(duì)數(shù)字測(cè)圖與GNSS測(cè)量綜合實(shí)習(xí)課程的內(nèi)容設(shè)置進(jìn)行改革。設(shè)計(jì)的無(wú)人機(jī)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容踐行了武漢大學(xué)遙感信息工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心“分階段、多層次、廣關(guān)聯(lián)、全方位”的理念，注重培養(yǎng)厚基礎(chǔ)、寬專業(yè)、強(qiáng)能力、高素質(zhì)、求創(chuàng)新的人才。

1 數(shù)字測(cè)圖綜合實(shí)習(xí)實(shí)踐課程的問(wèn)題和挑戰(zhàn)

培養(yǎng)方案修改前，遙感科學(xué)與技術(shù)大類專業(yè)本科生開設(shè)了4 門課程，主要教學(xué)內(nèi)容包括測(cè)量基本知識(shí)、基本測(cè)量?jī)x器（全站儀、水準(zhǔn)儀和GPS接收機(jī)）操作及測(cè)圖方法、控制測(cè)量、水準(zhǔn)測(cè)量、碎部測(cè)量、大比例尺數(shù)字測(cè)圖、GPS原理、靜態(tài)測(cè)量、實(shí)時(shí)差分定位（Real-time kinematic，RTK）測(cè)圖等內(nèi)容。其中實(shí)踐課程內(nèi)容主要面向數(shù)字線劃地圖（DLG）制作進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖1 所示。這一課程設(shè)計(jì)雖然使學(xué)生切實(shí)掌握了兩種大比例尺地形圖測(cè)量的方法和技術(shù)，但是缺乏與其他遙感課程內(nèi)容的直接關(guān)聯(lián)，學(xué)生需在相關(guān)課程結(jié)束后自行體悟，缺少將所學(xué)知識(shí)、所掌握的技能進(jìn)行串聯(lián)和對(duì)比的訓(xùn)練，不能形成連續(xù)完整的技術(shù)邏輯認(rèn)知。

圖1 改革前實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)

針對(duì)這一實(shí)際情況，遙感信息工程學(xué)院調(diào)整了相關(guān)課程的設(shè)置，優(yōu)化課程內(nèi)容，改進(jìn)課程設(shè)計(jì)，將4 門課程融合為1 門理論課程“普通測(cè)量學(xué)”和1 門實(shí)踐課程“數(shù)字測(cè)圖與GNSS測(cè)量綜合實(shí)習(xí)”。在理論課程的課間實(shí)驗(yàn)中安排水準(zhǔn)儀、全站儀、GPS接收機(jī)等設(shè)備的操作與使用，完成導(dǎo)線測(cè)量、水準(zhǔn)測(cè)量、GPS 靜態(tài)測(cè)量等基本實(shí)踐任務(wù)；數(shù)字測(cè)圖與GNSS 測(cè)量綜合實(shí)習(xí)作為遙感信息工程學(xué)院的大類平臺(tái)實(shí)踐課程，則要求學(xué)生綜合利用多種測(cè)量?jī)x器，綜合使用控制測(cè)量、水準(zhǔn)測(cè)量、碎部測(cè)量、GNSS、數(shù)字成圖等方法，實(shí)現(xiàn)數(shù)字地形圖的測(cè)制、驗(yàn)收和入庫(kù)。在具體安排中，實(shí)驗(yàn)教師引導(dǎo)學(xué)生明確任務(wù)、逐步開展控制網(wǎng)設(shè)計(jì)、測(cè)量方案設(shè)計(jì)、首級(jí)控制、圖根控制、地形圖測(cè)量、計(jì)算機(jī)繪圖與整飾等工作。該方案更加貼合業(yè)界當(dāng)前的技術(shù)實(shí)踐，創(chuàng)新了測(cè)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)，形成了從基礎(chǔ)到綜合再到設(shè)計(jì)的具有我校遙感特色的測(cè)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容體系。

