龔循強(qiáng)， 張方澤， 魯鐵定， 夏元平

(東華理工大學(xué) 測(cè)繪工程學(xué)院，江西 南昌 330013)

2017年4月8日，教育部在天津大學(xué)召開新工科建設(shè)研討會(huì)，發(fā)布了《“新工科”建設(shè)行動(dòng)路線(“天大行動(dòng)”)》，為中國(guó)理工科教育，特別是工程類專業(yè)指出了新的方向和目標(biāo)[1]。在新工科背景下，需將與人工智能密切相關(guān)的新興工科專業(yè)和特殊專業(yè)群放在優(yōu)先位置并大力發(fā)展。人工智能作為計(jì)算機(jī)學(xué)科的一個(gè)重要組成部分，通過(guò)研究如何用計(jì)算機(jī)來(lái)表示和執(zhí)行人類的智能活動(dòng)，以模擬人腦所從事的推理、學(xué)習(xí)、思考和規(guī)劃等思維活動(dòng)[2]。隨著科技的進(jìn)步，人工智能對(duì)人們的生活、學(xué)習(xí)和工作產(chǎn)生了重要影響。其中的深度學(xué)習(xí)在遙感影像分類、物體識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別和測(cè)繪遙感應(yīng)用等方面均取得了較好的效果[3-5]。

無(wú)人機(jī)測(cè)繪是對(duì)傳統(tǒng)攝影測(cè)量方法的補(bǔ)充，集成了無(wú)人飛行器、相機(jī)傳感器等硬件設(shè)施，利用相關(guān)軟件實(shí)時(shí)獲取目標(biāo)區(qū)域的地理空間信息，并對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、繪圖建模和分析[6，7]。由于無(wú)人機(jī)造價(jià)低廉、起降簡(jiǎn)單、操作靈活和不懼傷亡等特點(diǎn)，已經(jīng)在測(cè)繪遙感領(lǐng)域得到了大量的應(yīng)用。目前，大多開設(shè)“無(wú)人機(jī)測(cè)繪”及其相關(guān)課程的測(cè)繪遙感類高校仍將該課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)重點(diǎn)放在無(wú)人機(jī)的飛行操作和無(wú)人機(jī)影像的軟件處理方面，而沒(méi)有突出人工智能相關(guān)領(lǐng)域在無(wú)人機(jī)測(cè)繪中的應(yīng)用，這顯然與新工科建設(shè)行動(dòng)背道而馳。為此，本文嘗試將人工智能中的深度學(xué)習(xí)引入到無(wú)人機(jī)影像的處理中，從而豐富“無(wú)人機(jī)測(cè)繪”實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程的內(nèi)容，并對(duì)教學(xué)方式和考核辦法進(jìn)行改革探討。

1 “無(wú)人機(jī)測(cè)繪”實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

當(dāng)前普通高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)大多采用驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的開課方式，實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式僵化、教學(xué)內(nèi)容較為陳舊、成績(jī)考核主要依據(jù)學(xué)生課后完成的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，這種傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)其實(shí)是以教師的講解為主，這顯然與新工科人才培養(yǎng)提出的“問(wèn)技術(shù)發(fā)展改內(nèi)容，更新工程人才知識(shí)體系”和“落實(shí)以學(xué)生為中心的理念”的人才教育培養(yǎng)目標(biāo)體系存有很大的矛盾。

1.1 僵化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式比較僵化[8]，例如“無(wú)人機(jī)影像處理”實(shí)驗(yàn)，基本的實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程是教師先講解無(wú)人機(jī)影像處理的實(shí)驗(yàn)原理和無(wú)人機(jī)專業(yè)軟件的操作，然后學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的操作步驟和教師的講解進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，有部分同學(xué)在對(duì)實(shí)驗(yàn)原理或理論知識(shí)沒(méi)有完全掌握的情況下，僅根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的步驟完成實(shí)驗(yàn)，得到了合格的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這對(duì)部分不認(rèn)真聽(tīng)教師講解、不去主動(dòng)掌握理論知識(shí)，僅根據(jù)實(shí)驗(yàn)步驟應(yīng)付實(shí)驗(yàn)的部分學(xué)生起不到監(jiān)督的作用，也會(huì)打擊部分悉心掌握實(shí)驗(yàn)原理、認(rèn)真完成實(shí)驗(yàn)過(guò)程學(xué)生的積極性。顯然不利于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的科學(xué)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，也不利于新工科背景下“自主終身學(xué)習(xí)”型人才的培養(yǎng)。而且在這一傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式中，學(xué)生基本上是一種被動(dòng)學(xué)習(xí)，被動(dòng)做實(shí)驗(yàn)的狀態(tài)，對(duì)學(xué)生的自主性、創(chuàng)造性等能力沒(méi)有得到較好的培養(yǎng)。因此，要對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法進(jìn)行改革以提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性。

