测绘新技术赋能地方高校测绘类本科实践教学改革与实践

时间：2024-05-08

王宇　程钢　柴华彬　郭灵辉　张文志

［摘要］实践教学是提升工程教育实践效果和学生工程能力的重要基础。面对全社会数字化发展、智能化转型的时代浪潮，基于水准仪和全站仪等的传统测绘技术已经无法满足测绘行业需求，测绘类专业本科实践教学改革势在必行。文章聚焦“新工科”建设理念，根据经济社会发展和行业发展对“新工科”人才培养的实际需求，分析了当前测绘类本科实践教育教学存在的问题，指出了测绘技术体系和测绘产品的新变化，并以河南理工大学测绘与国土信息工程学院为例，介绍了利用航测无人机、移动LiDAR、无人测量船等测绘装备和新技术更新实践教学体系的做法和经验，阐述了测绘新技术在本科实践教学中的应用和价值，以期为其他地方高校测绘类专业“新工科”建设提供参考和借鉴。

［关键词］测绘新技术；本科实践教学；“新工科”；人才培养

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2023）11-0044-05

国家正在实施创新驱动发展战略、制造业强国战略和“一带一路”建设。培养理论基础厚、实践能力强的高素质创新型人才，对于支撑服务第四次工业革命浪潮下的新技术、新产业、新业态、新模式“四新经济”发展具有重要意义[1-3]。为主动应对新一轮科技革命与产业变革、支撑服务国家战略，2017年以来，教育部积极推进“新工科”建设，探索工程教育的中国模式、中国经验。测绘空间信息不仅在国土空间规划、自然资源开发与利用、生态环境保护等方面作用重大，还与国家安全、领土主权和智慧城市建设等息息相关。随着航空航天科技、大数据、“互联网+”等新技术的发展，测绘由数字化走向智能化，测绘地理信息领域成为科技革命的重要战场，测绘学科与空间信息学科不断交融，相关应用和服务也向着各个行业拓展[4-5]。因此，将现代测绘新技术及时纳入教学体系，更新教学内容，改革实践教学模式，培养顺应高等教育改革方向、满足经济社会发展的测绘类工科人才迫在眉睫。

河南理工大学（以下简称我校）是中央与地方共建、以地方管理为主的河南省特色骨干大学，学校工科优势突出，理学、经管、人文等学科协调发展[6]。我校测绘类专业最早可追溯到1960年招生的矿山测量本科专业，具有一级学科博士学位授予权。我校测绘科学与技术学科入选河南省高校“双一流”创建工程。我校测绘类专业以“新工科”建设为契机，依托学科优势资源，加强了测绘新技术引领；以实践教学改革为抓手，强化了本科生工程实践和创新能力培养，提升了学生解决复杂工程问题的能力。

一、“新工科”对工程实践能力和实践教学的新要求

目前，我国工程教育领域的教育教学改革已经在“CDIO”（Conceive构思-Design设计-Implement实现-Operate运作）、工程专业认证、卓越工程师培养等方面进行了多年的探索、积累和实践[7]。教育部在2017年提出了“新工科”概念，发布了《“新工科”建设行动路线》[8-9]，标志着我国工程教育教学改革开始走上一条能够把握世界经济、科技发展趋势，适合中国国情的新道路。“新工科”要求树立综合化工程教育理念，创新工程教育的人才培养模式、专业结构和教育教学方式方法，深入推进高等工程教育改革[10]。综合性高校、工科优势高校和地方工科院校既要培养大国工匠，也要培养普通工程人才，这两种人才均需具备创新意识和创新能力，是既懂人文又懂工程的综合型人才。

“新工科”的诸多内涵有利于高校教育教学的改造升级，有利于培养具有扎实工程知识和较强的工程实践能力的多层次多类型人才。同时，“新工科”也倒逼相关高校推动教育理念、培养目标、专业设置、课程体系、培养途径、培养制度和教学组织形式等的改革，构建工科专业和课程新结构，使工程教育人才培养能够适应相关行业向价值链中高端发展的迫切需求。

二、地方行业高校测绘类专业实践教学存在的问题

地方高校培养的专业人才为地方经济社会和相关行业发展做出了重要贡献，但随着“四新经济”的发展，地方高校工科人才培养出现了诸多不适应的现象。

（一）教学模式重知识、轻能力，学生创新能力不足

长期以来，地方高校本科教学主要以理论知识传授作为教学过程中的主要驱动力，强调以教学进程为导向、以知识为导向，对学生的工程实践能力和创新能力培养关注度不够。

（二）教学设备落后于实际生产需求，学生工程实践能力有待提高

由于财政拨款、办学经费等的限制，地方高校实践条件建设经费不足[11]，难以投入大量资金购买先进的测绘仪器设备，实验室软、硬件设备更新频率较低，新型测绘装备购置不足，实践教学仍以传统水准仪、全站仪和GNSS接收机等为主，导致教学设备落后于实际生产需求。