近年來(lái)，民用無(wú)人機(jī)性能穩(wěn)定操作便捷，在多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域得到了大量的應(yīng)用和發(fā)展。多所高校相繼在測(cè)繪、攝影測(cè)量等課程中引入無(wú)人機(jī)，拓展實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容。王星捷［1］設(shè)計(jì)了一個(gè)六旋翼測(cè)量教學(xué)無(wú)人機(jī)，證實(shí)其精度滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。劉凱等［2］分析了無(wú)人機(jī)應(yīng)用于攝影測(cè)量學(xué)實(shí)踐教學(xué)的可行性，闡述了實(shí)踐教學(xué)的建設(shè)內(nèi)容、保障體系和注意事項(xiàng)。胡騰等［3］探討了無(wú)人機(jī)在攝影測(cè)量學(xué)實(shí)習(xí)中的教學(xué)改革問(wèn)題。柏春嵐［4］設(shè)計(jì)了采用大疆M600 無(wú)人機(jī)進(jìn)行4D 產(chǎn)品生產(chǎn)的實(shí)踐教學(xué)方案。謝鴻宇等［5］設(shè)計(jì)了一個(gè)基于無(wú)人機(jī)的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的教學(xué)實(shí)驗(yàn)。王麗美等［6］提出了無(wú)人機(jī)輔助的攝影測(cè)量學(xué)實(shí)踐教學(xué)體系，但缺乏無(wú)人機(jī)航飛的實(shí)踐環(huán)節(jié)。龔循強(qiáng)等［7］探討了深度學(xué)習(xí)用于無(wú)人機(jī)圖像處理的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。李玉霞等［8］設(shè)計(jì)了一個(gè)無(wú)人機(jī)遙感硬件教學(xué)平臺(tái)，主要服務(wù)于圖像處理和無(wú)人機(jī)飛行控制的實(shí)踐教學(xué)。大多數(shù)高校應(yīng)用無(wú)人機(jī)相關(guān)內(nèi)容改進(jìn)攝影測(cè)量學(xué)實(shí)踐教學(xué)。根據(jù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)規(guī)律，攝影測(cè)量學(xué)課程通常在大二或大三學(xué)年開設(shè)，因而這些教學(xué)設(shè)計(jì)會(huì)忽略像控點(diǎn)測(cè)量、無(wú)人機(jī)手控飛行與航攝區(qū)域飛行等參與度較高的關(guān)鍵實(shí)踐環(huán)節(jié)。針對(duì)這一問(wèn)題，結(jié)合我校實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了面向遙感專業(yè)大一學(xué)生的數(shù)字測(cè)圖綜合實(shí)習(xí)無(wú)人機(jī)實(shí)踐教學(xué)方案，將無(wú)人機(jī)教學(xué)內(nèi)容與數(shù)字測(cè)圖綜合實(shí)驗(yàn)有機(jī)融合，進(jìn)一步改進(jìn)了數(shù)字測(cè)圖與GNSS 測(cè)量綜合實(shí)習(xí)的教學(xué)設(shè)計(jì)。這一創(chuàng)新設(shè)計(jì)既能與數(shù)字測(cè)圖的內(nèi)容相結(jié)合形成完整的無(wú)人機(jī)測(cè)圖實(shí)驗(yàn)，又能為后續(xù)攝影測(cè)量學(xué)等課程培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣。

2 無(wú)人機(jī)遙感數(shù)字測(cè)圖教學(xué)方案設(shè)計(jì)

為培養(yǎng)厚基礎(chǔ)、寬專業(yè)、強(qiáng)能力、高素質(zhì)、求創(chuàng)新人才，提出了結(jié)合無(wú)人機(jī)的遙感數(shù)字測(cè)圖綜合實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)方案。

2.1 無(wú)人機(jī)數(shù)字測(cè)圖綜合實(shí)驗(yàn)課程方案

將無(wú)人機(jī)視為一種測(cè)量設(shè)備，結(jié)合全站儀、水準(zhǔn)儀和GPS接收機(jī)，綜合使用控制測(cè)量、水準(zhǔn)測(cè)量、碎部測(cè)量、GNSS、數(shù)字成圖等方法，實(shí)現(xiàn)數(shù)字地形圖的測(cè)制、驗(yàn)收和入庫(kù)，課程方案如圖2所示。有關(guān)數(shù)字測(cè)圖實(shí)踐教學(xué)模式和內(nèi)容，可參考文獻(xiàn)［9、10］，本文重點(diǎn)介紹無(wú)人機(jī)實(shí)踐教學(xué)部分。