1.2 滯后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

現(xiàn)階段普通高校實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)內(nèi)容仍然保留有大量滯后的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)新時(shí)代的科技前沿。例如，無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)在測(cè)繪遙感領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，隨著無(wú)人機(jī)的起降方式由手拋傘降式向垂直起降、影像處理軟件由專業(yè)化向大眾化的轉(zhuǎn)變，無(wú)人機(jī)的飛行操作和影像處理越來(lái)越容易被掌握，已經(jīng)成為了從事無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)人員的入門級(jí)知識(shí)，甚至很多外行只需稍加培訓(xùn)就能掌握。然而，目前大多數(shù)開設(shè)“無(wú)人機(jī)測(cè)繪”實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)內(nèi)容仍以無(wú)人機(jī)飛行操作和無(wú)人機(jī)影像軟件處理作為本門課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重點(diǎn)。這些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)的最新發(fā)展聯(lián)系性不強(qiáng)，顯然不符合新工科提出的“問(wèn)技術(shù)發(fā)展改內(nèi)容，更新工程人才知識(shí)體系”的要求，也與新工科建設(shè)規(guī)劃強(qiáng)調(diào)的大力發(fā)展人工智能、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算等最新技術(shù)不相吻合。因此，有必要將人工智能中的深度學(xué)習(xí)等與無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)密切相關(guān)的新理念、新知識(shí)和新技術(shù)融入到“無(wú)人機(jī)測(cè)繪”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容中，培養(yǎng)新工科背景下的“跨學(xué)科交叉融合”人才。

1.3 主觀的實(shí)驗(yàn)考核辦法

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生成績(jī)的考核主要由“考勤成績(jī)”“操作成績(jī)”和“報(bào)告成績(jī)”三部分構(gòu)成，成績(jī)的評(píng)定基本由實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)決定，而實(shí)驗(yàn)報(bào)告都是學(xué)生在課后完成。實(shí)驗(yàn)報(bào)告中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也大多雷同，經(jīng)常存在大量互相抄襲或借鑒的情況，而由于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的單一性，教師也難以把握是否有部分學(xué)生存在抄襲的問(wèn)題。此外，部分學(xué)生對(duì)自己實(shí)驗(yàn)所獲得的結(jié)果分析得不夠深刻，往往連實(shí)驗(yàn)結(jié)果所代表的含義都理解不透徹，對(duì)實(shí)驗(yàn)心得體會(huì)等需要自己組織文字撰寫的部分卻不重視，寥寥數(shù)語(yǔ)就將實(shí)驗(yàn)心得體會(huì)寫完，忽視了對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、結(jié)果用科學(xué)的理論加以解釋與分析[9]。對(duì)教師而言，學(xué)生成績(jī)?cè)u(píng)定工作量巨大，而且在實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中，教師精力有限，無(wú)法客觀地評(píng)定所有學(xué)生的操作成績(jī)，而實(shí)驗(yàn)報(bào)告由于都在課后完成，教師對(duì)這種單一實(shí)驗(yàn)結(jié)果的報(bào)告更難準(zhǔn)確、客觀評(píng)價(jià)。

2 “人工智能+無(wú)人機(jī)測(cè)繪”實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方案

為了實(shí)現(xiàn)新工科背景下“人工智能+無(wú)人機(jī)測(cè)繪”實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革，本文提出新穎自由的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式、靈活且富有挑戰(zhàn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和客觀公正的實(shí)驗(yàn)考核辦法。

