無人機(jī)遙感課程設(shè)計模式研究

黃方　行敏鋒　陸俊

[摘 要]針對無人機(jī)遙感技術(shù)的迅猛發(fā)展，結(jié)合學(xué)校專業(yè)特色以及專業(yè)需求，從課程體系結(jié)構(gòu)設(shè)計、課程建設(shè)設(shè)計思路和課程實踐模塊設(shè)計等三個主要方面探討挑戰(zhàn)性課程無人機(jī)遙感的教學(xué)實踐課程設(shè)計模式。其中，課程體系結(jié)構(gòu)具有硬件與軟件結(jié)合、理論與實踐結(jié)合、應(yīng)用與產(chǎn)品結(jié)合、挑戰(zhàn)性與實踐性結(jié)合的優(yōu)勢。具體的課程建設(shè)將無人機(jī)硬件、數(shù)據(jù)采集、處理等與本校、本專業(yè)特色緊密結(jié)合起來，形成完整的模塊化技術(shù)體系；將無人機(jī)與本專業(yè)具體應(yīng)用結(jié)合起來，融合相關(guān)典型課程的重點、難點知識點，構(gòu)建完整的產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)體系；建立滿足教學(xué)需求的實驗驗證性平臺，得到典型性示范驗證成果，構(gòu)建較為完善的實驗教學(xué)和實踐教學(xué)方法與規(guī)則。課程實踐模塊設(shè)計采用三級遞進(jìn)式的模式進(jìn)行：引導(dǎo)基礎(chǔ)性實驗項目/技能培養(yǎng)層級；體現(xiàn)學(xué)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(shè)能極大地鍛煉學(xué)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(guān)鍵詞]挑戰(zhàn)性課程；無人機(jī)遙感；課程設(shè)計；課程教學(xué)實踐；工程能力培養(yǎng)

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

一、概述

由于無人機(jī)（Unmanned Aerial， UA）具備可執(zhí)行高危險任務(wù)、執(zhí)行人類生理特點限制任務(wù)、成本低、易隱蔽等優(yōu)點，最初被廣泛運(yùn)用在軍事上，作為偵查和作戰(zhàn)使用[1]。但隨著技術(shù)的成熟，其生產(chǎn)成本降低，最后逐步進(jìn)入到民用領(lǐng)域。2002年，美國國家航空航天局成立的無人機(jī)應(yīng)用中心，便一直致力于無人機(jī)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(jī)民用化步伐[2]。國內(nèi)真正意義上的第一架民用無人機(jī)誕生于20世紀(jì)80年代，是由西北工業(yè)大學(xué)研發(fā)的D-4無人機(jī)，它開創(chuàng)了中國無人機(jī)軍用轉(zhuǎn)民用的先河。2007年后，民用無人機(jī)制造商便如雨后春筍般涌現(xiàn)[3]。正是由于民用無人機(jī)的蓬勃發(fā)展，無人機(jī)遙感技術(shù)才得以逐漸發(fā)展起來。

遙感技術(shù)（Remote Sensing， RS）目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用到測繪、環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)業(yè)、國防、交通、災(zāi)害監(jiān)測、氣象和能源等關(guān)乎國計民生的各個領(lǐng)域[4-7]。隨著應(yīng)用面的拓展，衛(wèi)星遙感存在的時效性不強(qiáng)、重返周期長、空間分辨率不高等問題也暴露出來。而無人機(jī)遙感（UA-based RS）作為一種新興的低空遙感技術(shù)，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(bǔ)充手段[8]。在起降方式上，無人機(jī)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(xiàn)起降，同時在起降條件允許的情況下，可實現(xiàn)隨時起降，時效性強(qiáng)，并且沒有固定的重返周期。在飛行高度上，無人機(jī)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(dǎo)致無法獲取到有效數(shù)據(jù)的問題。在成本上，由于無人機(jī)的快速發(fā)展，以及無人機(jī)生產(chǎn)廠商之間的競爭加大，使得無人機(jī)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(jī)可到達(dá)一些人無法到達(dá)的區(qū)域，能減少操作人員可能出現(xiàn)的安全問題 [9]。

