消費級無人機(jī)在GIS本科教學(xué)中的應(yīng)用研究

楊博丞，蔣兆恒

（通化師范學(xué)院，吉林通化 134000）

GIS全稱Geographic Information Science，即地理信息科學(xué)，是近些年發(fā)展迅速的新興學(xué)科，在地里信息科學(xué)本科教育經(jīng)過一段時間的發(fā)展后越發(fā)被社會各界認(rèn)可，進(jìn)而產(chǎn)生了有針對性的教育發(fā)展方向研究，既消費級無人機(jī)用于地理信息科學(xué)本科教學(xué)的應(yīng)用方向研究。無人駕駛飛機(jī)簡稱“無人機(jī)”，是由地面控制系統(tǒng)，空中運載平臺和搭載組件組成，用無線電遠(yuǎn)程控制或利用設(shè)備自身程序控制，裝置操控的不載人飛機(jī)的統(tǒng)稱。根據(jù)無人機(jī)相關(guān)用途的分類，無人機(jī)可以分為軍用無人機(jī)和民用無人機(jī)，其中民用無人機(jī)又可以分為專業(yè)級無人機(jī)和消費級無人機(jī)兩種[1]。軍用無人機(jī)應(yīng)用在國防偵查、對敵戰(zhàn)斗、搜救巡邏等方面擁有軍事壟斷性；民用無人機(jī)有運用在各專業(yè)領(lǐng)域的專業(yè)無人機(jī)，如：保值無人機(jī)、管線巡查無人機(jī)、環(huán)境監(jiān)測無人機(jī)等，有專業(yè)性高、售價昂貴的特點,以及用于消費娛樂用途讓愛好者業(yè)余飛行使用的消費級無人機(jī)。隨著新興科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，無人飛行器作為新技術(shù)、新產(chǎn)品其發(fā)展十分迅猛并孕育著新一輪產(chǎn)業(yè)革命和升級，新興產(chǎn)業(yè)正在成為引領(lǐng)未來經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要力量。國家對于無人飛行器高度重視，社會各界積極參與，已經(jīng)顯示出良好的發(fā)展勢頭和美好前景，形成了大規(guī)模研發(fā)、集群生產(chǎn)的模式。低空空域開放及通航新政策加速了無人飛行器與國民經(jīng)濟(jì)和民生的融合，帶動眾多產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。將消費級無人機(jī)運用到地理信息科學(xué)本科教學(xué)中，對培養(yǎng)地理信息科學(xué)專業(yè)人才，促進(jìn)無人機(jī)的推廣和應(yīng)用具有重要意義。

1 消費級無人機(jī)的性能及優(yōu)勢特點

消費級無人機(jī)屬于民用無人機(jī)，顧名思義特指無人機(jī)產(chǎn)品中面向個人消費者或群體、主要用于娛樂和航拍功能的無人航空飛行器，一般以四軸或六軸的多旋翼機(jī)型為主。從功能上來說，消費級無人機(jī)具備專業(yè)無人機(jī)的一些基本功能，如自主飛行功能、自動定位功能和空中懸停功能等，但是其相對低廉的售價相比于專業(yè)無人機(jī)來說，更適合日常消費使用，故而在現(xiàn)今商業(yè)模式下衍生出了越來越多的消費級無人機(jī)產(chǎn)品。

1.1 常見消費級無人機(jī)性能技術(shù)參數(shù)

該文以最為常見的消費級無人機(jī)廠商大疆、億航智能、Parrot派諾特的相關(guān)產(chǎn)品及其性能技術(shù)參數(shù)進(jìn)行簡要介紹。

1.1.1 大疆精靈4無人機(jī)性能技術(shù)參數(shù)

