無人機遙感技術在地理教學中的應用

呂文清

（寧夏師范學院，寧夏固原 756000）

0 引言

黨的二十大報告明確提出“以中國式現代化全面推進中華民族偉大復興”的使命任務，同時也明確指出加快建設高質量教育體系，著力培養創新人才[1,2]。而全面深入推進基礎教育現代化，培養創新拔尖人才是深入實施科教興國戰略、人才強國戰略、創新驅動發展戰略的重要途徑。地理學是一門研究地球表層自然要素與人文要素相互關系與作用的科學，是融自然科學與社會科學于一體的綜合性科學[3]，在人類的全面發展、服務國家重大戰略需求等方面都有著重要的作用。強化地理學科的育人能力，提高學生的地理科學素養既是基礎地理教育的學科責任，也是服務國家重大發展戰略的要求。關注學科發展前沿，應用新技術手段豐富地理教學，對提升地理實踐教學水平、培養創新人才具有重要意義。無人機是未來網絡環境下一種數據驅動的空中移動智能體，而無人機遙感則是無人機應用最重要的引領性產業[4]。近年來，隨著無人機軟硬件技術的迅速發展和遙感技術應用研究的不斷深入，無人機遙感技術已在多個領域進行深入應用，并取得了顯著的成果。在地理教學中地理課程枯燥難度大、缺乏與其他學科的交叉并且教學目標較為單一，為了解決這一系列問題我們將無人機遙感技術融入日常教學中，讓學生通過自己動手去掌握和理解一些知識的內在邏輯。因此，在地理教學中應用無人機遙感技術對于培養學生的地理實踐能力和創新素養具有重要作用，這既是推進信息化教學向深拓展的重要舉措，也是革新教學手段、豐富地理課堂、激發學生學習興趣和學習效率的必要行動。同時將無人機遙感技術運用到教中還可以加強學生們的地理實踐力，培養綜合化的學生。本文擬對教育信息化建設背景下，無人機遙感技術+地理教學中的深度融合應用進行分析研究，以期提高地理學科創新型人才培養質量。

1 地理教學中存在的問題

1.1 創新能力不足，教學目標單一

目前，地理課程教學創新能力培養不足，教學目標層次較為單一，這與新時代對學生的要求不匹配。從日常地理教學過程來看，受課時制約教學內容的創新性、生活性、深度和廣度都在一定程度上難以有效深化，較少關注學生創新能力的培養。教學方法仍然沿用傳統教學模式，雖有引入信息化教學設備，但技術和內容仍然是對傳統教學模式的二次加工，只是改變了知識的展現形式，從書本、課件轉變為VR、AR支持下的可視化形式。

教學內容組織更多側重于考試，對學生的個性化需求和新技術、新方法的應用相對較少，對于新的技術如GIS、RS、GPS 技術及其相關應用雖有涉及，但僅僅停留在圖片、視頻等形式的展示上，沒有引導學生動手完成相關的創新性實驗，沒有讓學生從感性認識上升到理性認識。面對無人技術和遙感技術深度融合的應用背景和學科發展，教學中很難創設相應的教學情景，幫助學生了解新技術，形成科學認知，即使有引入無人機到教學中，也大多停留在無人機航拍視頻等娛樂應用，且學生操作相對較少。這不利于學生實踐能力的培養，也無法激發學生的創新意識，對于創新型人才培養的目標無法觸及，不能有效發揮地理課程的育人價值。

1.2 課程枯燥，學習難度大

從地理課程內容來看，地理知識涉及自然、人文等多個領域，理論性、實踐性較強，相對復雜枯燥，不易理解。因此，學生學習的積極性、熱情相對較低，課堂參與度、學習效果較差，在地理學科方向的興趣受到了打擊，甚至出現厭學情緒。面對理論性、實踐性較強的內容傳統教學改革中雖有觸及，但學生缺乏真實場景的接觸，很難理解理論背景。因此，在長期雙重因素的共同作用下，學生的學習興趣、學習效果受到影響，而在二者結果的進一步反噬下，地理教學逐漸從理解知識的維度向識記知識的低端維度遷移。而信息化教學的功能就是革新教學內容承載方式，變被動接受為主動探索，深度應用無人機遙感技術進行地理教學，將為這一問題有效解決提供支持。

