“遙感數(shù)字影像處理”實(shí)驗(yàn)課教學(xué)改革初探

陳鋒銳

摘 ?要： 實(shí)驗(yàn)教學(xué)是遙感數(shù)字影像處理課程的重要組成部分，針對(duì)其特點(diǎn)，從實(shí)驗(yàn)環(huán)境、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法以及實(shí)驗(yàn)考核等方面進(jìn)行一系列改革。實(shí)踐結(jié)果表明，這些改革措施可以有效幫助學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和掌握，達(dá)到了預(yù)期的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞： 教學(xué)改革; 實(shí)驗(yàn)教學(xué); 遙感數(shù)字影像處理; 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（2014）12-50-03

Preliminary discussion on teaching reform of experimental course

of remote sensing digital image processing

Chen Fengrui

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

Abstract： Remote sensing digital image processing is a course based on experimental teaching. Considering the characteristics of its experiment course， a series of reform measures are proposed to mobilize the students' interest in learning and deepen their understanding of knowledge， from the aspects of experimental environment， teaching content， teaching method and experiment examination. The practice results show that these measures can effectively help students to understand knowledge and achieve the expected teaching effect.

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

0 引言

遙感是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的一門新興技術(shù)，隨著美國(guó)陸地資源衛(wèi)星（Landsat）系列的成功發(fā)射，特別是21世紀(jì)以來(lái)以IKONOS為代表的高空間分辨率影像、以MODIS為代表的高時(shí)間分辨率影像、以Hyperion為代表的高光譜影像和以Radarsat為代表的雷達(dá)遙感影像的普及，遙感已廣泛應(yīng)用于國(guó)土測(cè)繪、災(zāi)害應(yīng)急管理、資源調(diào)查、全球氣候變化、生態(tài)環(huán)境、地質(zhì)分析等社會(huì)經(jīng)濟(jì)服務(wù)的各方面，遙感對(duì)地觀測(cè)技術(shù)已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)[1-2]。在我國(guó)，隨著國(guó)產(chǎn)風(fēng)云系列、資源系列和環(huán)境減災(zāi)小衛(wèi)星的發(fā)射成功，遙感也已大量應(yīng)用于自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)、環(huán)境調(diào)查以及國(guó)土測(cè)繪等諸多方面。與此同時(shí)，我國(guó)針對(duì)遙感科學(xué)的教育也逐步跟進(jìn)，目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)有140多所高校開(kāi)設(shè)遙感相關(guān)課程，面向本科生和研究生傳授遙感原理和遙感應(yīng)用等方面的知識(shí)[3]。在遙感科學(xué)的諸多課程之中，相比于遙感概論、遙感地學(xué)分析等，遙感數(shù)字影像處理能夠直觀地反映遙感圖像的表達(dá)、操作和應(yīng)用，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。遙感數(shù)字影像處理課程設(shè)置一般分為理論課和實(shí)踐課兩部分。理論課主要在課堂上講授遙感相關(guān)理論知識(shí)，如遙感影像預(yù)處理、影像增強(qiáng)、影像分類、影像融合、影像變化檢測(cè)等。實(shí)踐課是指學(xué)生在教師的指導(dǎo)下采用遙感圖像處理軟件（ENVI、ERDAS等）通過(guò)動(dòng)手從而理解和掌握遙感圖像處理的原理和應(yīng)用。遙感數(shù)字影像處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是理論教學(xué)與實(shí)踐相結(jié)合的重要環(huán)節(jié)，是激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)力，提高學(xué)生分析問(wèn)題和獨(dú)立解決問(wèn)題能力，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)的重要途徑。因此，探討該課程的實(shí)驗(yàn)環(huán)境、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和實(shí)驗(yàn)考核等具有十分重要的意義。

