“遙感數(shù)字圖像處理”教學(xué)改革初探*

陳鋒銳,喬家君,閆衛(wèi)陽,張喜旺,楊玲

摘 要： 遙感數(shù)字圖像處理是地理信息系統(tǒng)專業(yè)的核心課程，針對(duì)遙感數(shù)字圖像處理的自身特點(diǎn)和目前該課程的教學(xué)現(xiàn)狀，從優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、完善教學(xué)手段、激發(fā)學(xué)生興趣、注重實(shí)驗(yàn)教學(xué)、提高學(xué)生動(dòng)手能力等方面對(duì)該課程的教學(xué)進(jìn)行了一系列改革。教學(xué)結(jié)果表明，這些措施可以有效促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并加深他們對(duì)知識(shí)的理解。

關(guān)鍵詞： 教學(xué)改革； 遙感數(shù)字圖像處理； 遙感； 地理信息系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TN911.72 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2013）06-67-02

Preliminary discussion on teaching reform of remote sensing digital image processing

Chen Fengrui， Qiao Jiajun， Yan Weiyang， Zhang Xiwang， Yang Ling

（College of Environment and Planning， Henan University， Kaifeng， Henan 475004， China）

Abstract： Remote sensing digital image processing is one of the core courses of geographic information system specialty. Considering its characteristics and teaching status， a series of reform measures are presented in order to promote the students' interest in learning and deepen their understanding of knowledge. The measures are optimizing teaching contents， improving teaching method， stimulating study interest， and enhancing experimental teaching.

Key words： teaching reform； remote sensing digital image processing； remote sensing； geographic information system

0 引言

隨著遙感技術(shù)的快速發(fā)展，海量的遙感圖像被獲得，這些影像在社會(huì)生產(chǎn)和生活中發(fā)揮了越來越重要的作用。遙感圖像已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、地質(zhì)、海洋、氣象、水文、軍事、環(huán)保等領(lǐng)域，它不僅為這些行業(yè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；同時(shí)，伴隨著電子地圖、導(dǎo)航定位的出現(xiàn)和廣泛使用，遙感圖像已經(jīng)成為人們生活的一部分，不斷改變著人類對(duì)世界的認(rèn)知。1997年教育部對(duì)我國(guó)高等教育專業(yè)目錄進(jìn)行修訂，對(duì)部分專業(yè)進(jìn)行壓縮，但在地理學(xué)下卻新增了地理信息系統(tǒng)本科專業(yè)，授予理學(xué)和工學(xué)學(xué)位。目前國(guó)內(nèi)已有140多所高校開設(shè)了地理信息系統(tǒng)專業(yè)，遙感數(shù)字圖像處理是該專業(yè)的核心課程。因此，探討該門課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和方法，對(duì)提高遙感數(shù)字圖像的處理水平有非常重要的意義。

遙感數(shù)字圖像處理作為地理信息系統(tǒng)專業(yè)的核心課程，在學(xué)生的知識(shí)構(gòu)建中起著重要的作用[1]。隨著遙感數(shù)字圖像處理內(nèi)容的更新和學(xué)生對(duì)該課程要求的提高，需對(duì)教材、課程結(jié)構(gòu)和內(nèi)容、教學(xué)方法和實(shí)踐教學(xué)等方面進(jìn)行一系列改革，以適應(yīng)高等院校教育改革和推進(jìn)素質(zhì)教育的要求。

1 教學(xué)內(nèi)容改革

遙感數(shù)字圖像處理是一門涉及地理學(xué)、計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)、物理等多學(xué)科交叉、高度綜合的技術(shù)學(xué)科。教學(xué)內(nèi)容和課程體系改革是教學(xué)改革的核心內(nèi)容，然而不同的教材側(cè)重點(diǎn)不同，因此選擇一本合適的教材并處理好教材內(nèi)容，對(duì)優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容起著舉足輕重的作用。國(guó)內(nèi)近些年的出版了一系列遙感數(shù)字圖像處理方面教材，如錢樂祥編著，科學(xué)出版社出版的《遙感數(shù)字影像處理與地理特征提取》[2]；韋玉春等主編，科學(xué)出版社出版的《遙感數(shù)字圖像處理教程》[3]等；通過對(duì)這些教材進(jìn)行詳細(xì)的內(nèi)容對(duì)比和結(jié)構(gòu)分析，我們選擇了韋玉春主編的教材。與此同時(shí)，我們參考了國(guó)外的如John A. Richards[4]、John R. Jensen[5]和Robert A. Schowengerd [6]等的遙感數(shù)字圖像處理著作，針對(duì)這些教程注重理論算法，對(duì)算法引導(dǎo)的不足，借鑒了岡薩雷斯等的《數(shù)字圖像處理》 [7]教程，利用該教程翔實(shí)的實(shí)例，加快引導(dǎo)學(xué)生對(duì)遙感數(shù)字圖形處理算法的理解。