無人機(jī)遙感具備快速的機(jī)動響應(yīng)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(shù)據(jù)等優(yōu)勢，這使得無人機(jī)遙感應(yīng)用越來越廣泛[10-12]。目前，無人機(jī)遙感主要應(yīng)用在國土監(jiān)測、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、城市綠化監(jiān)測以及應(yīng)急保障等方面[13]，同時也廣泛應(yīng)用于氣象監(jiān)測與預(yù)報、海事等行業(yè)中[14]。除此之外，隨著我國數(shù)字航空測量設(shè)備的像素提高，以及無人機(jī)具有的靈活度高、對起降場地的要求相對較低、操作簡單、質(zhì)量可靠等特點，無人機(jī)遙感在測繪行業(yè)中也被廣泛應(yīng)用[15]。

目前，利用無人機(jī)遙感技術(shù)進(jìn)行數(shù)字測繪產(chǎn)品生產(chǎn)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(jìn)行空三加密，然后再在MapMatrix或其他軟件下進(jìn)行數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理，從而生成4D產(chǎn)品（數(shù)字地表模型（Digital Surface Mode， DSM）數(shù)字高程模型如Digital Elevation Mode， DEM）、數(shù)字正射影像圖（Digital Orthophoto Map， DOM）以及數(shù)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(jìn)行的拍攝測量也稱為傾斜攝影測量。傾斜攝影測量技術(shù)[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(jìn)行數(shù)據(jù)的采集[17]。作為一種新興的測量技術(shù)，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(shù)據(jù)更能真實反應(yīng)地物情況。傾斜攝影測量技術(shù)極大地擴(kuò)展了遙感影像的應(yīng)用領(lǐng)域，使遙感影像的行業(yè)應(yīng)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]?；跓o人機(jī)傾斜攝影測量的實景三維建模軟件現(xiàn)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(gòu)建出實景三維模型。無人機(jī)遙感技術(shù)不論是在搶險救災(zāi)、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(jī)遙感技術(shù)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(shù)據(jù)，最后生成的產(chǎn)品提高了用戶的真實直觀體驗感?；跓o人機(jī)遙感技術(shù)不僅可以生成對應(yīng)的數(shù)字產(chǎn)品，如DSM、DEM、DOM、DLG等，還可以進(jìn)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(guān)領(lǐng)域的作業(yè)與應(yīng)用。

綜上，與無人機(jī)蓬勃的發(fā)展相比，如何在傳統(tǒng)地學(xué)技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用無人機(jī)遙感技術(shù)，卻存在一定的問題與障礙。目前，我院空間信息與數(shù)字技術(shù)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(jìn)一步提升。同時，專業(yè)課程多強(qiáng)調(diào)理論學(xué)習(xí)，在學(xué)生動手能力培養(yǎng)以及軟件與硬件結(jié)合方面，仍待進(jìn)一步強(qiáng)化。此外，整體課程設(shè)置在體現(xiàn)電子科技大學(xué)電子信息學(xué)科優(yōu)勢的特色上，亟須加強(qiáng)。為了改變這種現(xiàn)狀，圍繞“本科精英人才”培養(yǎng)體系，結(jié)合學(xué)院的“電子信息+地球科學(xué)”工作思路，建設(shè)一門基于無人機(jī)硬件平臺，融合數(shù)字?jǐn)z影測量、遙感、測量學(xué)、地圖學(xué)、三維可視化等專業(yè)基礎(chǔ)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(yīng)用價值。該課程涵蓋硬件軟件，涉及空間數(shù)據(jù)獲取、處理、應(yīng)用各個環(huán)節(jié)，且與傳統(tǒng)的地學(xué)相關(guān)課程聯(lián)系緊密。然而，雖然無人機(jī)技術(shù)得到了迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用，但無人機(jī)遙感方面的研究還遠(yuǎn)未形成完整體系，造成無人機(jī)遙感這門挑戰(zhàn)性課程的建設(shè)還存在一定困難。因此，探討該課程建設(shè)的設(shè)計模式具有重要的現(xiàn)實意義。