（三）教师学历层次提升较大，但“双师”型教师或工程实践经验丰富的教师较少

高校教师是教学、科研乃至管理的主要实践者，教师的工程实践能力和科研水平不高无疑会制约学生的培养质量[12]。随着师资队伍的不断建设，地方高校教师的学历层次呈现上升趋势，部分教师虽是应届硕士或博士研究生，但工程项目实践经验较少，在实践教学过程中不能有效把握行业发展变化，易与社会实际需求脱钩。

以上测绘类本科专业实践教学存在的问题，一定程度上限制了学生工程实践能力和创新能力的培养，无法满足“新工科”对工程实践能力培养的要求，不利于破解“教育脱离产业、學校脱离企业、教学脱离实践、学生脱离实际”这个长期困扰高等教育的难题。

三、测绘新技术与新型基础测绘产品介绍

基础测绘经历几十年的发展，其成果为社会各行业、领域提供了不可替代的基础性服务。传统基础测绘产品按照产品形态和数据组织方式等可以归纳为以数字正射影像图（DOM）、数字栅格地图（DRG）、数字高程模型（DEM）和数字线划地图（DLG）为代表的4D产品，这些产品已广泛应用于国土、规划、测绘、建设等行业领域。虽然传统4D产品形式上已变成数字的，但仍有成果品种单一、社会经济和人文信息不全等缺点。基础测绘成果标准化、制式化的产品形式，已经不再适应信息化社会对多样化、精细化、个性化测绘地理信息的需求。测绘领域历来是高新技术的催生者、应用者和集成者。随着全球导航定位系统、遥感卫星技术、数字摄影测量、三维激光扫描、无人机测图、倾斜摄影等技术的出现和革新，测绘技术体系的升级换代，催生了一批测绘地理信息的新业态、新产品。

《国务院关于全国基础测绘中长期规划纲要（2015—2030年）的批复》（国函〔2015〕92号）提出“到2030年，全面建成新型基础测绘体系”，要求全面提升测绘地理信息服务能力，形成以基础地理信息获取立体化实时化、处理自动化智能化、服务网络化社会化为特征的信息化测绘体系，基本形成以新型基础测绘、地理国情监测、应急测绘为核心的完整测绘地理信息服务链条。以“3S”（GPS、RS、GIS）为代表的上一代技术体系正在与互联网、大数据、人工智能等高新技术进行深度融合，陆续出现了实景三维模型等比较成熟的新型测绘产品，很好地满足了各行业领域和社会民众的多元化需求。这些新型基础测绘体系下的新型测绘产品，按照其用途，可以分为地理场景产品（包括实景三维模型、可量测实景影像、激光点云等新型测绘产品和传统测绘4D产品）和地理实体产品（指物理世界在计算机环境下的“抽象”）两大类。

新型基础测绘体系和产品的发展，倒逼测绘类本科教学必须引入测绘新技术，并对人才培养体系，尤其是实践教学体系进行改革升级，以适应产业转型升级与区域发展对人才培养的需求。

四、我校测绘新技术本科教学实践案例

为提高学生工程实践素养及创新能力，我校测绘与国土信息工程学院（以下简称测绘学院）在学科建设政策的大力支持下，持续购置了大疆精灵4RTK无人机，华测P330Pro垂起固定翼无人机，Leica-ALS50-II 型机载LiDAR、MinSAR、SWDC数字航摄仪，无人测量船，室内外三维激光测量系统，陀螺经纬仪等多款测量仪器设备及高性能计算机，并将它们投入本科实践教学当中。

（一）利用无人机测绘系统，开设无人机大比例测图等实践项目

随着航测无人机的普及，越来越多的地面测量工作已经被无人机取代。我校测绘学院开设的多门理论课程和集中实习已经设置了无人机大比例测图、倾斜摄影以及内业处理等实验教学项目。通过在无人机遥感原理与应用、数字测图原理与方法实习、空间信息数据综合处理实习、现代测量技术实习、测量与遥感实习等课程中的教学实践，学生可以掌握全站仪、RTK与无人机的联测（制作数字线划图DLG）、三维模型制作及WebGIS开发[13]、卫星影像与无人机影像的综合处理分析（遥感分类、精度对比分析、DEM地形分析）等实践技能。

另外，我校测绘学院利用集中实习机会，积极开展社会实践，让学生将所学技能运用到解决乡村振兴的实际问题中（如图1所示）。学生在教师带领下利用华测P330Pro垂起固定翼无人机航测平台，开展无人机低空摄影测量工作，获取覆盖南朱营村的正射和倾斜影像，建立南朱营村正射底图和三维模型，开展南朱营村水系测绘和地势分析，为南朱营村科学开展防汛减灾工作提供精准的测绘数据。在实践过程中，教师注重引导学生增强社会责任感、树立家国情怀，实现课程思政育人。

