新工科背景下面向智能测绘的无人机测绘课程群开发路径研究

摘  要：随着新工科建设和智能化测绘的不断推进，测绘类相关高校应及时对测绘类专业的课程进行改革，但目前大多开设无人机测绘相关课程的测绘类高校教学重点没有突出新工科背景下面向智能测绘的相关技术在无人机测绘中的应用，该文从教学内容、实践教学方式、考核方式三方面出发，对相关教学体系进行改革，以期能够推进新时代无人机测绘课程群的开发进度，培养更多符合时代要求的测绘学科人才。

关键词：新工科建设；智能测绘；无人机测绘；课程群；人工智能

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）34-0089-04

Abstract： With the continuous advancement of new engineering construction and intelligentized surveying and mapping， surveying and mapping related colleges and universities should reform the courses of surveying and mapping majors in a timely manner， but at present， most of the surveying and mapping colleges and universities that offer UAV surveying and mapping related courses do not highlight the application of related technologies for intelligentized surveying and mapping in UAV surveying and mapping under the background of new engineering. Starting from three aspects of teaching content， practical teaching method and assessment method， this paper reforms the relevant teaching system， in order to promote the development progress of UAV surveying and mapping course group in the new era， and cultivate more surveying and mapping talents in line with the requirements of the times.

Keywords： new engineering construction; intelligentized surveying and mapping; UAV surveying and mapping; course group; artificial intelligence

专业课程群从课程定位以及课程之间的逻辑关系出发，将不同专业间共同开设的但要求有所不同的课程知识点有机组织，能够有效指导教师的授课重点[1-2]。随着新工科建设和智能化测绘的不断推进，同时为了应对新时代国家和社会对测绘类专业人才的需求，测绘类相关高校应及时对测绘类专业的课程进行改革，探索实施测绘类专业新工科教育人才培养的“新课程模式”。在新工科背景下，要构建新工科专业和传统工科专业相辅相成的学科新结构，结合发展人工智能、云计算、机器人和物联网等相关的新工科及特色专业集群，其中测绘类专业是与其紧密关联的专业[3-5]。测绘技术历经模拟测绘和数字测绘，现已迈入智能测绘时代，其中的多专业交叉融合必将成为测绘技术发展的主要特征，尤其是与新兴技术的融合。

围绕新工科背景下智能测绘时代的测绘课程体系研究，国内外开展了大量研究工作。早在2017年，时任天津大学校长、现任中国农业大学党委书记钟登华院士就已经指出物联网和人工智能等是未来五年内新工科背景下高等教育技术应用中的主要技术[6-7]。武汉大学龚健雅院士[8]指出了人工智能时代测绘遥感技术面临的机遇和挑战，介绍了人工智能在测绘遥感领域的应用进展，希望测绘遥感学科在人工智能时代获得大发展。2021年，中国工程院潘云鹤院士团队指出了借助大数据和人工智能等技术，建设测绘地理信息2.0时代的重点任务[9]。自然资源部国家基础地理信息中心陈军院士等[10]指出了智能化测绘的三个基本问题，包括测绘自然智能的解析与建模、混合型智能计算范式的构建与实现、赋能生产的机制与路径。为了切实推动智能测绘的科技研发与工程应用，建议加强顶层设计，推动跨学科协同创新，促进产学研合作，营造良好发展环境。之后，武汉大学李德仁院士等[11]分析了智能测绘遥感卫星的适用体制，并对智能测绘遥感卫星的发展和使命进行了总结与展望。以上研究为新工科背景下面向智能测绘的无人机测绘课程群开发路径研究提供了很好的思路，具有一定的借鉴意义。

