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    測繪新技術(shù)賦能地方高校測繪類本科實踐教學(xué)改革與實踐

    2023-09-28 06:45:01王宇程鋼柴華彬郭靈輝張文志
    大學(xué)教育 2023年11期
    關(guān)鍵詞:測繪新技術(shù)新工科人才培養(yǎng)

    王宇 程鋼 柴華彬 郭靈輝 張文志

    [摘 要]實踐教學(xué)是提升工程教育實踐效果和學(xué)生工程能力的重要基礎(chǔ)。面對全社會數(shù)字化發(fā)展、智能化轉(zhuǎn)型的時代浪潮,基于水準(zhǔn)儀和全站儀等的傳統(tǒng)測繪技術(shù)已經(jīng)無法滿足測繪行業(yè)需求,測繪類專業(yè)本科實踐教學(xué)改革勢在必行。文章聚焦“新工科”建設(shè)理念,根據(jù)經(jīng)濟社會發(fā)展和行業(yè)發(fā)展對“新工科”人才培養(yǎng)的實際需求,分析了當(dāng)前測繪類本科實踐教育教學(xué)存在的問題,指出了測繪技術(shù)體系和測繪產(chǎn)品的新變化,并以河南理工大學(xué)測繪與國土信息工程學(xué)院為例,介紹了利用航測無人機、移動LiDAR、無人測量船等測繪裝備和新技術(shù)更新實踐教學(xué)體系的做法和經(jīng)驗,闡述了測繪新技術(shù)在本科實踐教學(xué)中的應(yīng)用和價值,以期為其他地方高校測繪類專業(yè)“新工科”建設(shè)提供參考和借鑒。

    [關(guān)鍵詞]測繪新技術(shù);本科實踐教學(xué);“新工科”;人才培養(yǎng)

    [中圖分類號] G642.0 [文獻標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437(2023)11-0044-05

    國家正在實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略、制造業(yè)強國戰(zhàn)略和“一帶一路”建設(shè)。培養(yǎng)理論基礎(chǔ)厚、實踐能力強的高素質(zhì)創(chuàng)新型人才,對于支撐服務(wù)第四次工業(yè)革命浪潮下的新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)、新模式“四新經(jīng)濟”發(fā)展具有重要意義[1-3]。為主動應(yīng)對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革、支撐服務(wù)國家戰(zhàn)略,2017年以來,教育部積極推進“新工科”建設(shè),探索工程教育的中國模式、中國經(jīng)驗。測繪空間信息不僅在國土空間規(guī)劃、自然資源開發(fā)與利用、生態(tài)環(huán)境保護等方面作用重大,還與國家安全、領(lǐng)土主權(quán)和智慧城市建設(shè)等息息相關(guān)。隨著航空航天科技、大數(shù)據(jù)、“互聯(lián)網(wǎng)+”等新技術(shù)的發(fā)展,測繪由數(shù)字化走向智能化,測繪地理信息領(lǐng)域成為科技革命的重要戰(zhàn)場,測繪學(xué)科與空間信息學(xué)科不斷交融,相關(guān)應(yīng)用和服務(wù)也向著各個行業(yè)拓展[4-5]。因此,將現(xiàn)代測繪新技術(shù)及時納入教學(xué)體系,更新教學(xué)內(nèi)容,改革實踐教學(xué)模式,培養(yǎng)順應(yīng)高等教育改革方向、滿足經(jīng)濟社會發(fā)展的測繪類工科人才迫在眉睫。

    河南理工大學(xué)(以下簡稱我校)是中央與地方共建、以地方管理為主的河南省特色骨干大學(xué),學(xué)校工科優(yōu)勢突出,理學(xué)、經(jīng)管、人文等學(xué)科協(xié)調(diào)發(fā)展[6]。我校測繪類專業(yè)最早可追溯到1960年招生的礦山測量本科專業(yè),具有一級學(xué)科博士學(xué)位授予權(quán)。我校測繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)科入選河南省高校“雙一流”創(chuàng)建工程。我校測繪類專業(yè)以“新工科”建設(shè)為契機,依托學(xué)科優(yōu)勢資源,加強了測繪新技術(shù)引領(lǐng);以實踐教學(xué)改革為抓手,強化了本科生工程實踐和創(chuàng)新能力培養(yǎng),提升了學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