河南大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院地理信息系統(tǒng)專業(yè)的學(xué)生在學(xué)習(xí)《遙感數(shù)字圖像處理》之前已學(xué)習(xí)過《遙感技術(shù)導(dǎo)論》，這就使學(xué)生有了一定的基礎(chǔ)。筆者針對(duì)學(xué)生的實(shí)際情況，結(jié)合教學(xué)大綱，對(duì)以上教程進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喜⒑驼{(diào)整，把遙感數(shù)字圖像處理安排為理論課48學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)課和編程課24學(xué)時(shí)，具體見表1。

此外，從近年來遙感科學(xué)的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展來看，遙感數(shù)字圖像處理方面的研究方興未艾，不斷有新的技術(shù)方法出現(xiàn)，現(xiàn)有教材中的部分知識(shí)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的需要，學(xué)生也有了解更多最新知識(shí)的迫切要求。因此，還要不斷補(bǔ)充新知識(shí)新內(nèi)容，將新近發(fā)表的、與遙感數(shù)字圖像處理緊密相關(guān)的論文內(nèi)容引用到教學(xué)過程中，充實(shí)教學(xué)內(nèi)容。教師只有不斷進(jìn)行科研探索和學(xué)習(xí)才能把握最新的科研前沿問題，并將最新的前沿知識(shí)介紹給學(xué)生，激發(fā)學(xué)生探索知識(shí)的欲望。

表1 遙感數(shù)字圖像處理理論課學(xué)時(shí)安排

[章 節(jié)＼&主要內(nèi)容＼&課 時(shí)＼&1.概論＼&遙感圖像的概念、遙感平臺(tái)等＼&2課時(shí)＼&2.遙感圖像及統(tǒng)計(jì)分析＼&遙感圖像數(shù)據(jù)、遙感圖像的統(tǒng)計(jì)分析＼&2課時(shí)＼&3.遙感圖像校正與鑲嵌＼&輻射校正、大氣校正以及圖像鑲嵌＼&6課時(shí)＼&4.遙感圖像空間域增強(qiáng)＼&灰度變換、直方圖變換、空間濾波＼&8學(xué)時(shí)＼&5.遙感圖像變換＼&傅立葉變換、小波變換、主成分變換等＼&6學(xué)時(shí)＼&6.遙感圖像頻率域增強(qiáng)＼&頻率域?yàn)V波、同態(tài)濾波等＼&4學(xué)時(shí)＼&7.遙感圖像融合＼&主成分分析變換融合，小波變換融合等＼&4學(xué)時(shí)＼&8.遙感圖像分割＼&閾值分割、梯度法、區(qū)域生長(zhǎng)、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)等＼&4學(xué)時(shí)＼&9.遙感圖像分類＼&監(jiān)督分類、非監(jiān)督分類、分類后處理等＼&8學(xué)時(shí)＼&10.土地利用變化分析＼&土地利用概念、土地利用變換分析的流程等＼&4學(xué)時(shí)＼&]

2 教學(xué)方法和手段的改革

遙感數(shù)字圖像處理是對(duì)遙感數(shù)字圖像的計(jì)算機(jī)處理。與工業(yè)以及醫(yī)學(xué)等影像不同，遙感影像是對(duì)地球進(jìn)行觀測(cè)的結(jié)果，它不僅具有普通圖像的特征，而且還具有空間坐標(biāo)。因此，在進(jìn)行遙感數(shù)字影像的處理過程中，不僅需要掌握普通的數(shù)字圖像處理方法，而且還需要具有豐富的地學(xué)知識(shí)。

