数字地形测量学教学模式改革：无人机与激光扫描仪的实践探索

数字地形测量学教学模式改革：无人机与激光扫描仪的实践探索

杨志

湖南科技学院，湖南省永州市，425199

摘要：本文介绍了数字地形测量学教学模式的改革，着重探讨了无人机和激光扫描仪在地形测量实践中的应用。传统的地形测量学教学主要依赖于理论知识和传统的测量仪器，但这种模式存在一些局限性，无法满足现代地形测量的需求。因此，本文提出了引入无人机和激光扫描仪的实践探索，以提高学生的实践能力和创新思维。本文展示了无人机和激光扫描仪在数字地形测量中的应用，包括高精度地形数据获取、三维模型构建和地形变化监测等。这种实践探索不仅提升了学生的实践技能，还培养了他们的团队合作和问题解决能力。最后，本文总结了这种教学模式改革的效果，并提出了未来进一步改进的方向。

关键词：数字地形测量学、教学模式改革、无人机、激光扫描仪、实践探索、学生能力培养

1. 引言

数字地形测量学是地理信息科学中的重要分支，广泛应用于地质勘探、城市规划、环境管理等领域。传统的地形测量学教学主要以理论知识的传授和传统测量仪器的操作为主，缺乏实践环节和现代技术的应用。然而，随着无人机和激光扫描仪等新兴技术的发展，地形测量的方式发生了革命性的变化，为地形测量学教学带来了新的机遇和挑战。本文旨在探讨数字地形测量学教学模式的改革，特别关注无人机和激光扫描仪在实践中的应用。

2. 传统地形测量学教学模式的局限性

首先，传统模式过于注重理论知识的传授，缺乏实践环节。学生仅仅通过课堂学习和书本知识来了解地形测量的原理和方法，缺乏实地实践的机会。这种理论与实践脱节的现象导致学生对地形测量的实际操作和技能缺乏经验。其次，传统教学模式中使用的传统测量仪器也存在一定的局限性。传统测量仪器需要大量的人力和物力投入，操作复杂且耗时，限制了学生对地形测量的深入理解和实际应用。此外，传统仪器的测量精度和效率也无法满足现代地形测量对高精度和高效率的需求。另外，传统教学模式缺乏现代技术的应用。随着无人机和激光扫描仪等新兴技术的发展，地形测量的方式发生了革命性的变化。然而，传统教学模式未能充分引入这些新技术，使学生无法掌握和应用这些现代工具进行地形测量。

3. 无人机在数字地形测量中的应用

3.1 无人机地形数据获取

无人机在数字地形测量中具有广泛的应用前景。通过搭载传感器和摄像设备，无人机可以高效地获取地形数据。无人机的灵活性和悬停能力使其能够在不同地形条件下进行精确的数据采集。通过搭载相机或多光谱传感器，无人机可以获取高分辨率的地形图像和遥感影像，用于地貌分析、地形特征提取等应用。

3.2 无人机三维模型构建

无人机还可以用于三维模型构建，为地形测量提供更加真实和立体的展示。通过搭载激光雷达或多相机系统，无人机可以捕捉大范围的地形数据，并通过图像处理和点云配准技术生成高精度的三维模型。这种模型可以用于城市规划、景观设计和工程建设等领域，为决策者提供可视化的参考和分析工具。

3.3 无人机地形变化监测

无人机在地形变化监测方面也具有巨大潜力。通过周期性的无人机飞行和数据采集，可以实时监测地表的变化情况。无人机搭载的高分辨率相机或激光扫描仪可以捕捉到微小的地表变化，如山体滑坡、河流演变、土地沉降等。这种实时监测和分析可以帮助科学家和环境管理者更好地理解地貌演化和自然灾害的发生机制，提供预警和应对措施。

4. 激光扫描仪在数字地形测量中的应用

4.1 激光扫描仪原理和技术

激光扫描仪是一种常用的数字地形测量工具，利用激光束对地面进行扫描和测量。其原理是通过发射激光脉冲，并记录激光束被反射回来的时间，然后根据光速和时间差计算出目标物体的距离。激光扫描仪通常包括发射器、接收器和时序控制装置，可以实现高速、高精度的地面测量。

4.2 激光扫描仪数据处理与分析

激光扫描仪获取的数据通常以点云的形式呈现，包含大量的三维坐标点。数据处理是将原始的点云数据进行滤波、配准和拼接等处理，以消除噪声和误差，并生成完整的地形模型。数据分析则是对处理后的点云数据进行特征提取、地形分析和可视化展示。常见的数据处理和分析方法包括点云滤波算法、曲面重建算法、地形参数提取等。