（二）利用新型北斗接收机，开设GNSS观测与平差等实践项目

全球导航卫星系统（GNSS）与空间地理信息的融合发展，正在为经济社会发展和国防建设提供强有力的保障与服务。测绘学院在已有GNSS接收机的基础上，建立了北斗导航实验室，并在南校区安装了4台连续工作的GNSS静态接收站（如图2所示）。该接收站采用华测导航公司的P5接收机，工作模式支持主流导航系统（美国GPS、欧洲伽利略、俄罗斯格洛纳斯以及我国的北斗）。静态相对定位时，该接收站的水平精度可达±2.5mm+0.5ppm，垂直精度可达±5mm+0.5ppm；动态相对定位时，该接收站的水平精度可达±8mm+1ppm，垂直精度可达±15mm+1ppm。利用该设备可以开设GNSS静态组网、基线解算、高精度实时变形监测和RTK坐标采集等实验项目，也可以服务GNSS原理与应用、变形与沉陷工程学、卫星导航算法与程序设计、工程测量学、误差理论与测量平差基础等课程的实践教学，促进北斗导航应用端的发展。同时，常年的GNSS基准站网观测数据，可为焦作地区提供气象、地壳形变的地面验证数据。

（三）利用无人测量船，开设水下地形测量、水库库容分析等实践項目

为了进行河道（水下地形）测量，测绘学院购置了华微3号无人测量船（如图3所示）。该设备搭载了单波束雷达、GNSS模块、相机、惯导系统、避障模块等技术，具有自动航行和手动航行（在岸边水浅处使用，可补测自动航行未观测之处）两种模式，可实时获取水深及水底高程信息。利用该设备可以采集焦作新河、龙源湖、青天河水库等大型水域的水底地形，进行库容分析，也可以服务工程测量、数字高程模型的实践教学。利用无人机航测技术获取水上、水下的数字高程模型（DEM）及三维模型，可为科学防汛提供测绘数据支持。

（四）利用三维激光扫描设备，开设点云数据采集与内业处理实践项目

三维激光扫描技术是利用激光雷达（Light Detection And Ranging，LiDAR）设备，通过记录被测物体表面大量密集的点坐标、反射率、纹理和全景图等信息，通过计算机辅助计算，提供三维空间点云模型。为丰富三维激光数据采集方式、扩展应用场景，我校测绘学院购置了一套北京四维远见信息技术有限公司研发的QS轻型室内外测量系统。该系统的轻扫设备灵活轻便，可折叠，支持“有路轻载（三轮车、汽车）、无路人工背负”的作业方式（如图4所示），提高了作业效率和安全系数。使用该系统在进行外业采集时，通过配备的手簿可实时查看激光点云扫描状况，支持暂停、继续扫描等操作；在进行内业处理时，无须人工配准，只需将数据导入配套软件QSCloud或者ZXMap，软件即可根据内置SLAM算法处理数据，最后得到测区整个的LAS点云数据。该系统降低了激光点云数据的获取和处理难度，方便本科生进行实践创新。利用该系统可以开展建筑物三维模型构建、点云分类、土方量计算、隧道测量、矿区变形监测等实践项目。另外，我校测绘学院也拥有地面LiDAR[14]和车载LiDAR设备[15]，可服务三维激光扫描技术、矿山测量、空间信息综合处理等课程实践和本科毕业设计。

利用该系统可以开设GNSS静态组网、基线解算、高精度实时变形监测和RTK坐标采集等实验项目，服务GNSS原理与应用、变形与沉陷工程学、卫星导航算法与程序设计、工程测量学、误差理论与测量平差基础等课程的实践教学，促进北斗导航应用端的发展。同时，常年的GNSS基准站网观测数据，可为焦作地区提供气象、地壳形变的地面验证数据。

（五）借助虚拟仿真技术，开设无人机虚拟仿真测图等实践项目

虚拟仿真实验教学依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通信等技术构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，具有较高的沉浸性和逼真性。为摆脱传统实践教学在空间和时间的限制，缓解新冠疫情对教学质量的负面影响，我校测绘学院积极开展虚拟仿真试验项目建设。目前，测绘学院已获批国家级虚拟仿真实验教学项目1项（矿区地表形变监测）、省级虚拟仿真实验教学项目8项，获评测绘空间信息省级虚拟仿真实验中心1个、省级虚拟仿真实验教学课程群1个。虚拟数字测图（水准仪、全站仪、RTK）、虚拟无人机测图、虚拟矿场等虚拟仿真技术在教学中的运用，让工科实践教学不再受限于实验仪器和实习场地，为学生提供了充分的实践机会，加深了学生对无人机操作、航测数据采集以及理论知识的理解，有力提高了学生作为学习主体的主动性、积极性与创造性。

五、结语

在数字化测绘到智能化测绘的转型升级过程中，测绘学院将测绘新设备、新技术及时引入测绘类专业本科教学，丰富了测绘专业的内涵，引导学生及时了解行业发展动态和市场需求，掌握新型测绘产品的制作和生产过程。通过教学理念、教学体系的更新，专业教师帮助学生进行学科交叉融合，强化了对学生工程实践和创新能力的培养，提升了测绘地理信息高素质人才的培养成效，满足了产业转型升级与区域发展对人才的需求。实践教学改革之路任重而道远，测绘新设备和新技术的引入，无疑会帮助测绘类高校培养具备新素养的“新工科”人才，提升人才培养的核心竞争力，促进“新工科”改革的实施。

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