无人机测绘融合了无人机、遥感传感器、导航定位和图像处理等多学科技术。由于制作成本低和操作飞行步骤简易等优点，无人机在测绘领域得到了广泛的应用。目前，大部分开设无人机测绘相关课程的测绘类高校仍以无人机飞行操作和无人机图像软件处理为教学重点，并未突出智能测绘在无人机测绘中的应用，这种趋势并不符合新工科建设的宗旨。东华理工大学测绘与空间信息工程学院在无人机测绘方面开设有无人机测绘与应用、低空摄影测量与遥感、无人机测绘和无人机自然资源监测等课程，这些不同专业各自开设的课程之间存在一定的联系性。为此，本文将大数据、人工智能和云计算等技术引入无人机测绘课程群，对新工科背景下面向智能测绘的无人机测绘课程群的开发路径进行研究。

一  无人机测绘课程群面临的新问题

随着大数据、云计算、AI和物联网等新兴技术的出现，测绘行业迅速发展，测绘科学与技术已迈入智能化时代。智能化测绘最显著的特征是跨界融合、泛在感知、智能自主和精准服务，对测绘类专业的人才需求提出更高的要求[12]。传统测绘的单一教育模式已无法支持人才教培的要求，因此，无人机测绘课程群急需进行优化升级。

（一）  教学内容尚需交叉

鉴于无人机技术应用广泛，国内部分高校大力发展无人机相关的专业及课程。诸如北京航空航天大学开设有无人驾驶航空器系统工程本科专业以及飞行器设计、航空宇航制造工程和航空宇航科学与技术等硕士、博士专业。西北工业大学在无人机领域具备较为充分的学术积累，是无人机高水平人才的摇篮，开设了飞行器设计与工程、飞行器动力工程、飞行器控制与信息工程和航空航天工程等本科专业，建设有无人飞行器技术全国重点实验室，负责无人机研发和生产等方面工作。这些学校无人机相关专业的开设都为无人机测绘课程奠定了坚实的基础，现今绝大多数测绘类相关专业均开设了无人机测绘课程群。但随着无人机测绘、三维激光扫描、图像处理等技术的发展，在新工科建设和智能化测绘时代的大背景下，无人机测绘课程群需要与大数据、云计算、人工智能和物联网等新兴技术紧密结合。然而，大部分学校相关课程仍保持在传统的独立状态而未与各种快速发展的新兴技术接轨，最终培养出的人才将不具备跨学科的知识整合能力，难以适应当今复杂多变的智能测绘任务。因此，有必要对现今的无人机测绘课程群内容进行升级改造，通过在课程内容中加入大数据、云计算和人工智能等相关知识，以提升学生自身的硬实力。

（二）  实践教学方式有待改进

现阶段许多高校在无人机测绘课程的设置上过于重视理论教学，而轻视实践能力的培养，课程设置中实践内容学时占比较少的现象非常普遍[13]。一方面，这不利于相关专业学生积累实践经验，提升自身的实践能力。在无人机测绘实际作业中可能会遇到飞行稳定性差、遥控距离受限、电池续航时间不足、数据传输和存储困难，以及飞行安全和法律法规等问题，这些问题都需要学生在实际作业前进行充分准备和合理规划，并采取相应的解决措施，而学生很难在目前过于重理论轻实践的教学方式中学习到相应技能；另一方面，无人机测绘课程群专业性强、内容难度较高，仅以书本中的理论知识为主而不辅以实践内容进行教学，对于缺乏扎实理论基础的学生来说，学习难度较大，容易失去学习兴趣。此外，还存在部分高校购买了昂贵的无人机测绘设备，却不让学生上手操控，而将这些仪器设备当成摆设，不能发挥实际的教学作用的现象。在无人机测绘课程群的实践教学中，出于场地、仪器设备、人员等的限制，教学内容可能存在与具体复杂多变的工作内容差别较大的情况，会导致学生在实际工作或更深层次的科研工作中遇到困难等。由上述内容可以看出，传统的无人机测绘课程群的实践教学没有遵循“宽基础、大专业、小方向”理念，在实践平台设置上缺乏综合性和交叉性，难以培养出学生的创新思维和实践能力[14]。因此，有必要构建更符合时代需求的实践平台，打造更贴合专业发展趋势的实践教学培养方案，优化课程体系设置，加强实践训练，提高课程的实用性，最终实现提升学生相应实践能力的目标。