精靈4（DJIPhantom 4 Advanced）是大疆無人機(jī)公司精靈系列產(chǎn)品線中的第四代無人機(jī)產(chǎn)品，其售價為7999元起，按照上文提到的無人機(jī)分類，屬于典型的民用消費級無人機(jī)，因為用戶廣泛、保有率高，可以作為消費級無人機(jī)的案例進(jìn)行介紹。精靈4無人機(jī)繼承了精靈系列一貫的安全、穩(wěn)定、靈活的產(chǎn)品特性，加入雙IUM組件和避障系統(tǒng)，理論飛行續(xù)航時間也較上一代有明顯提升，達(dá)到30min，使飛行期間更加持久和安全可靠。精靈4采用雙模衛(wèi)星定位模塊，能夠為用戶提供精準(zhǔn)位置信息，對后期圖像定位提供有力保障。最大飛行高度為6000m，最大承受風(fēng)速10m/h。教學(xué)實踐過程中很少涉及極端天氣和惡劣地形的因素影響，故能夠滿足日常飛行的需要。精靈4的相機(jī)系統(tǒng)可以提供可靠、靈活的拍照方法，根據(jù)不同的光線環(huán)境條件可以調(diào)節(jié)至適當(dāng)模式進(jìn)行拍攝，從而獲取符合要求的航拍數(shù)字影像。

1.1.2 億航智能無人機(jī)性能技術(shù)參數(shù)

億航GHOSTDRONE2.0旗艦版是億航智能專門針對無專業(yè)需求的普通消費者打造的一款無人機(jī)航拍產(chǎn)品。其旗艦版本的售價為5999元，機(jī)型與精靈4相仿，也屬于民用消費級無人機(jī)行列。穩(wěn)定續(xù)航時間25min，最大水平飛行速度40千米/小時（GPS模式）/70 km/h(手動模式)，最大傳輸距離1000m，最大抗風(fēng)等級5級，可以滿足日常飛行需求。其搭載4K球形相機(jī)有效像素達(dá)到1200萬，可以手動調(diào)節(jié)ISO值從而達(dá)到預(yù)定拍攝要求，可以通過GPS模塊獲取飛行器的精準(zhǔn)定位信息，達(dá)到基本的定位需求。

1.1.3 派諾特?zé)o人機(jī)性能技術(shù)參數(shù)

Parrot ANAFI 4K航拍無人機(jī)是由派諾特貿(mào)易（深圳）有限公司研制銷售的消費級無人機(jī)產(chǎn)品。其完全展開后的小尺寸和4899元的起售價格受到廣大消費者的歡迎。其最大續(xù)航時間可達(dá)25min，最大時速55km/h，最大抗風(fēng)性能50km/h，具有GPS和GLONASS雙定位系統(tǒng)，能夠提供穩(wěn)定飛行能力和精準(zhǔn)定位功能。它搭載1/2.4英寸CMOS，能提供最高2100萬像素的航拍相片，可手動調(diào)節(jié)快門、光圈和感光度，為拍攝符合要求的航空相片提供基礎(chǔ)。

綜合上述3款無人機(jī)產(chǎn)品的主要性能技術(shù)參數(shù)（見表1），可以看出消費級無人機(jī)產(chǎn)品的性能完全能夠達(dá)到本科教學(xué)用航拍標(biāo)準(zhǔn)，飛行數(shù)據(jù)和影像可以用于相關(guān)專業(yè)的實踐教學(xué)。

1.2 消費級無人機(jī)的優(yōu)勢特點

根據(jù)其性能技術(shù)參數(shù)，消費級無人機(jī)在地理信息科學(xué)本科教學(xué)中應(yīng)用時展現(xiàn)出一些專業(yè)級無人機(jī)所不具備的優(yōu)勢特點。

1.2.1 價格低廉

消費級無人機(jī)相較于專業(yè)級無人機(jī)其最主要的優(yōu)勢特點是低廉的售價。這一優(yōu)勢特點明顯降低了消費級無人機(jī)的準(zhǔn)入門檻，萬元左右的價格使得愛好者和相關(guān)人群可以輕松變成消費群體，使消費級無人機(jī)迅速發(fā)展并占領(lǐng)市場。

1.2.2 操作簡單

消費級無人機(jī)的顯著優(yōu)點還有操作簡單，相較于專業(yè)無人機(jī)操作系統(tǒng)煩瑣復(fù)雜、行業(yè)專業(yè)性要求高的特點，消費級無人機(jī)遙控操作系統(tǒng)直白簡單，只需簡單學(xué)習(xí)、培訓(xùn)就可直接完成相關(guān)飛行任務(wù)。

