无人机遥感技术在土地生态学教学改革中的应用

    谢团辉 季翔

    【摘? ?要】 与传统的遥感数据相比，无人机具有高时效、高分辨率和高机动性等优势，是传统卫星无法比拟的。传统的土地生态学具有课程教学内容更新不及时、实践环节偏弱和难以激发学生的兴趣等缺点，土地生态学课程改革也成为了未来的必然趋势。无人机作为地生态学研究的重要数据来源，可与土地生态学中的群落物种多样性的研究、土地生态调查和土地生态规划与重建等知识点相切合，激发学生的学习积极性和实际动手能力，能为社会培养掌握先进无人机技术、动手能力强的现代科学人才。

    【关键词】 土地生态学;无人机;教学改革

    [Abstract] Compared with traditional remote sensing data， UAV has advantages such as high timeliness， high resolution， and high maneuverability， which are unmatched by traditional satellites. Traditional land ecology has the disadvantages of not updating the course teaching content promptly， weak practice links， and difficult to arouse students' interest. The reform of the course of land ecology has become an inevitable trend in the future. As an important data source for geoecological research， drones can be related to the knowledge of community species diversity in land ecology， land ecological surveys， and land ecological planning and reconstruction， which can stimulate students' enthusiasm and practicality in learning. Hands-on ability can cultivate modern scientific talents who master advanced UAV technology and have a strong hands-on ability for society.

    [Key words] land ecology; uav; teaching reform

    生态学研究中的野外生態数据的获取一直以来都具有挑战性，通过遥感、地理信息系统等技术可实现对地球表面的多维立体观测，获取多样化的地理空间信息数据，进而实现从不同的时间和空间尺度对生态学开展相关研究，并取得了众多研究成果[1]。土地生态学作为生态学的分支学科之一，以土地生态系统为研究对象，调查分析系统构成要素与生态过程，优化调控系统结构与系统功能，是合理利用土地资源、促进可持续发展的生态学基础。近几十年来，3S技术对推动生态学特别是土地调查、获取土地动态信息等方面的迅速发展起着重要的推动作用[2]。无人机遥感技术作为3S技术的手段之一，使用航摄仪、航空数码相机等设备对地面拍摄，采集空间信息数据，是开展土地生态学研究数据获取的信息数据来源。土地生态学专家可利用无人机获得的遥感数据，结合3S技术，开展土地生态利用变化、土地生态群落物种多样性、三维建模、土地生态规划和重建等方面的研究[3，4]。在以往的土地生态学教学中，学科课时少、实践陈旧、创新性不足，难以与目前主流的实践内容相匹配。因此在土地生态学教学课程中，加入无人机遥感技术，可提高教学效果和学生的学习积极性，同时可为社会培养一批专业性人才。

    1? 无人机概述

    无人机（简称UAV-Unmanned Aerial Vehicle）是一种低空无人飞行器，可搭载多种设备，如数码相机、激光扫描仪和红外扫描仪等来获取信息;其具有采集空间数据灵活、易操作、适应多种复杂地形条件，可快速获取高分辨率空间数据等的特点;因而无人机遥感技术已在多个领域推广和应用，如：地形和海洋测绘、空间三维建模、自然资源国土调查、空间生态规划与重建、不同植被类型与覆盖度调查和生物群落多样性监测研究等[5-8]。

    目前国内的无人机系统种类繁多，在大小、质量、飞行高度、速度、航程、和航时等方面差异性较大;无人机分类方式很多，但无统一标准，出于不同行业的需求会有不同的分类方法;从尺度方面分类，无人机可分为微型、轻型、小型中型以及大型。从技术层面分为：固定翼和旋翼无人机、无人飞艇和直升机、 伞翼无人机、垂直起降无人飞机等;在土地生态学研究中，最受欢迎和青睐的是小型、轻型、微型和旋翼无人机，其中旋翼无人机能够实现目标悬停的特点，更适用于土地生态中的空间数据获取。其次为固定翼无人机，特点是飞行速度快、续航时间长、抗风性好，将其与GPS技术结合可获得较大面积测绘，适用于大面积范围的生态群落系统和植被类型等数据获取，但此类型无人机的缺点是稳定性较差、起飞条件要求较高、成本高。此外，无人机还可根据需要搭载不同的传感器，如数码相机，激光雷达扫描仪、光谱仪等[9]。

    2? 传统的土地生态学教学模式不足及改革必要性

    2.1? 课程知识体系内容更新不及时

    随着十九大报告 “加快生态文明体制改革，建设美丽中国” 的提出，土地生态学的发展与更新将会更加的迅速，要推进土地生态学的发展就要加快土地生态学知识体系的构建，加快提升研究土地生态的技术和方法，加快推进面向国家战略和决策需求的土地生态学实践应用等[10]。而原有的土地生态学课程内容体系难以适应社会对高校毕业生的需求。这主要是由于当前社会对土地生态学高层次人才的需求不在侧重于学术研究，而是要求创新、综合、应用三方面能力相融合。因此，不应一味培养学术型人才，要根据实际需求合理设置土地生态学课程，教学时要以理论知识为基础，通过实践这个抓手，将理论与实践相结合，从实践中来到实践中去。

    2.2? 实践教学环节较弱

    土地生态学课程体系应是理论知识、技术方法及其实践应用的总体结合。而目前高校对土地生态学课程学时设置较少、教学实践所需的仪器设备较为昂贵，加上高校的教学经费有限，因此现有实践课所学内容大多为一些方法陈旧、成本较低、创新性不足的实验，这就与目前社会上主流的实践内容相脱节。当前，更多的土地生态学主要以理论教学为主，与实践教学内容联系不紧密，不仅欠缺综合性、创新性、探究性和设计性等实践内容，而且还欠缺与主流前沿学科的关联，在实现与不同课程、不同学科之间的知识体系、实践内容相切合很难实现。因此，需要注重实践教学环节。