2.1 新穎自由的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式

為了提升新工科背景下學(xué)生的跨學(xué)科交叉融合能力，將人工智能中的深度學(xué)習(xí)融入到“無(wú)人機(jī)測(cè)繪”課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。對(duì)該課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式進(jìn)行改革，摒棄傳統(tǒng)僵化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，取而代之的是，教師僅提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)給學(xué)生，讓學(xué)生采用理論課時(shí)講解的深度學(xué)習(xí)算法，自主編寫代碼，完成實(shí)驗(yàn)。采取這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法能夠帶來(lái)以下三點(diǎn)益處。

(1)由于整個(gè)實(shí)驗(yàn)具備一定的難度，學(xué)生需主動(dòng)學(xué)習(xí)理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)原理，才能夠順利完成實(shí)驗(yàn)。此外，由于每個(gè)人寫的代碼不可能完全一樣，這樣也避免了學(xué)生之間互相抄襲的問(wèn)題，從而促使學(xué)生上課必須認(rèn)真聽(tīng)教師的講解。當(dāng)遇到難度較大的內(nèi)容時(shí)，需要學(xué)生自己去查找資料解決，此時(shí)有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。

(2)學(xué)生在自主學(xué)習(xí)的過(guò)程中，或在實(shí)驗(yàn)室編寫代碼的時(shí)候，可能會(huì)存在一些難度較大且自己查閱相關(guān)資料也沒(méi)法解決的問(wèn)題。這時(shí)就需要向教師請(qǐng)教，教師可以給學(xué)生提供一些資料引導(dǎo)學(xué)生或者適當(dāng)給學(xué)生進(jìn)行一些講解，學(xué)生也可以和其他同學(xué)相互交流，從而提升學(xué)生的溝通協(xié)商能力。

(3)對(duì)比簡(jiǎn)單的無(wú)人機(jī)飛行操作和無(wú)人機(jī)影像軟件處理實(shí)驗(yàn)，“人工智能+無(wú)人機(jī)測(cè)繪”實(shí)驗(yàn)由于需要學(xué)生在掌握理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，自主編寫代碼完成實(shí)驗(yàn)，對(duì)非計(jì)算機(jī)專業(yè)的測(cè)繪遙感類本科生而言具有一定的挑戰(zhàn)性。這與2018年教育部部長(zhǎng)陳寶生在新時(shí)代全國(guó)高等學(xué)校本科教育工作會(huì)議強(qiáng)調(diào)的給大學(xué)生合理“增負(fù)”，提升大學(xué)生的學(xué)業(yè)挑戰(zhàn)度，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力和專業(yè)志趣相符合[10]。

2.2 靈活且富有挑戰(zhàn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)應(yīng)用廣泛，其獲取的影像具有數(shù)量多、分辨率高等特點(diǎn)。測(cè)繪工程學(xué)院目前開設(shè)的“無(wú)人機(jī)測(cè)繪及應(yīng)用”和“低空攝影測(cè)量與遙感”等課程，包含了8個(gè)學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程，教學(xué)內(nèi)容主要是無(wú)人機(jī)飛行操作和無(wú)人機(jī)影像軟件處理。結(jié)合新工科“向?qū)W生介紹學(xué)科研究新進(jìn)展”的要求，對(duì)“無(wú)人機(jī)測(cè)繪”等課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改革，將無(wú)人機(jī)飛行操作和通過(guò)無(wú)人機(jī)影像處理軟件如Pix 4D Mapper對(duì)無(wú)人機(jī)影像進(jìn)行處理、制作數(shù)字正射影像圖的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)縮減為4個(gè)學(xué)時(shí)，而增加4個(gè)學(xué)時(shí)的基于深度學(xué)習(xí)的無(wú)人機(jī)影像處理實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容如下。

(1)基于深度學(xué)習(xí)的無(wú)人機(jī)影像批量拼接(2學(xué)時(shí))

無(wú)人機(jī)影像拼接中的特征點(diǎn)匹配是目前無(wú)人機(jī)影像批量處理主要解決的問(wèn)題，為了提高準(zhǔn)確率通常利用分層卷積特征進(jìn)行圖像配準(zhǔn)。而分層卷積特征是通過(guò)相關(guān)濾波器對(duì)不同深度的卷積特征逐層進(jìn)行相關(guān)性分析，進(jìn)而綜合計(jì)算特征點(diǎn)的位置，通過(guò)采用十字點(diǎn)集變換方法對(duì)傳統(tǒng)的點(diǎn)變換方法進(jìn)行簡(jiǎn)化[11]。根據(jù)所配準(zhǔn)的特征點(diǎn)計(jì)算變換參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)影像的拼接。