1.2.3 無航空駕照管制

我國 《民用無人駕駛航空器系統(tǒng)駕駛員管理暫行規(guī)定》中相關(guān)條款規(guī)定，在視距內(nèi)運行的微型無人機(jī)(駕駛員或觀測員目視視距內(nèi)半徑500m，相對高度低于120m的區(qū)域內(nèi),空機(jī)質(zhì)量小于等于7kg的無人機(jī))，無人機(jī)系統(tǒng)駕駛員自行負(fù)責(zé)，無須證照管理。而一般消費級無人機(jī)均符合民航局對于微型無人機(jī)的定義，因此不要求駕駛員必須持有航空駕照。

結(jié)合以上無人機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)和相較于專業(yè)無人機(jī)的優(yōu)勢特點可以得知，消費級無人機(jī)就飛行系統(tǒng)、相機(jī)系統(tǒng)、消費價格、安全性和可操作性而言，完全符合從事簡單測繪和遙感影像采集工作的要求。利用消費級無人機(jī)可以獲取包括地理位置信息、高清圖像信息、飛行數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，用于地理信息科學(xué)本科教學(xué)中非高精度實踐和日常教學(xué)工作。

2 無人機(jī)在地理信息科學(xué)本科教學(xué)中的應(yīng)用意義和應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 無人機(jī)在地理信息科學(xué)本科教學(xué)中的應(yīng)用意義

地理信息科學(xué)（Geographic Information Science，GIS），是在計算機(jī)軟硬件系統(tǒng)支撐下研究地理空間信息的采集、存儲、處理、管理和分析等一系列問題的學(xué)科。地理信息科學(xué)是一門交叉學(xué)科，學(xué)科內(nèi)容涉及地理學(xué)、地圖學(xué)、計算機(jī)科學(xué)、測繪科學(xué)等多個學(xué)科領(lǐng)域，其主干課程有自然地理、人文地理、測量學(xué)基礎(chǔ)、地理信息系統(tǒng)原理、遙感原理與應(yīng)用、GPS原理等。地理空間信息采集工作是學(xué)科發(fā)展的基礎(chǔ)，地理信息科學(xué)本科教學(xué)涉及該部分內(nèi)容的課程包括地理信息系統(tǒng)實驗、遙感實驗、測量學(xué)實習(xí)、攝影測量實習(xí)等。無人機(jī)的應(yīng)用豐富了地理空間信息采集的手段和方法，有助于培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)實踐能力。

表1 常見消費級無人機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

將消費級無人機(jī)引入本科實踐教學(xué)，利用無人機(jī)進(jìn)行傾斜攝影測量和地理空間信息的采集，獲取海量地理信息，可為全球變化和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展研究提供數(shù)據(jù)支撐。此外，地理信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)正在迅速發(fā)展，地理信息科學(xué)在城市規(guī)劃、道路建設(shè)、車輛導(dǎo)航、資源評價、環(huán)境監(jiān)測等方面都有廣泛和深入的應(yīng)用，這些無疑說明，地理信息科學(xué)具有旺盛的生命力，必將在推動社會生產(chǎn)力的發(fā)展中發(fā)揮巨大作用[2]。從另一方面也顯示空間地理信息采集工作的重要性，因此，高校地理信息科學(xué)本科教學(xué)中基于無人機(jī)應(yīng)用的信息采集能力的培養(yǎng)不容忽視。

2.2 無人機(jī)在高校地理信息科學(xué)本科教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

現(xiàn)階段國內(nèi)高校應(yīng)用無人機(jī)進(jìn)行教學(xué)的除無人機(jī)專業(yè)外，主要集中在測量科學(xué)和地理信息科學(xué)內(nèi)的攝影測量課程、遙感技術(shù)課程和環(huán)境資源勘探等科目中。