    一、“新工科”對工程實踐能力和實踐教學(xué)的新要求

    目前,我國工程教育領(lǐng)域的教育教學(xué)改革已經(jīng)在“CDIO”(Conceive構(gòu)思-Design設(shè)計-Implement實現(xiàn)-Operate運作)、工程專業(yè)認(rèn)證、卓越工程師培養(yǎng)等方面進行了多年的探索、積累和實踐[7]。教育部在2017年提出了“新工科”概念,發(fā)布了《“新工科”建設(shè)行動路線》[8-9],標(biāo)志著我國工程教育教學(xué)改革開始走上一條能夠把握世界經(jīng)濟、科技發(fā)展趨勢,適合中國國情的新道路。“新工科”要求樹立綜合化工程教育理念,創(chuàng)新工程教育的人才培養(yǎng)模式、專業(yè)結(jié)構(gòu)和教育教學(xué)方式方法,深入推進高等工程教育改革[10]。綜合性高校、工科優(yōu)勢高校和地方工科院校既要培養(yǎng)大國工匠,也要培養(yǎng)普通工程人才,這兩種人才均需具備創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力,是既懂人文又懂工程的綜合型人才。

    “新工科”的諸多內(nèi)涵有利于高校教育教學(xué)的改造升級,有利于培養(yǎng)具有扎實工程知識和較強的工程實踐能力的多層次多類型人才。同時,“新工科”也倒逼相關(guān)高校推動教育理念、培養(yǎng)目標(biāo)、專業(yè)設(shè)置、課程體系、培養(yǎng)途徑、培養(yǎng)制度和教學(xué)組織形式等的改革,構(gòu)建工科專業(yè)和課程新結(jié)構(gòu),使工程教育人才培養(yǎng)能夠適應(yīng)相關(guān)行業(yè)向價值鏈中高端發(fā)展的迫切需求。

    二、地方行業(yè)高校測繪類專業(yè)實踐教學(xué)存在的問題

    地方高校培養(yǎng)的專業(yè)人才為地方經(jīng)濟社會和相關(guān)行業(yè)發(fā)展做出了重要貢獻,但隨著“四新經(jīng)濟”的發(fā)展,地方高校工科人才培養(yǎng)出現(xiàn)了諸多不適應(yīng)的現(xiàn)象。

    (一)教學(xué)模式重知識、輕能力,學(xué)生創(chuàng)新能力不足

    長期以來,地方高校本科教學(xué)主要以理論知識傳授作為教學(xué)過程中的主要驅(qū)動力,強調(diào)以教學(xué)進程為導(dǎo)向、以知識為導(dǎo)向,對學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)關(guān)注度不夠。

    (二)教學(xué)設(shè)備落后于實際生產(chǎn)需求,學(xué)生工程實踐能力有待提高

    由于財政撥款、辦學(xué)經(jīng)費等的限制,地方高校實踐條件建設(shè)經(jīng)費不足[11],難以投入大量資金購買先進的測繪儀器設(shè)備,實驗室軟、硬件設(shè)備更新頻率較低,新型測繪裝備購置不足,實踐教學(xué)仍以傳統(tǒng)水準(zhǔn)儀、全站儀和GNSS接收機等為主,導(dǎo)致教學(xué)設(shè)備落后于實際生產(chǎn)需求。

    (三)教師學(xué)歷層次提升較大,但“雙師”型教師或工程實踐經(jīng)驗豐富的教師較少

    高校教師是教學(xué)、科研乃至管理的主要實踐者,教師的工程實踐能力和科研水平不高無疑會制約學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量[12]。隨著師資隊伍的不斷建設(shè),地方高校教師的學(xué)歷層次呈現(xiàn)上升趨勢,部分教師雖是應(yīng)屆碩士或博士研究生,但工程項目實踐經(jīng)驗較少,在實踐教學(xué)過程中不能有效把握行業(yè)發(fā)展變化,易與社會實際需求脫鉤。

    以上測繪類本科專業(yè)實踐教學(xué)存在的問題,一定程度上限制了學(xué)生工程實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng),無法滿足“新工科”對工程實踐能力培養(yǎng)的要求,不利于破解“教育脫離產(chǎn)業(yè)、學(xué)校脫離企業(yè)、教學(xué)脫離實踐、學(xué)生脫離實際”這個長期困擾高等教育的難題。