2.1 采用多媒體課件和板書相結(jié)合的教學(xué)方式

課堂教學(xué)成敗的一個(gè)重要因素是課件質(zhì)量，制作內(nèi)容豐富、通俗易懂，且與教材相配套的多媒體課件是教學(xué)改革的重要環(huán)節(jié)。在課件的制作過程中，適時(shí)調(diào)整各級(jí)標(biāo)題使內(nèi)容重點(diǎn)突出，更具條理性，同時(shí)利用圖片、圖示以及圖表來減少文字出現(xiàn)的篇幅，提高信息的表達(dá)質(zhì)量。如傅立葉分析部分涉及到大量的、枯燥的公式推導(dǎo)及算法實(shí)現(xiàn)，針對(duì)本科生的數(shù)學(xué)水平，讓學(xué)生從數(shù)學(xué)上理解傅立葉分析的內(nèi)涵是不現(xiàn)實(shí)的。我們通過多媒體課件從物理上利用信號(hào)分解和疊加實(shí)例來充分展示傅立葉分析的作用，同時(shí)減小公式推導(dǎo)的講解，使學(xué)生能夠快速對(duì)傅立葉分析的功能有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)。

在授課過程中不應(yīng)一味地依賴多媒體課件，用適時(shí)的板書和多媒體相結(jié)合，能夠達(dá)到最佳的教學(xué)效果。如在講授遙感圖像增強(qiáng)中的模板運(yùn)算部分時(shí)，可以先通過板書一步一步進(jìn)行推導(dǎo)計(jì)算，讓學(xué)生領(lǐng)會(huì)該算法的實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)；然后再用多媒體展示采用該算法處理的結(jié)果，這樣能有效加強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論及算法的理解和認(rèn)識(shí)。

2.2 以問題為導(dǎo)向來啟發(fā)學(xué)生，激起學(xué)習(xí)興趣

在講授課程過程中，以問題為導(dǎo)向，通過啟發(fā)學(xué)生，引導(dǎo)他們深層次、多角度地思考問題，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引起他們對(duì)課程的重視。例如在講到遙感影像增強(qiáng)時(shí)，首先我們通過一個(gè)實(shí)例讓學(xué)生明白為什么要進(jìn)行影像增強(qiáng)，圖1是一副原始的遙感影像，由于傳感器接收到的電磁波能量比較小，導(dǎo)致影像偏暗，我們從中無法觀測(cè)出更多的信息；接下來我們引出遙感影像增強(qiáng)技術(shù)，指出該技術(shù)的目標(biāo)是就是為了更好地滿足人或計(jì)算機(jī)從影像中觀測(cè)感興趣的事物；最后通過一個(gè)具體的例子來展示影像增強(qiáng)所能實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，如圖1（b）所示。這樣做不僅可以創(chuàng)造良好的教學(xué)情境，而且使學(xué)生以目標(biāo)為導(dǎo)向，在對(duì)比、類比的過程中接受并消化知識(shí)。同時(shí)可把一些相對(duì)簡(jiǎn)單及次要的問題拋給學(xué)生，讓他們通過課下查閱資料。上網(wǎng)等途徑提出解決方案，經(jīng)課堂上討論后再由老師作詳細(xì)的闡述。

（a） 原始圖像 （b） 增強(qiáng)后圖像

圖1 遙感圖像增強(qiáng)示例

2.3 注重實(shí)驗(yàn)教學(xué)

“遙感數(shù)字圖像處理”要求學(xué)生具有較強(qiáng)的實(shí)踐能力，只有通過適時(shí)實(shí)驗(yàn)課的安排，讓學(xué)生盡可能多地動(dòng)手操作，方可達(dá)到最佳的教學(xué)效果。在學(xué)生親自動(dòng)手操作的過程中，不僅要增強(qiáng)他們對(duì)理論知識(shí)的理解，而且要提高他們對(duì)該門課的興趣，同時(shí)培養(yǎng)他們獨(dú)立解決問題的能力。筆者所在學(xué)校安排有18學(xué)時(shí)的上機(jī)實(shí)驗(yàn)，包括驗(yàn)證性、綜合性實(shí)驗(yàn)兩部分，主要通過學(xué)生上機(jī)操作ENVI或者ERDAS軟件來實(shí)現(xiàn)。

通過驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)使學(xué)生加深對(duì)遙感數(shù)字圖像基礎(chǔ)理論的理解和認(rèn)識(shí)，該部分主要涵蓋遙感圖像基礎(chǔ)處理，包括遙感影像的輻射校正、幾何校正、空間域遙感影像增強(qiáng)、頻率域遙感影像增強(qiáng)、影像運(yùn)算以及遙感影像分類等。其中空間域影像增強(qiáng)又包括點(diǎn)運(yùn)算增強(qiáng)、直方圖增強(qiáng)和空間濾波（空間模板）等。遙感影像分類包括監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類兩種。