4.3 激光扫描仪地形特征提取

激光扫描仪在数字地形测量中可以提取各种地形特征。通过分析点云数据的密度、高度和形状等信息，可以提取地表的高程、坡度、坡向等地形参数。同时，激光扫描仪还能够捕捉地表的纹理和细节，如建筑物、植被和水体等。这些地形特征的提取可以用于地形分类、地貌分析、资源管理和环境监测等应用领域。

5. 数字地形测量学教学模式改革的实践探索

5.1 教学案例设计与实施

数字地形测量学教学模式的改革可以通过设计和实施教学案例来实现。教师可以根据实际应用场景和问题，设计数字地形测量的实践案例，引导学生运用无人机和激光扫描仪等现代技术进行地形测量。案例可以包括实地勘测、数据采集、数据处理和结果分析等环节，让学生全面掌握数字地形测量的整个过程。同时，教师可以鼓励学生在案例设计中提出创新思路和解决方案，培养他们的实践能力和创新意识。

5.2 学生团队合作与创新能力培养

在数字地形测量学教学中，学生的团队合作和创新能力培养是至关重要的。可以组织学生分成小组，每个小组负责一个实践项目，共同完成地形测量任务。通过团队合作，学生可以相互协作、分工合作，在实践中培养团队合作能力和沟通协调能力。同时，鼓励学生在实践过程中提出新的思路和方法，挖掘潜在的创新点，培养他们的创新能力和问题解决能力。实施过程中，教师可以提供必要的指导和支持，监督学生的实践进程，并及时给予反馈和指导。鼓励学生积极参与讨论和交流，分享彼此的经验和成果。此外，可以组织学生参加竞赛或学术交流活动，与其他学校或专业领域的同学进行交流和分享，拓宽学生的视野和思维方式。通过教学案例设计和学生团队合作，数字地形测量学教学模式改革可以有效提升学生的实践能力和创新能力。学生在实践中不仅能够熟练运用无人机和激光扫描仪等现代技术，还能够培养团队合作精神、创新思维和问题解决能力。这种实践探索的教学模式不仅适应了数字地形测量的现代需求，也为学生的职业发展和创新能力的培养提供了坚实的基础。

6. 教学模式改革效果评估与总结

在数字地形测量学教学模式改革的实施过程中，评估教学效果是非常重要的，以了解改革措施的有效性和学生的学习成果。评估可以通过多种方式进行，包括学生评价、教师观察和成果展示等。学生评价是一种重要的评估方式，可以通过问卷调查或小组讨论的形式，了解学生对新教学模式的反馈和体验。他们可以评估自己在实践项目中的学习收获、团队合作能力的提升以及创新能力的培养情况。同时，教师的观察也是评估的重要依据，教师可以观察学生在实践中的表现，包括技术操作的熟练程度、团队协作的效果以及创新思维的展示。此外，学生的成果展示也是评估的重要组成部分。学生可以展示他们在实践项目中获得的地形数据、处理结果和分析报告等。这些展示可以由专业人士或同行进行评审，评估学生的成果质量和创新性。

7. 结论

数字地形测量学教学模式的改革对于培养学生的实践能力和创新思维具有重要意义。通过教学案例设计、学生团队合作和实践项目的实施，可以有效提高学生的实践能力、团队协作能力和创新能力。评估教学效果可以及时了解改革的成效，并进行进一步的调整和改进。未来的工作可以探索新技术的应用和加强与行业、科研机构的合作，以推动数字地形测量学教学模式的不断创新和发展。这将为学生提供更好的学习体验和职业发展的机会，同时也为数字地形测量学领域的发展做出积极贡献。

基金项目：湖南科技学院校级教改项目《基于无人机、三维激光扫描仪在<数字地形测量学>课程教学模式改革与实践》（XKYJ2021013）

参考文献：

1. 王云，李军，李志铭（2019）。无人机与激光雷达在地形制图教学中的应用。国际摄影测量、遥感与空间信息科学档案，42(3)，1407-1414。

2. 张峰，吴伟，刘静（2020）。基于无人机摄影测量的数字地形分析实践教学模式。地球科学仪器、方法与数据系统，9(1)，31-42。

3. 吴伟，张峰，刘静（2021）。基于无人机LiDAR数据的数字地形建模创新教学实践。遥感，13(5)，1004。