    三、測繪新技術(shù)與新型基礎(chǔ)測繪產(chǎn)品介紹

    基礎(chǔ)測繪經(jīng)歷幾十年的發(fā)展,其成果為社會各行業(yè)、領(lǐng)域提供了不可替代的基礎(chǔ)性服務(wù)。傳統(tǒng)基礎(chǔ)測繪產(chǎn)品按照產(chǎn)品形態(tài)和數(shù)據(jù)組織方式等可以歸納為以數(shù)字正射影像圖(DOM)、數(shù)字柵格地圖(DRG)、數(shù)字高程模型(DEM)和數(shù)字線劃地圖(DLG)為代表的4D產(chǎn)品,這些產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于國土、規(guī)劃、測繪、建設(shè)等行業(yè)領(lǐng)域。雖然傳統(tǒng)4D產(chǎn)品形式上已變成數(shù)字的,但仍有成果品種單一、社會經(jīng)濟和人文信息不全等缺點?;A(chǔ)測繪成果標(biāo)準(zhǔn)化、制式化的產(chǎn)品形式,已經(jīng)不再適應(yīng)信息化社會對多樣化、精細(xì)化、個性化測繪地理信息的需求。測繪領(lǐng)域歷來是高新技術(shù)的催生者、應(yīng)用者和集成者。隨著全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)、遙感衛(wèi)星技術(shù)、數(shù)字?jǐn)z影測量、三維激光掃描、無人機測圖、傾斜攝影等技術(shù)的出現(xiàn)和革新,測繪技術(shù)體系的升級換代,催生了一批測繪地理信息的新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)品。

    《國務(wù)院關(guān)于全國基礎(chǔ)測繪中長期規(guī)劃綱要(2015—2030年)的批復(fù)》(國函〔2015〕92號)提出“到2030年,全面建成新型基礎(chǔ)測繪體系”,要求全面提升測繪地理信息服務(wù)能力,形成以基礎(chǔ)地理信息獲取立體化實時化、處理自動化智能化、服務(wù)網(wǎng)絡(luò)化社會化為特征的信息化測繪體系,基本形成以新型基礎(chǔ)測繪、地理國情監(jiān)測、應(yīng)急測繪為核心的完整測繪地理信息服務(wù)鏈條。以“3S”(GPS、RS、GIS)為代表的上一代技術(shù)體系正在與互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等高新技術(shù)進行深度融合,陸續(xù)出現(xiàn)了實景三維模型等比較成熟的新型測繪產(chǎn)品,很好地滿足了各行業(yè)領(lǐng)域和社會民眾的多元化需求。這些新型基礎(chǔ)測繪體系下的新型測繪產(chǎn)品,按照其用途,可以分為地理場景產(chǎn)品(包括實景三維模型、可量測實景影像、激光點云等新型測繪產(chǎn)品和傳統(tǒng)測繪4D產(chǎn)品)和地理實體產(chǎn)品(指物理世界在計算機環(huán)境下的“抽象”)兩大類。

    新型基礎(chǔ)測繪體系和產(chǎn)品的發(fā)展,倒逼測繪類本科教學(xué)必須引入測繪新技術(shù),并對人才培養(yǎng)體系,尤其是實踐教學(xué)體系進行改革升級,以適應(yīng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級與區(qū)域發(fā)展對人才培養(yǎng)的需求。

    四、我校測繪新技術(shù)本科教學(xué)實踐案例

    為提高學(xué)生工程實踐素養(yǎng)及創(chuàng)新能力,我校測繪與國土信息工程學(xué)院(以下簡稱測繪學(xué)院)在學(xué)科建設(shè)政策的大力支持下,持續(xù)購置了大疆精靈4RTK無人機,華測P330Pro垂起固定翼無人機,Leica-ALS50-II 型機載LiDAR、MinSAR、SWDC數(shù)字航攝儀,無人測量船,室內(nèi)外三維激光測量系統(tǒng),陀螺經(jīng)緯儀等多款測量儀器設(shè)備及高性能計算機,并將它們投入本科實踐教學(xué)當(dāng)中。

    (一)利用無人機測繪系統(tǒng),開設(shè)無人機大比例測圖等實踐項目

    隨著航測無人機的普及,越來越多的地面測量工作已經(jīng)被無人機取代。我校測繪學(xué)院開設(shè)的多門理論課程和集中實習(xí)已經(jīng)設(shè)置了無人機大比例測圖、傾斜攝影以及內(nèi)業(yè)處理等實驗教學(xué)項目。通過在無人機遙感原理與應(yīng)用、數(shù)字測圖原理與方法實習(xí)、空間信息數(shù)據(jù)綜合處理實習(xí)、現(xiàn)代測量技術(shù)實習(xí)、測量與遙感實習(xí)等課程中的教學(xué)實踐,學(xué)生可以掌握全站儀、RTK與無人機的聯(lián)測(制作數(shù)字線劃圖DLG)、三維模型制作及WebGIS開發(fā)[13]、衛(wèi)星影像與無人機影像的綜合處理分析(遙感分類、精度對比分析、DEM地形分析)等實踐技能。