二、課程設(shè)計模式研究

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

（一）課程體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于無人機(jī)平臺，融合數(shù)字?jǐn)z影測量、遙感、地理信息系統(tǒng)、測量學(xué)、地圖學(xué)等學(xué)科相關(guān)理論基礎(chǔ)，突破基于無人機(jī)遙感應(yīng)用技術(shù)的重點、難點問題，包括無人機(jī)航線規(guī)劃、同名點匹配、區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差、數(shù)字表面模型生產(chǎn)、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(gòu)建從無人機(jī)硬件到三維可視化建模[20-22]、典型4D數(shù)字產(chǎn)品生成（DSM、DEM、DOM、DLG）[23]，以及搭載多/高光譜載荷的地物目標(biāo)探測應(yīng)用的全鏈條應(yīng)用技術(shù)體系；形成較為完整的基于無人機(jī)遙感應(yīng)用技術(shù)的實踐課程教學(xué)體系結(jié)構(gòu)（圖1）。

其中，該體系結(jié)構(gòu)具有的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

1.硬件與軟件的結(jié)合。將無人機(jī)相關(guān)硬件，如無人機(jī)平臺、云臺、飛控、數(shù)傳、圖傳、導(dǎo)航定位、傳感器等器件設(shè)計組裝與數(shù)據(jù)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(jié)合起來，形成一個較為完善的無人機(jī)遙感影像數(shù)據(jù)采集與處理過程。

2.理論與實踐的結(jié)合?；陲w行原理、航空氣象、旋翼無人機(jī)機(jī)理、傾斜攝影測量、三維建模及可視化等基礎(chǔ)理論，結(jié)合無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)獲取到處理過程中存在的諸多難點問題，如無人機(jī)航線規(guī)劃、同名點匹配、區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差、正射影像糾正以及數(shù)字表面模型生產(chǎn)、土地利用分類算法等，本課程以任務(wù)為驅(qū)動組織教學(xué)內(nèi)容，通過對問題、任務(wù)的剖析（理論與實踐），采用“教、學(xué)、做”一體的方式，達(dá)到讓學(xué)生掌握理論知識與技能的目的。

3.應(yīng)用與產(chǎn)品的結(jié)合。針對無人機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，以采集到的無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，形成三維可視化建模、典型4D數(shù)字產(chǎn)品（DSM、DEM、DOM、DLG）、土地利用分類產(chǎn)品等。

4.挑戰(zhàn)性實踐課題?；谇懊婊A(chǔ)知識的學(xué)習(xí)以及實踐，結(jié)合學(xué)生的專業(yè)、興趣以及特長等，開展如多旋翼無人機(jī)組裝、調(diào)試與飛控系統(tǒng)優(yōu)化、區(qū)域的大比例尺數(shù)字地圖研制、區(qū)域?qū)嵕叭S模型構(gòu)建、單體化建模研究、基于無人機(jī)與高光譜結(jié)合的區(qū)域病蟲害監(jiān)測應(yīng)用研究等一系列挑戰(zhàn)性實踐課題，使學(xué)生達(dá)到真正意義上的學(xué)做一體。

（二）課程建設(shè)設(shè)計思路

學(xué)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(dá)成的指標(biāo)等， 在廣泛查閱文獻(xiàn)資料、團(tuán)隊研究探討的基礎(chǔ)上進(jìn)行項目的規(guī)劃、設(shè)計，同時預(yù)留部分學(xué)習(xí)知識的時間。

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

1.將無人機(jī)硬件、數(shù)據(jù)采集、處理等與本校、本專業(yè)特色緊密結(jié)合起來，形成完整的模塊化技術(shù)體系。模塊體現(xiàn)可以考慮無人機(jī)軟硬件系統(tǒng)調(diào)試與研發(fā)模塊、無人機(jī)實踐飛行與多源空間數(shù)據(jù)采集模塊、無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用模塊等。