1.3 交叉視野不足，培養過程割裂

從學科交叉的角度來看，地理教學大多立足于本課程、本領域的知識，對其他課程的融合和應用較少，沒有發揮出多學科交叉的課程優勢。從地理科學在人類的全面發展中的作用來看，當前的地理教學目標層次較低，較少從學生全面發展的角度設計教學內容和實踐活動，對學生感興趣、前沿科學話題關注度較低，不利于學生科學素養和創新精神的培養。人才培養過程中對多學科、多領域的知識割裂來看，對學科交叉認識不足，而這正是地理學本身所表現出的一大特性。地理學因其研究領域廣泛涉及自然、人文、地理信息等多個領域，表現出強大的學科交叉特性，這一特性使得地理學者也同樣具備這一素養。因此，引入新技術熱點，重視學科交叉特性，對于培養具備這一特性的創新人才具有重要意義。

從創新人才培養的角度來看，以往的創新素養培養大多面向少數的學習成績好的“高智商”學生，將學習成績高低與創新素養畫等號，造成了在其他方面有天賦的學生無法通過成績入圍。這種以成績劃分的方法，人為地將創新人才培養的對象進行了劃分，使創新人才培養中另一部分成績較低者無法被培養和挖掘，這難以適應當前時代發展的需要。在創新素養培養過程中，也存在拔苗助長的一些現象。在這一過程中，對選拔的學生提前灌輸相關的學科知識，忽略學生的年齡特征、心理特點、學習特點和主觀能動性。且創新素養培養過程多依靠課外活動、社團活動、拓展訓練課程等模塊進行，而這割裂了學科課程與創新素養培養之間的連接，進一步弱化了地理課程在創新素養培養方面的價值。

2 無人機遙感技術的教學價值

隨著天基導航通信系統等高新技術的快速發展，無人機已成為一種新興的遙感平臺，被廣泛地應用于國土航測、農林植保、大氣探測、災害救援、國防安全等領域，輕小型無人機遙感系統在數量和應用領域都占絕對主導地位[5,6]。無人機遙感主要應用于低空基礎地理信息數據獲取和處理，是區域快速測繪、傾斜三維模型構建、自然資源調查的重要工具，因機動性強、靈活安全、空間分辨率高、圖像采集周期短、操作簡單、成本低廉等優勢，成為衛星光學遙感的重要補充。作為遙感技術的重要組成部分，在地理教學中具有較好的應用價值。

首先，在地理教學過程中應用無人機遙感技術，可以讓學生對地理學的前沿技術領域有所了解，引導學生關注學科前沿技術發展，了解前沿地理信息技術領域的應用熱點，為學生的人生規劃提供一定的參考。因為學生大都認為地理是文科，對其自然科學屬性認識不足，導致學生在人生規劃中首先排除了從事地理科學研究這一選項。其次，無人機遙感技術與地理實踐力培養能夠有機結合，讓學生親自操作無人機獲取地理信息數據，通過軟件進行數據處理、數據分析與成果制圖，這對于培養學生的動手操作能力、數據處理與分析能力、解決問題能力具有一定的價值，也能激發學生的探索精神和創新意識。其次，無人機遙感貼近學生生活，可以為學生提供上帝視角觀測所處的地理環境，使學生從自己熟悉的區域出發逐漸將視角推移至全國、全球，深入理解人類生存環境的變化，思考人類活動與地理環境的相互關系[7]，引導學生關注身邊的地理，學習貫徹對生活有用的地理這一理念。最后，無人機應用的大眾參與度高，創新活躍度也很高，發展迅猛，融入地理教學中能夠激發學生的學習興趣，提高學生的獲得感和滿足感，提升課程的教學質量。

3 無人機技術教學場景重構

無人機攝影與傳統地理學景觀觀察法結合可吸引學生主動思考和探究，是中學地理教師培養學生發現生活中的地理知識和培養學生地理志趣的關鍵環節[8]。在地理教學中應用無人機獲取所在區域典型地理自然景觀、人文景觀的影像數據，幫助學生建構對所在區域地理景觀的認識，加深對所學地理課程內容的理解。如獲取所在區域河流的正射影像，讓學生結合所學的河流地貌知識，辨識該河流所處的位置是上游、中游還是下游，地貌特點如何等。通過無人機影像讓學生結合區域生態環境建設章節知識評價區域的生態環境質量，樹立自覺保護生態環境的責任感和使命感。結合對所在城市的正射影像，讓學生結合城市內部空間結構的知識辨識該城市的功能分區及其形態、特點和城市內部空間結構模式，分析城市內部空間結構模式形成的原因。還可以同時獲取鄉村的正射影像，讓學生通過城市與鄉村的影像數據特點總結城市與鄉村聚落的區別與聯系，分析城市與鄉村土地利用和功能分區的合理性，引導學生思考當前城鎮化過程中的出現問題，深刻理解城鎮化過程中需堅持以人為本、優化布局、生態文明和傳承文化的基本原則，深化發展有歷史記憶、地域特色、民族特點的美麗城鎮，不搞千城一面、萬樓一貌的認識[9]。