    另外,我校測繪學(xué)院利用集中實習(xí)機會,積極開展社會實踐,讓學(xué)生將所學(xué)技能運用到解決鄉(xiāng)村振興的實際問題中(如圖1所示)。學(xué)生在教師帶領(lǐng)下利用華測P330Pro垂起固定翼無人機航測平臺,開展無人機低空攝影測量工作,獲取覆蓋南朱營村的正射和傾斜影像,建立南朱營村正射底圖和三維模型,開展南朱營村水系測繪和地勢分析,為南朱營村科學(xué)開展防汛減災(zāi)工作提供精準(zhǔn)的測繪數(shù)據(jù)。在實踐過程中,教師注重引導(dǎo)學(xué)生增強社會責(zé)任感、樹立家國情懷,實現(xiàn)課程思政育人。

    (二)利用新型北斗接收機,開設(shè)GNSS觀測與平差等實踐項目

    全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)與空間地理信息的融合發(fā)展,正在為經(jīng)濟社會發(fā)展和國防建設(shè)提供強有力的保障與服務(wù)。測繪學(xué)院在已有GNSS接收機的基礎(chǔ)上,建立了北斗導(dǎo)航實驗室,并在南校區(qū)安裝了4臺連續(xù)工作的GNSS靜態(tài)接收站(如圖2所示)。該接收站采用華測導(dǎo)航公司的P5接收機,工作模式支持主流導(dǎo)航系統(tǒng)(美國GPS、歐洲伽利略、俄羅斯格洛納斯以及我國的北斗)。靜態(tài)相對定位時,該接收站的水平精度可達(dá)±2.5mm+0.5ppm,垂直精度可達(dá)±5mm+0.5ppm;動態(tài)相對定位時,該接收站的水平精度可達(dá)±8mm+1ppm,垂直精度可達(dá)±15mm+1ppm。利用該設(shè)備可以開設(shè)GNSS靜態(tài)組網(wǎng)、基線解算、高精度實時變形監(jiān)測和RTK坐標(biāo)采集等實驗項目,也可以服務(wù)GNSS原理與應(yīng)用、變形與沉陷工程學(xué)、衛(wèi)星導(dǎo)航算法與程序設(shè)計、工程測量學(xué)、誤差理論與測量平差基礎(chǔ)等課程的實踐教學(xué),促進北斗導(dǎo)航應(yīng)用端的發(fā)展。同時,常年的GNSS基準(zhǔn)站網(wǎng)觀測數(shù)據(jù),可為焦作地區(qū)提供氣象、地殼形變的地面驗證數(shù)據(jù)。

    (三)利用無人測量船,開設(shè)水下地形測量、水庫庫容分析等實踐項目

    為了進行河道(水下地形)測量,測繪學(xué)院購置了華微3號無人測量船(如圖3所示)。該設(shè)備搭載了單波束雷達(dá)、GNSS模塊、相機、慣導(dǎo)系統(tǒng)、避障模塊等技術(shù),具有自動航行和手動航行(在岸邊水淺處使用,可補測自動航行未觀測之處)兩種模式,可實時獲取水深及水底高程信息。利用該設(shè)備可以采集焦作新河、龍源湖、青天河水庫等大型水域的水底地形,進行庫容分析,也可以服務(wù)工程測量、數(shù)字高程模型的實踐教學(xué)。利用無人機航測技術(shù)獲取水上、水下的數(shù)字高程模型(DEM)及三維模型,可為科學(xué)防汛提供測繪數(shù)據(jù)支持。