（三）  考核方式急需优化

传统无人机测绘课程群教学中学生的最终成绩通常为“平时成绩”和“考试成绩”两部分相结合，其中平时成绩往往为出勤情况、作业及实验报告等。但出勤情况难以反映学生是否真正掌握了所学知识，作业及实验报告是学生课后完成的，往往与同班同学的实验结果有很多相似之处。然而，由于所进行的实验或分配任务的同一性，很难区分其是否存在剽窃或借用行为。此外，许多学生只用几句话就将实验总结与心得介绍完，仅用一种敷衍式的态度完成实验，实验过程中的各类操作也是机械式地重复完成而无法理解其中的意义，在考试中许多学生的做法也与实验相似，只是将书本上的文字默写下来作为答案而并没有真正地掌握所学知识。这种教学成绩评定方式也给任课教师带来了很大负担，教师无法知晓学生对知识的实际掌握情况，难以客观、全面地评定成绩。因此，传统无人机测绘课程群考核办法不利于促进学生自主学习、生生互动和师生互动。为了落实新工科建设提出的“形成以学习者为中心的工程教育模式”，需优化无人机测绘课程群的考核办法。

二  无人机测绘课程群开发路径

为了建立新工科背景下面向智能测绘的无人机测绘课程群，本文针对上述传统无人机测绘课程群教学中存在的问题提出新工科背景下智能测绘时代无人机测绘课程群培养的一系列新方案、新路径、新办法，以求能够实现提高学生的动手能力、增强学生团队合作和互动交流能力、提高学生的代码编写能力、调动学生学习的主动性和积极性等目标。

（一）  新工科背景下智能测绘时代无人机测绘课程群培养新方案

新工科背景下智能测绘时代应培养测绘类专业学生具备跨新兴技术的综合能力，当今培养方案的教学内容不够丰富，因此需要构建跨专业的个性化培养方案为学生提供更丰富的教学内容。为了实现这一目标，国内各高校开展了大量研究工作。中南大学校长李建成院士团队提出了建立实时、泛在的测绘技术体系，旨在培养学生适应智能测绘时代的创新能力[15]。武汉大学黄海兰等[16]分析了智能测绘的时代背景，提出创新培养理念、专业交叉融合、理论实践并重的人才培养模式，构建以学生为中心、教师为主导的开放性课堂。南京信息工程大学臧玉府等[17]从人工智能背景下对测绘工程专业人才培养的要求出发，引入人工智能知识，深化了数字摄影测量课程教学内容。

不难发现，国内大量研究指出智能测绘时代的测绘类专业与大数据、云计算、人工智能和物联网等技术高度相关[7]，因此对无人机测绘课程群培养方案的修订。本文将在课程设置中充分考虑多专业课程结构，为学生引入一定量交叉专业的知识点，例如基于人工智能的无人机飞行航线规划和基于云计算的无人机航拍图像快速拼接等，使得学生掌握一些人工智能和云计算等新兴技术。此外结合本校教学实例可以知晓，无人机测绘类专业基础课程间也有高度相关性，低空摄影测量与遥感课程的知识点掌握扎实的学生，往往在高空间分辨率遥感和摄影测量学的课程考核中也能得到较高的成绩，此外数字图像处理、地理信息系统原理、遥感程序设计基础等课程也能发现相似的情况，因此除了在教学中引入其他新兴专业的知识外，也应加强本专业课程间的联系，比如进行课程联合考察，开展综合实验，这样一方面可以强化学生对于测绘本专业知识的掌握，另一方面也可以在进行联合教学时对不同课程教学内容进行整合，避免对相同知识点重复教学、降低学生学习兴趣、浪费时间与师资力量的情况发生。由上述专业外知识补充与专业内课程的联动两方面补充无人机测绘课程群的教学内容，以求真正建设新工科背景下面向智能测绘的无人机测绘课程群。