綜合性實(shí)驗(yàn)可使學(xué)生在掌握一定程度遙感數(shù)字圖像處理知識(shí)基礎(chǔ)上，結(jié)合某一現(xiàn)實(shí)進(jìn)行綜合應(yīng)用。比如在學(xué)生掌握遙感影像分類知識(shí)后，結(jié)合開封市實(shí)際，根據(jù)開封市1998、2003和2008年的TM影像，分析開封市的土地利用變化情況。這就要求學(xué)生不僅要掌握遙感影像分類監(jiān)督分類的知識(shí)，而且對(duì)開封市土地的利用類型有一定的了解，最后還要通過數(shù)據(jù)分析找出開封市土地利用的變化趨勢(shì)和規(guī)律。讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中，驗(yàn)證并理解理論知識(shí)，進(jìn)一步增加學(xué)生對(duì)遙感數(shù)字圖像處理的認(rèn)識(shí)。

2.4 增加學(xué)生編程能力

為了使學(xué)生系統(tǒng)地掌握該學(xué)科的基本原理和典型算法，不僅要求他們會(huì)用ENVI等專業(yè)軟件，掌握遙感影像處理的基本方法以及流程，而且還要強(qiáng)調(diào)通過編程實(shí)踐，即采用計(jì)算機(jī)語言進(jìn)行數(shù)字圖像處理編程。學(xué)生在學(xué)習(xí)遙感數(shù)字圖像處理之前，已經(jīng)修過C語言，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等課程；而采用C或者C++語言進(jìn)行遙感圖像處理，會(huì)使學(xué)生的大量精力放在計(jì)算機(jī)編程而不是算法研究上，教學(xué)目的難以實(shí)現(xiàn)，不能達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果。

近年來，在遙感數(shù)字圖像處理教學(xué)中，我們利用MATLAB進(jìn)行輔助教學(xué)，取得了比較明顯的效果。MATLAB 軟件是美國(guó)Mathworks公司推出的一套科學(xué)計(jì)算軟件，它將數(shù)值計(jì)算、可視化、程序編寫集成于一個(gè)方便的、用戶界面友好的操作環(huán)境中[8-9]。在MATLAB中，除擁有數(shù)百個(gè)函數(shù)的主程序包外，還包含三十多種工具箱，已廣泛用于解決各個(gè)領(lǐng)域的特定問題；同時(shí)它又是開放的，用戶可以根據(jù)自己的需求進(jìn)行相應(yīng)的擴(kuò)展開發(fā)。結(jié)合MATLAB的特點(diǎn)，充分運(yùn)用其易用且功能強(qiáng)大的圖像處理工具箱，可有效減輕學(xué)生在學(xué)習(xí)遙感數(shù)字圖像處理時(shí)遇到的困難，使學(xué)生將學(xué)習(xí)重點(diǎn)放在算法的提出及優(yōu)化上，而不必花費(fèi)大量的時(shí)間用來編寫程序。

例如在進(jìn)行基于主成分分析的遙感影像融合實(shí)驗(yàn)時(shí)，雖然可以通過ENVI軟件來快速實(shí)現(xiàn)，但是僅通過界面一步一步地操作，不能使學(xué)生深刻理解該算法的精髓。比如為了使融合后影像具有更好的保真度，需要以第一主成分分量為基準(zhǔn)，對(duì)全色波段影像進(jìn)行直方圖匹配處理，然后用處理后的全色影像去替換第一主成分。該步驟在軟件操作中并沒有體現(xiàn)出來，這會(huì)讓學(xué)生誤認(rèn)為僅用全色波段影像直接替換第一主成分，然后進(jìn)行逆變化就可以獲得優(yōu)異的融合結(jié)果，錯(cuò)誤地理解該融合算法。而通過MATLAB，學(xué)生運(yùn)用其提供的程序包，一步步地實(shí)現(xiàn)該算法，這樣不僅提高了學(xué)生通過程序解決問題的能力，而且可以更加深刻，準(zhǔn)確地理解算法。

3 結(jié)束語

遙感數(shù)字圖像處理是一門多學(xué)科交叉的課程，做好這門課的教學(xué)工作需要多方面的努力。通過教學(xué)改革與實(shí)踐，不僅有效激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且加深了他們對(duì)知識(shí)的理解，同時(shí)大大提高了他們的動(dòng)手能力，取得較好的教學(xué)效果。該課程于2011年申請(qǐng)并成為河南省省級(jí)精品課程。遙感數(shù)字圖像處理是一門理論性和應(yīng)用性都很強(qiáng)的學(xué)科，對(duì)該課程的教學(xué)改革仍在進(jìn)一步探索之中。

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