    2.3? 学生对课程内容兴趣与积极性不高

    土地生态学是一门交叉学科领域，具有课程知识面广、内容多且繁杂，概念抽象、部分知识体系理论性较强等特点，难以引起学生的学习兴趣与积极性。另外土地生态学更多时候只注重基础知识的讲解，教学中单纯的理论内容较为枯燥乏味，常常生硬地传授给学生，使得课堂变得更加无趣，学生更加难以吸收且参与度不高。因此丰富土地生态学的教学模式也是提升教学质量的有效方法之一。

    基于以上传统教学模式的不足、难以激发学生学习热情、理论脱离实际等问题，为提高学生的兴趣与积极性以及对知识内容的掌握程度，也为与社会实践相接轨，土地生态学的理论、实践内容等课程的改革刻不容缓。目前无人机作为一种新兴的高科技行业，随着科学技术的快速发展，无人机应用逐渐由军用转向民用领域，在农业、环保、电力、国土等行业日渐成熟，尤其在土地生态学中的土地生态群落物种多样性的识别分类与调查，土地生态调查、规划与设计、土地生态修复与重建等应用上起到关键技术作用;为了适应新时代土地生态学的教学要求，亟待将无人机技术引人土地生态学课程体系中，使学生能够接触到无人机，进而逐渐提高学习兴趣和掌握最新的专业技能。

    3? 无人家遥感技术在土地生态学课程教学改革切合点

    3.1? 群落物种多样性的研究

    由于受遥感影像比例尺的限制，低分辨率的卫星遥感影像很难开展对群落物种多样性等调查研究。而通过无人机遥感技术获取的高分辨率数据可识别单个或多个群落物种的空间分布格局。国内外学者已通过无人机技术对动植物种群进行了研究[11-13]。如Zweig等利用无人机搭载单反相机获取区域数字正射影像，对湿地植物进行物种识别及植被分类，成功识别了区域内的几种草本植物，并获得较高精度的植被类型图[14]。Zhang等利用小型无人机调查了森林冠层结果参数对植物多样性的影响[15]。Messinger等利用无人机遥感影像在亚马逊地区快速准确估计了地上生物量[16]。周在明等，通过无人机遥感技术获取的可见光和多光谱影像，监测调查入侵植物大米草，并获得其植被覆盖度[17]。由此可见，在群落物种的识别上无人机已经得到的广泛应用，将无人机引入土地生态学中群落物种多样性的知识体系中，可以更好更直观的研究。

    3.2? 土地生态调查

    土地生态调查主要包括农业土地生态调查、城市土地生态调查和海洋生态调查，主要的调查手段为野外考察[18]。随着无人机的广泛应用，也逐步成为土地生态调查的主要技术方法，通过无人机的高分辨率、多光谱等特点，其利用价值得到真正的体现，特别是在中小比例尺的土地生态调查中，可获得的生态调查信息量更大，精度更高。在2017-2019年的国土第三次调查中，无人机充分发挥了灵活性和获取高分辨率影像的特点，在国土调查中具有非常高的应用价值：外业方面，缩短了调查时间，提高了工作效应，在针对部分因地形因素造成外业人员无法抵达的地区，均可使用无人机前往进行航拍，使用高分辨率的航拍影像进行举证;内业方面，提高内业信息提取的能力和地类判读的准確性，解译的准确率远高于卫星遥感影像的内业解译成果，减少误差。可见，利用无人机技术，可将土地生态信息更好的处理与管理，使土地生态调查中的一些重要问题更简单，更直接的解决，土地生态学与无人机的结合更能与现代社会的应用实践相贴合。

    3.3? 土地生态规划与重建

    无人机在土地生态规划方面，主要是借助高清晰的相机与稳定性的云台，可清楚稳定的拍出土地生态的整体面貌、范围大小、内部的道路、河流、景观等重要信息，从而从较大尺度上可以对原有的土地要素优化结合以及重新配置、调整或构建新的土地格局及功能区域，更好的体现“总体规划”的原则。重建方面，鲁恒针对地震灾区重建规划设计的需求，将无人机系统获取的影像进行处理，重建规划设计模型并引入三维可视化地理信息系统环境对地震灾区重建规[19]。另外，无人机遥感系统已在08年汉川地震抗震救灾中得到成功应用，无人机系统凭借其机动灵活，体积小，起降时不需专用跑道，受天气的影响较小的优势，快速采集到了地震灾区的遥感影像，清晰直观的反映了灾区地质灾害情况，为领导迅速了解地震灾区受灾情况、科学指挥抗震救灾及地震灾区灾后重建规划设计工作提供了重要的数据支撑。因此，无人机与土地生态学的切合，更能为土地生态规划和重建提供一种可行的布局规划和重建手段。

    4? 展望

    随着社会科学技术的发展，无人机搭载的平台将会更丰富多彩，这也为土地生态学的空间数据获取带来更多的可能性。技术的革新促进学科的发展，无人机技术将为土地生态学技术带来更多的机遇和挑战。综上所述，从现今社会发展对人才的需求角度来看，无人机遥感技术能推进土地生态学的知识体系的构建以及技术方法的革新。通过土地生态学的理论教学、科学研究以及社会实践三者的有机结合，在丰富课程讲授内容的基础上，不仅有利于激发学生的学习兴趣和积极性，并且可提高学生的实际动手能力，为现代社会培养创新型、应用型和综合型的社会高层次人才。

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    （编辑：赫亮）