各高校針對不同的應(yīng)用方向和領(lǐng)域，所采用的也是符合其院校應(yīng)用和發(fā)展的不同方式。例如，四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院的攝影測量與遙感技術(shù)專業(yè)，采用高校投入財力物力使無人機(jī)教學(xué)融入實踐教學(xué)課程當(dāng)中的方法，通過“分批實習(xí)，校企聯(lián)動”的方式，實現(xiàn)大規(guī)模開展無人機(jī)影像獲取的實踐教學(xué)工作，使學(xué)生在校期間熟悉小型無人機(jī)由外業(yè)操作到內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的流程[3]。也有一些高校采取實踐教學(xué)+創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練的模式，使學(xué)生親自參與到相關(guān)企業(yè)管理和技術(shù)開發(fā)當(dāng)中，運用無人機(jī)測繪和遙感圖像分析工作的高熱度、高關(guān)注度的特點，進(jìn)行針對性的無人機(jī)訓(xùn)練教學(xué)。但以上是小部分高校實驗教學(xué)項目，其他高校并未大規(guī)模普及無人機(jī)進(jìn)入實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。

總體來說，高校主要把無人機(jī)用于科研和無人機(jī)研發(fā)當(dāng)中，對于在地理信息科學(xué)專業(yè)中開設(shè)利用無人機(jī)的相應(yīng)課程十分少見，對于普通高校來說，最為適合開設(shè)無人機(jī)輔助實踐的攝影測量課程，大部分只進(jìn)行了相關(guān)理論學(xué)習(xí)和軟件應(yīng)用，最重要、最基礎(chǔ)的航空影像數(shù)據(jù)收集環(huán)節(jié)沒有進(jìn)行。其他如遙感原理、GPS原理、三維建模應(yīng)用、空間數(shù)據(jù)分析等課程都適合利用無人機(jī)進(jìn)行輔助學(xué)習(xí)和實踐，但絕大部分高校未把無人機(jī)運用在實踐課程中，整體教學(xué)過程無法直觀反映出實際生產(chǎn)中的整體流程，缺少外業(yè)數(shù)據(jù)采集的必要環(huán)節(jié)，使學(xué)生不能完全掌握實際成產(chǎn)中應(yīng)熟悉的流程步驟。

分析高?，F(xiàn)階段不引進(jìn)無人機(jī)的主要原因：一是專業(yè)級無人機(jī)價格昂貴，無法普及到師生實踐教學(xué)層面；二是專業(yè)級無人機(jī)專業(yè)性高、操作復(fù)雜，對于駕駛員要求相對嚴(yán)格，缺乏操作熟練的駕駛員；三是法律規(guī)定嚴(yán)格，飛行前需要上報有關(guān)部門審批，不靈活不利于教學(xué)活動的開展。

為彌補(bǔ)教學(xué)工作中缺失的部分，高校應(yīng)該結(jié)合自身特點，根據(jù)消費級無人機(jī)價格便宜、簡單易操作、不受航空管制、基本滿足專業(yè)學(xué)習(xí)要求的特點，從實際出發(fā)，適當(dāng)引入消費級無人機(jī)，在教學(xué)中替代專業(yè)級無人機(jī)用于實踐教學(xué)。

3 地理信息科學(xué)本科教學(xué)中引入消費級無人機(jī)的優(yōu)勢及前景

引入消費級無人機(jī)，讓學(xué)生系統(tǒng)地掌握地理空間信息的采集、存儲、處理、管理和分析等相關(guān)工作流程的所有環(huán)節(jié)，突出學(xué)科特色，提高教學(xué)水平。

3.1 引入消費級無人機(jī)提高學(xué)生實踐應(yīng)用能力優(yōu)勢明顯

引入消費級無人機(jī)，通過實踐課程讓學(xué)生熟悉航空數(shù)據(jù)的采集方法，獲取學(xué)習(xí)中需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，不僅能夠完善課程內(nèi)容，還可以將多門課程有效的結(jié)合在一起，培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)能力和鉆研精神，提高專業(yè)綜合應(yīng)用能力。例如，在小規(guī)模的城鄉(xiāng)規(guī)劃行業(yè)中應(yīng)用無人機(jī)，用于基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)產(chǎn)品的生產(chǎn)（包括DOM、DLG、DEM產(chǎn)品，小范圍低空遙感影像數(shù)據(jù)處理）；也可用于智慧城市、智慧校園平臺的建立，提供以傾斜攝影為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的三維建模模型，建立專題地理信息數(shù)據(jù)庫、開發(fā)專題應(yīng)用軟件等工作[4]。