    (四)利用三維激光掃描設(shè)備,開設(shè)點云數(shù)據(jù)采集與內(nèi)業(yè)處理實踐項目

    三維激光掃描技術(shù)是利用激光雷達(dá)(Light Detection And Ranging,LiDAR)設(shè)備,通過記錄被測物體表面大量密集的點坐標(biāo)、反射率、紋理和全景圖等信息,通過計算機輔助計算,提供三維空間點云模型。為豐富三維激光數(shù)據(jù)采集方式、擴展應(yīng)用場景,我校測繪學(xué)院購置了一套北京四維遠(yuǎn)見信息技術(shù)有限公司研發(fā)的QS輕型室內(nèi)外測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)的輕掃設(shè)備靈活輕便,可折疊,支持“有路輕載(三輪車、汽車)、無路人工背負(fù)”的作業(yè)方式(如圖4所示),提高了作業(yè)效率和安全系數(shù)。使用該系統(tǒng)在進行外業(yè)采集時,通過配備的手簿可實時查看激光點云掃描狀況,支持暫停、繼續(xù)掃描等操作;在進行內(nèi)業(yè)處理時,無須人工配準(zhǔn),只需將數(shù)據(jù)導(dǎo)入配套軟件QSCloud或者ZXMap,軟件即可根據(jù)內(nèi)置SLAM算法處理數(shù)據(jù),最后得到測區(qū)整個的LAS點云數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)降低了激光點云數(shù)據(jù)的獲取和處理難度,方便本科生進行實踐創(chuàng)新。利用該系統(tǒng)可以開展建筑物三維模型構(gòu)建、點云分類、土方量計算、隧道測量、礦區(qū)變形監(jiān)測等實踐項目。另外,我校測繪學(xué)院也擁有地面LiDAR[14]和車載LiDAR設(shè)備[15],可服務(wù)三維激光掃描技術(shù)、礦山測量、空間信息綜合處理等課程實踐和本科畢業(yè)設(shè)計。

    利用該系統(tǒng)可以開設(shè)GNSS靜態(tài)組網(wǎng)、基線解算、高精度實時變形監(jiān)測和RTK坐標(biāo)采集等實驗項目,服務(wù)GNSS原理與應(yīng)用、變形與沉陷工程學(xué)、衛(wèi)星導(dǎo)航算法與程序設(shè)計、工程測量學(xué)、誤差理論與測量平差基礎(chǔ)等課程的實踐教學(xué),促進北斗導(dǎo)航應(yīng)用端的發(fā)展。同時,常年的GNSS基準(zhǔn)站網(wǎng)觀測數(shù)據(jù),可為焦作地區(qū)提供氣象、地殼形變的地面驗證數(shù)據(jù)。

    (五)借助虛擬仿真技術(shù),開設(shè)無人機虛擬仿真測圖等實踐項目

    虛擬仿真實驗教學(xué)依托虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象,具有較高的沉浸性和逼真性。為擺脫傳統(tǒng)實踐教學(xué)在空間和時間的限制,緩解新冠疫情對教學(xué)質(zhì)量的負(fù)面影響,我校測繪學(xué)院積極開展虛擬仿真試驗項目建設(shè)。目前,測繪學(xué)院已獲批國家級虛擬仿真實驗教學(xué)項目1項(礦區(qū)地表形變監(jiān)測)、省級虛擬仿真實驗教學(xué)項目8項,獲評測繪空間信息省級虛擬仿真實驗中心1個、省級虛擬仿真實驗教學(xué)課程群1個。虛擬數(shù)字測圖(水準(zhǔn)儀、全站儀、RTK)、虛擬無人機測圖、虛擬礦場等虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)中的運用,讓工科實踐教學(xué)不再受限于實驗儀器和實習(xí)場地,為學(xué)生提供了充分的實踐機會,加深了學(xué)生對無人機操作、航測數(shù)據(jù)采集以及理論知識的理解,有力提高了學(xué)生作為學(xué)習(xí)主體的主動性、積極性與創(chuàng)造性。

    五、結(jié)語

    在數(shù)字化測繪到智能化測繪的轉(zhuǎn)型升級過程中,測繪學(xué)院將測繪新設(shè)備、新技術(shù)及時引入測繪類專業(yè)本科教學(xué),豐富了測繪專業(yè)的內(nèi)涵,引導(dǎo)學(xué)生及時了解行業(yè)發(fā)展動態(tài)和市場需求,掌握新型測繪產(chǎn)品的制作和生產(chǎn)過程。通過教學(xué)理念、教學(xué)體系的更新,專業(yè)教師幫助學(xué)生進行學(xué)科交叉融合,強化了對學(xué)生工程實踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng),提升了測繪地理信息高素質(zhì)人才的培養(yǎng)成效,滿足了產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級與區(qū)域發(fā)展對人才的需求。實踐教學(xué)改革之路任重而道遠(yuǎn),測繪新設(shè)備和新技術(shù)的引入,無疑會幫助測繪類高校培養(yǎng)具備新素養(yǎng)的“新工科”人才,提升人才培養(yǎng)的核心競爭力,促進“新工科”改革的實施。

    [ 參 考 文 獻 ]

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    [責(zé)任編輯:鐘 嵐]

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