圖2 無(wú)人機(jī)數(shù)字測(cè)圖綜合實(shí)驗(yàn)課程方案

2.2 無(wú)人機(jī)遙感數(shù)字測(cè)圖實(shí)踐教學(xué)方案

無(wú)人機(jī)實(shí)踐教學(xué)方案主要包括無(wú)人機(jī)拆裝、手控飛行、像控點(diǎn)設(shè)測(cè)、無(wú)人機(jī)航飛、無(wú)人機(jī)圖像幾何處理與測(cè)圖，方案及所用設(shè)備和軟件如圖3 所示。需要特別指出的是，安全教育貫徹整個(gè)野外作業(yè)過(guò)程。

圖3 無(wú)人機(jī)遙感實(shí)踐方案

2.2.1 無(wú)人機(jī)拆裝

從安全、使用方便和教學(xué)效果等角度考慮，選用了大疆精靈4RTK無(wú)人機(jī)開展實(shí)踐教學(xué)。該款無(wú)人機(jī)輕便易攜帶（起飛質(zhì)量小于1.5 kg），操作簡(jiǎn)便，性能穩(wěn)定，定位精度高，適用于多個(gè)相關(guān)課程教學(xué)。在本教學(xué)設(shè)計(jì)中，將無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)和飛行原理等內(nèi)容與無(wú)人機(jī)拆裝結(jié)合起來(lái)，讓學(xué)生在安全教育中切實(shí)感受無(wú)人機(jī)技術(shù)及實(shí)物，增強(qiáng)教學(xué)體驗(yàn)感。

2.2.2 手控飛行

手控飛行中需注意遙控器各開關(guān)按鈕的作用及注意事項(xiàng)，遙控器顯示屏中的提示信息等。教學(xué)中應(yīng)強(qiáng)調(diào)無(wú)人機(jī)擺放方向、與自身及他人的距離，無(wú)人機(jī)主機(jī)和遙控器開機(jī)關(guān)機(jī)的先后順序等，飛行中注意觀察無(wú)人機(jī)空中位置、方向和姿態(tài)，遠(yuǎn)離樹木電線等障礙物；尤其強(qiáng)調(diào)起飛、手控飛行及降落過(guò)程中兩手操控的動(dòng)作要輕、慢、柔，確保學(xué)生在學(xué)習(xí)中既能安全自由地體驗(yàn)操作無(wú)人機(jī)飛行的快感，又能掌握無(wú)人機(jī)操控飛行技術(shù)。由于選用的無(wú)人機(jī)性能穩(wěn)定，學(xué)生均能在0.5 h內(nèi)掌握飛行要領(lǐng)，完成起飛、手控飛行與降落等實(shí)驗(yàn)。

2.2.3 像控點(diǎn)設(shè)測(cè)與無(wú)人機(jī)航飛

大一學(xué)生并未接觸攝影測(cè)量學(xué)，對(duì)其原理、方法和技術(shù)并不了解。因此，該教學(xué)環(huán)節(jié)首先結(jié)合“瓦片屋頂構(gòu)造”的實(shí)例講述攝影測(cè)量的原理，使之了解航向重疊和旁向重疊等概念；進(jìn)一步引入拼圖和坐標(biāo)系的概念，介紹像控點(diǎn)的概念和作用，要求學(xué)生在實(shí)習(xí)范圍內(nèi)按“井”字分布布設(shè)“L”或“+”形像控點(diǎn)，并提醒他們制作點(diǎn)之記、在控制測(cè)量中綜合利用全站儀、水準(zhǔn)儀和GPS儀器測(cè)出其坐標(biāo)。

與大疆P4R無(wú)人機(jī)配套的DJI Go 軟件可以輕松設(shè)置航飛任務(wù)，只需要簡(jiǎn)單設(shè)置測(cè)區(qū)范圍、重疊度、航高等即可完成航線設(shè)計(jì)，調(diào)用航線隨即開始無(wú)人機(jī)航飛任務(wù)。任務(wù)結(jié)束無(wú)人機(jī)自行降落于起飛點(diǎn)，偏差不超過(guò)5 cm。在實(shí)踐中仍需注意檢查確認(rèn)學(xué)生的航區(qū)、航線等，要求學(xué)生保持與無(wú)人機(jī)的距離等，在安全的環(huán)境中順利開展航飛實(shí)驗(yàn)。