在引入無人機(jī)相關(guān)技術(shù)后可以借助國內(nèi)大型的地理信息科學(xué)相關(guān)學(xué)科比賽、ESRI和超圖等大公司、企業(yè)的專業(yè)技能競賽等平臺充分調(diào)動學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性。借助企業(yè)實習(xí)實訓(xùn)基地創(chuàng)造更好的學(xué)習(xí)機(jī)會和應(yīng)用機(jī)會，增加學(xué)生技能并提升競爭力和創(chuàng)造力。

3.2 引入消費級無人機(jī)用于大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實訓(xùn)和教育前景廣闊

國家最早從“十一五”規(guī)劃期間就開始大力扶植大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐工作，每年投入大量人力、物力、財力推動大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)工作。地理信息科學(xué)本科教學(xué)中可以利用消費級無人機(jī)引導(dǎo)學(xué)生參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實訓(xùn)。利用入門消費級無人機(jī)可以進(jìn)行針對性的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練，在校期間熟悉利用無人機(jī)從外業(yè)資料獲取到內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)分析全過程，通過把企業(yè)實際生產(chǎn)遇到的問題模塊化，分解轉(zhuǎn)化為學(xué)生在?？梢詫W(xué)習(xí)和實踐的項目形式，來讓學(xué)生提前掌握創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，從而為以后真正的創(chuàng)業(yè)實踐提供參考。也可使學(xué)生通過利用消費級無人機(jī)參加相關(guān)大賽，借助相關(guān)特色技術(shù)和優(yōu)勢項目突出專業(yè)特色、擴(kuò)大影響并增加對于無人機(jī)的應(yīng)用經(jīng)驗。以通化師范學(xué)院為例，通化師范學(xué)院地理信息科學(xué)專業(yè)5名學(xué)生運用所學(xué)技能和相關(guān)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)想法，結(jié)合消費級無人機(jī)在城市三維建模中的應(yīng)用項目在吉林省“夢想杯”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽中獲得三等獎的成績，凸顯了應(yīng)用消費級無人機(jī)參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽時的技術(shù)優(yōu)勢和影響效應(yīng)。

根據(jù)國家新興產(chǎn)業(yè)規(guī)劃，在大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的大背景下，無人機(jī)行業(yè)迅猛發(fā)展，地理信息科學(xué)逐漸運用在各行各業(yè)各領(lǐng)域當(dāng)中，在可預(yù)見的將來，無人機(jī)結(jié)合地理信息網(wǎng)絡(luò)化一定會成為熱門研究方向，而且還會不斷深化和細(xì)化，應(yīng)用前景廣闊。在本科教學(xué)中結(jié)合區(qū)位優(yōu)勢，利用消費級無人機(jī)開展對植被保護(hù)、河流水系、山地利用等方面的研究具有得天獨厚的優(yōu)勢；通過消費級無人機(jī)的應(yīng)用實踐，衍生、發(fā)展出不同領(lǐng)域的無人機(jī)運用新方法、新理論也是必然的，對此高校要有一定的前瞻性，在人才培養(yǎng)目標(biāo)和課程設(shè)置、實踐課程的開展方面做出必要的調(diào)整。

4 結(jié)語

無人機(jī)行業(yè)和地理信息科學(xué)專業(yè)在近幾年中逐漸被各行各業(yè)所接受并且迅速發(fā)展起來，可以預(yù)見在未來信息化越來越重要的時代，無人機(jī)和地理信息科學(xué)勢必會結(jié)合在一起。在高?？梢越邮艿某杀緱l件下，將消費級無人機(jī)引入到地理信息科學(xué)本科實踐教學(xué)中來是增加學(xué)生專業(yè)水平和知識能力的一種方法，也是切實可行的一種實踐教學(xué)方案。當(dāng)前社會不但對學(xué)科專業(yè)性要求越來越高，也更加注重學(xué)生的綜合素質(zhì)，高校應(yīng)該更多的啟用新興熱點技術(shù)，推動教育教學(xué)改革，在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的教育大背景下推動地理信息科學(xué)長遠(yuǎn)、完善、不斷創(chuàng)新的發(fā)展。