2.將無人機(jī)與本專業(yè)的具體應(yīng)用結(jié)合起來，融合相關(guān)典型課程的重點、難點知識點，構(gòu)建完整的產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)體系。模塊體現(xiàn)可以考慮基于無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)的三維建筑物建模與可視化模塊、4D產(chǎn)品生成模塊，以及多/高光譜遙感應(yīng)用產(chǎn)品模塊等。

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

（三）課程實踐模塊設(shè)計

該課程擬采用三級遞進(jìn)式的實踐模式進(jìn)行，分別是：1.引導(dǎo)基礎(chǔ)性實驗項目/技能培養(yǎng)層級；2.體現(xiàn)學(xué)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(dǎo)基礎(chǔ)性實驗項目/技能

· 無人機(jī)模擬器及模擬軟件的操控基礎(chǔ)訓(xùn)練；

· 多旋翼無人機(jī)組裝、測試與無人機(jī)試飛；

· 航線規(guī)劃及無人機(jī)地面站軟件使用；

· 無人機(jī)數(shù)據(jù)獲取及4D產(chǎn)品生成技術(shù)；

· 無人機(jī)傾斜攝影測量（5鏡頭）及三維建模與可視化；

· 無人機(jī)多/高光譜遙感數(shù)據(jù)獲取與應(yīng)用實驗。

（2）體現(xiàn)學(xué)生參與深度與廣度/自主實驗

· 獲取清水河校區(qū)無人機(jī)攝影測量數(shù)據(jù)，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(xiàn)無人機(jī)遙感技術(shù)的方法與應(yīng)用層次）。

· 利用單兵無人機(jī)（單鏡頭），形成無人機(jī)（5鏡頭）的數(shù)據(jù)，并進(jìn)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(xiàn)無人機(jī)遙感的原理、方法與應(yīng)用）。

· 三維建模過程中，最為耗時的是數(shù)據(jù)處理。本課程針對數(shù)據(jù)處理的時效問題，開發(fā)并實現(xiàn)相應(yīng)的三維建模并行算法（體現(xiàn)無人機(jī)遙感的軟件開發(fā)、應(yīng)用）。

· 制備LiDar/熱紅外傳感器設(shè)備及控制系統(tǒng)，進(jìn)行對應(yīng)的無人機(jī)遙感應(yīng)用實驗（三維模型、熱紅外產(chǎn)品生成）及數(shù)據(jù)處理等（體現(xiàn)無人機(jī)遙感的硬件、方法與應(yīng)用）。

（3）挑戰(zhàn)性實驗項目/實驗

· 多旋翼無人機(jī)組裝、調(diào)試與飛控系統(tǒng)優(yōu)化；

· 基于無人機(jī)的區(qū)域大比例尺數(shù)字地圖研制；

· 基于傾斜攝影測量的區(qū)域?qū)嵕叭S模型構(gòu)建；

· 基于無人機(jī)遙感的單體化建模研究；

· 基于無人機(jī)與高光譜結(jié)合的區(qū)域病蟲害監(jiān)測應(yīng)用研究；

· 基于無人機(jī)與LIDAR結(jié)合的區(qū)域三維建模研究；

· 基于無人機(jī)與計算機(jī)視覺結(jié)合的快速三維地圖構(gòu)建技術(shù)研究。

根據(jù)上述設(shè)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(xué)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(dá)成的指標(biāo)等， 在廣泛查閱文獻(xiàn)資料、團(tuán)隊研究探討的基礎(chǔ)上進(jìn)行項目的規(guī)劃、設(shè)計，同時預(yù)留部分學(xué)習(xí)知識的時間。

三、結(jié)束語

通過如上課程建設(shè)，可以實現(xiàn)：1.緊跟遙感、GIS技術(shù)方向的最前沿，打通相關(guān)課程的重點、難點理論與技術(shù)，探索前沿技術(shù)與本專業(yè)的應(yīng)用結(jié)合點，形成理論與實踐緊密聯(lián)系、硬件與軟件兼?zhèn)涞氖痉缎蕴魬?zhàn)性實踐教學(xué)性課程；2.將極大地鍛煉學(xué)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(zé)任編輯：陳 明]