2.2.4 數(shù)字圖像幾何處理

遙感圖像幾何處理主要為影像空三和正射影像圖（Digital Orthophoto Map，DOM）生成。盡管其中技術(shù)原理復(fù)雜，但當(dāng)前國(guó)內(nèi)外攝影測(cè)量軟件均已達(dá)到一鍵式傻瓜操作的水平。ContextCapture（Smart3D）、Photoscan、Pix4D、大疆智圖、大勢(shì)重建大師等軟件均可一鍵式處理得到DOM。這一階段的實(shí)驗(yàn)可以跳過(guò)背后的技術(shù)原理，但需指導(dǎo)學(xué)生將已學(xué)知識(shí)進(jìn)行結(jié)合，例如飛控WGS84 坐標(biāo)系與像控點(diǎn)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，并將其對(duì)攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)相關(guān)處理的原理性問(wèn)題引向以后的課程。知識(shí)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)不僅將前后課程內(nèi)容和技術(shù)邏輯連通，并且激發(fā)學(xué)生對(duì)以后課程的興趣。

2.2.5 基于DOM 與全站儀-GPS RTK 草圖結(jié)合的數(shù)字成圖

為了完成一幅大比例尺地形圖，我校在數(shù)字測(cè)圖實(shí)踐課程中創(chuàng)新地將基于DOM的成圖方式與傳統(tǒng)的全站儀-GPS RTK草圖模式相結(jié)合，減少外業(yè)測(cè)量工作量。學(xué)生充分發(fā)揮其主觀能動(dòng)性，將被動(dòng)任務(wù)型實(shí)驗(yàn)變?yōu)橹鲃?dòng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，依靠團(tuán)隊(duì)群策群力共同完成地形圖測(cè)量與繪制。

3 無(wú)人機(jī)數(shù)字測(cè)圖實(shí)踐教學(xué)方案成效

本方案在2019～2020 年的數(shù)字測(cè)圖綜合實(shí)驗(yàn)課程中得到了應(yīng)用和驗(yàn)證。兩年共600 多名大一學(xué)生均在4 學(xué)時(shí)內(nèi)掌握了無(wú)人機(jī)操控與航飛，并將幾何處理得到的正射影像用于測(cè)圖。為期3 周的實(shí)習(xí)展現(xiàn)出學(xué)生們能夠吃苦耐勞，認(rèn)真完成各種實(shí)習(xí)任務(wù)，遇到不懂的也會(huì)和老師探討，或小組內(nèi)討論，最終能夠綜合使用不同的設(shè)備、運(yùn)用不同的定位和測(cè)圖技術(shù)實(shí)現(xiàn)地形圖的測(cè)制。學(xué)生實(shí)習(xí)報(bào)告中的體會(huì)反響良好，體現(xiàn)出實(shí)習(xí)收效超過(guò)學(xué)生預(yù)期，實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)設(shè)置較為豐富，能夠鍛煉并提升學(xué)生的動(dòng)手能力和綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力，激發(fā)了學(xué)生思考和探索的興趣。學(xué)生實(shí)習(xí)成果完成度較高，證實(shí)了無(wú)人機(jī)遙感數(shù)字測(cè)圖實(shí)踐教學(xué)方案的效果。

4 結(jié)語(yǔ)

介紹了我校數(shù)字測(cè)圖與GNSS測(cè)量綜合實(shí)習(xí)教學(xué)改革方案，并將消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)引入本科大一學(xué)生的實(shí)踐教學(xué)中，大膽嘗試并創(chuàng)新了數(shù)字測(cè)圖實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。設(shè)計(jì)的無(wú)人機(jī)實(shí)踐教學(xué)方案得到了學(xué)生的認(rèn)可，改進(jìn)的數(shù)字測(cè)圖實(shí)驗(yàn)課程被學(xué)生評(píng)為“還想重修的實(shí)踐課”，可見教學(xué)參與度和體驗(yàn)感均比以前有較大提高。該實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)體現(xiàn)出無(wú)人機(jī)新技術(shù)與傳統(tǒng)數(shù)字測(cè)圖實(shí)踐教學(xué)模式相結(jié)合的思路，提高了學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，增強(qiáng)了學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)意識(shí)，達(dá)到了改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的，同時(shí)也促進(jìn)了高校遙感相關(guān)專業(yè)本科實(shí)踐課程教學(xué)的先進(jìn)性、科學(xué)性和規(guī)范化。