無人機傾斜攝影測量技術能夠快速獲取某一區域的三維地形，快速構建某一區域的三維模型，這在地理教學的多個方面具有應用價值，能夠更加直觀地表現地理知識，幫助學生理解相關的地理知識。如通過無人機獲取學校周邊的山體傾斜數據，利用軟件快速構建地形三維模型，結合獲取的數字高程模型，并以此生成該山體的等高線數據，直觀表達等高線與真實地形之間的關系，更好地幫助學生理解這部分內容。還可以利用無人機獲取野外某一典型區域的地質構造、地質災害點三維數據，使學生無需到現場就能直觀感受到地質構造的特點、地質災害點的狀況，理解無人機在野外數據采集、地質災害監測等方面的應用[10]。此外，無人機在古建筑保護領域也有重要的應用。在課程教學中，可利用無人機獲取不同地域的古建筑三維模型，使學生直觀感受建筑風格的地域特點及其與地理環境之間的關系，感受古建筑魅力和古人智慧，在內心深處形成高度的文化自信，樹立自覺保護古建筑的意識。

隨著生態文明戰略的深入推進，區域生態環境質量評價成為學界研究的熱點。近年來，多光譜無人機技術、高光譜無人機技術不斷發展，為快速獲取區域光譜指數評價區域生態質量提供了一種靈活、高效的技術手段。利用多光譜無人機獲取區域多光譜數據，并利用遙感數字圖像處理軟件生成如NDVI 數據等光譜指數，在ArcGIS 軟件中對NDVI 進行分級和統計以評價該區域的生態質量。能夠讓學生從數據獲取、處理到制圖與分析整個過程中感受到科學研究的魅力，培養學生的地理實踐力和創新精神；引導學生關注區域生態質量，自覺踐行生態文明戰略。還可以結合葉綠素儀對學校周邊農田的作物進行監測，反演作物的生物量、估測產量等，使學生不僅能深入科學研究過程中，還可以引導學生關注農業，深刻理解農業現代化在全面推進鄉村振興戰略中的重要意義。

4 無人機遙感地學創新培養模式

通過對傳統地理教學存在的問題進行分析發現，將無人機遙感技術與地理教學相結合成為地學創新人才培養的新方案，本文結合無人機遙感應用場景和地理人才培養中面臨的問題，提出了一種無人機遙感支持下的地學創新人才培養模式，如圖1所示。

圖1 無人機遙感地學創新培養模式

無人機操作技能訓練模塊主要包括無人機系統認識、無人機飛行模擬、無人機航線規劃、無人機測圖。在該模塊中主要培養學生對無人機遙感影像獲取的能力，讓學生理解遙感數據獲取的方式和原理。無人機遙感應用能力訓練模塊主要包括地理景觀識別，二、三維數據制圖，多光譜數據應用、遙感地學應用。在該模塊學生系統地進行了無人機數據應用專題化訓練，使學生初步掌握開展地學創新應用的技能和創新思維。在地理創新素養培養模塊中，通過課程實踐教學、綜合素質拓展、無人機創新空間、地學學科競賽等方式，多樣化、多渠道、全過程培養學生的創新素養，使學生在這一模式下形成地學創新的意識和能力。

5 結論

隨著無人機遙感技術的飛速發展，在地理教學中融入無人機遙感技術對于提高課程教學質量、提升課程創新人才培養的能力具有重要意義。本文結合創新人才培養的時代背景，從當前地理教學中存在的問題出發，對無人機遙感技術在地理教學中的應用價值進行多角度分析，并結合地理課程教學內容對無人機遙感技術在地理教學中的應用場景進行分析，最后提出了一種新的無人機地學遙感創新培養模式。地理學的課程枯燥難懂，并且學習難度大，學生總是難以理解和掌握。今后可以讓學生通過無人機遙感技術對一些數據和模塊自主學習，這樣可以讓學生對所學理論知識有著更深的理解，能更好地掌握所學知識。通過該研究以期為基礎地理教育課程改革、創新人才培養模式改革提供一定的借鑒。