(2)基于深度學(xué)習(xí)的無(wú)人機(jī)影像建筑物特征提取(2學(xué)時(shí))

采用先識(shí)別后定位的思想，利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建無(wú)人機(jī)建筑物識(shí)別和檢測(cè)模型。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集選取含有部分建筑物的無(wú)人機(jī)影像，而卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為特征提取器，采用自適應(yīng)池化模型，使用Fast R-CNN將兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練來(lái)檢測(cè)建筑物。通過(guò)非下采樣輪廓波變換來(lái)獲取影像紋理特征，并將紋理特征輸入網(wǎng)絡(luò)中參與建筑物提取[12]，將影像特征輸入Softmax分類器進(jìn)行分類，獲得建筑物提取結(jié)果，并將各自結(jié)果進(jìn)行融合快速準(zhǔn)確的檢測(cè)出影像中的建筑物。

2.3 客觀公正的實(shí)驗(yàn)考核辦法

傳統(tǒng)以實(shí)驗(yàn)報(bào)告為主的實(shí)驗(yàn)考核辦法單一，考核思路不利于促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)以及師生互動(dòng)。整個(gè)考核過(guò)程學(xué)生處于被考核者的地位，只需應(yīng)付最后的考核，無(wú)法有效地提升學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性。這種考核辦法容易讓學(xué)生產(chǎn)生得過(guò)且過(guò)的思想，而且最終成績(jī)不能體現(xiàn)學(xué)生在主動(dòng)學(xué)習(xí)、交流溝通、PPT匯報(bào)等方面的能力[13]。

為了落實(shí)新工科提出的“形成以學(xué)習(xí)者為中心的工程教育模式”，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)的考核辦法進(jìn)行修改，實(shí)驗(yàn)最終成績(jī)主要由“代碼設(shè)計(jì)”“實(shí)驗(yàn)報(bào)告”和“最終成果答辯演示”三部分組成，最終成績(jī)=代碼設(shè)計(jì)成績(jī)×30%+實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)×30%+最終成果答辯演示成績(jī)×40%，其實(shí)驗(yàn)考核參數(shù)表如表1所示。整個(gè)考核過(guò)程始終堅(jiān)持以學(xué)生為中心的理念，學(xué)生自主設(shè)計(jì)代碼，運(yùn)行程序。完成實(shí)驗(yàn)后，依據(jù)自己的數(shù)據(jù)和結(jié)果寫出合理科學(xué)的分析報(bào)告，并制作PPT匯報(bào)自己的成果。

表1 “人工智能+無(wú)人機(jī)測(cè)繪”實(shí)驗(yàn)考核參數(shù)表

在整個(gè)考核中，被考核者將自己的所有成果進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)演示匯報(bào)，教師和參與考核的學(xué)生根據(jù)被考核者的成果及匯報(bào)情況現(xiàn)場(chǎng)打分，最終將所有人所打分?jǐn)?shù)的平均值作為被考核者的最終成績(jī)。這樣不但更加客觀公正，避免了教師打分的主觀性，而且能夠較好地杜絕部分學(xué)生實(shí)驗(yàn)期間不認(rèn)真做實(shí)驗(yàn)，課后抄襲實(shí)驗(yàn)報(bào)告的情況。此外，這種形式的考核有利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，并可促進(jìn)教師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生之間的互動(dòng)交流。

3 結(jié)語(yǔ)

“無(wú)人機(jī)測(cè)繪”實(shí)驗(yàn)課程是一門較為前沿性的課程，課程內(nèi)容和要求需設(shè)置合理，且與最新較為前沿的技術(shù)發(fā)展成果接軌，將人工智能中的深度學(xué)習(xí)引入“無(wú)人機(jī)測(cè)繪”實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容中，提出“人工智能+無(wú)人機(jī)測(cè)繪”實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方案，形成新穎自由的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式、靈活且富有挑戰(zhàn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和客觀公正的實(shí)驗(yàn)考核辦法，可以切實(shí)提高學(xué)生的新知識(shí)運(yùn)用能力、代碼編寫能力、語(yǔ)言表達(dá)能力、自主學(xué)習(xí)和溝通協(xié)商能力，培養(yǎng)更多滿足新工科要求的創(chuàng)新型人才。