當(dāng)前遙感數(shù)字影像處理的實(shí)驗(yàn)課程往往是針對(duì)單一知識(shí)點(diǎn)的，無(wú)法顧及算法間的邏輯關(guān)系，導(dǎo)致圖像處理技術(shù)與遙感影像間無(wú)法有機(jī)整合，難以調(diào)動(dòng)和提高學(xué)生的積極性和學(xué)習(xí)興趣。因此，在深入分析該課程特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，本文從實(shí)驗(yàn)環(huán)境、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法以及實(shí)驗(yàn)考核等方面進(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 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方案

1.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

學(xué)生雖然在學(xué)習(xí)遙感數(shù)字影像處理之前已經(jīng)修過(guò)C語(yǔ)言和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等課程，但直接采用C或者C++語(yǔ)言進(jìn)行遙感數(shù)字影像處理編程，會(huì)使學(xué)生的大量精力放在程序上而不是算法研究上;此外，并非所有學(xué)生都能熟練掌握好C或C++編程。所以實(shí)驗(yàn)很難達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)和效果?？紤]到遙感數(shù)字影像處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)以及本科生的具體情況，我們采用MATLAB和ENVI相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)環(huán)境方案。

針對(duì)遙感數(shù)字影像處理中偏重算法的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，主要采用MATLAB進(jìn)行教學(xué)。MATLAB具有強(qiáng)大的圖像圖形處理分析能力，幾乎涵蓋圖像處理的各個(gè)內(nèi)容。它還具有語(yǔ)法簡(jiǎn)單、易學(xué)易用的特點(diǎn)，其豐富的函數(shù)使開(kāi)發(fā)者無(wú)需重復(fù)編程，通常在C語(yǔ)言里需要幾十甚至上百行語(yǔ)句才能完成的功能在MATLAB里只用一兩個(gè)函數(shù)就可實(shí)現(xiàn)。通過(guò)編寫程序進(jìn)行遙感影像處理不僅可以提高學(xué)生獨(dú)立解決問(wèn)題能力和編程能力，還可以使學(xué)生進(jìn)一步理解和掌握算法。例如：通過(guò)MATLAB編程來(lái)實(shí)現(xiàn)遙感影像點(diǎn)運(yùn)算增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)，不僅要求學(xué)生掌握遙感影像的存儲(chǔ)和顯示特性，還要求設(shè)計(jì)算法對(duì)每個(gè)像元進(jìn)行線性或非線性變換，并用程序來(lái)描述算法，這些最終可讓學(xué)生深入領(lǐng)會(huì)到遙感影像點(diǎn)運(yùn)算增強(qiáng)的實(shí)質(zhì)。

對(duì)于一些側(cè)重處理流程的遙感數(shù)字影像處理實(shí)驗(yàn)，我們采用ENVI軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。ENVI是基于IDL語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的一套功能強(qiáng)大的遙感圖像處理軟件，它具有強(qiáng)大的影像顯示、處理和分析功能，包括常規(guī)處理、幾何校正、定標(biāo)、多光譜分析、高光譜分析、雷達(dá)分析、地形地貌分析、正射影象圖生成、三維圖像生成等。該類實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)是需要頻繁的人機(jī)交互，正確的參數(shù)設(shè)置要求學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有一個(gè)全面認(rèn)識(shí)和整體把握。例如影像的幾何精校正包含影像坐標(biāo)系建立、選擇控制點(diǎn)、選擇畸變模型、重采樣、輸出影像以及精度分析等六個(gè)步驟，且步驟間存在嚴(yán)格的邏輯關(guān)系。該實(shí)驗(yàn)不僅要求學(xué)生了解研究區(qū)的情況以及待校正遙感影像的特點(diǎn)，而且要深刻理解控制點(diǎn)的個(gè)數(shù)和空間布局、畸變模型類型等對(duì)幾何校正精度的影響作用，通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)可進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生對(duì)遙感數(shù)字影像處理的認(rèn)識(shí)。

1.2 教學(xué)內(nèi)容的確定

實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的選擇是遙感數(shù)字影像處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，遙感數(shù)字影像處理課程內(nèi)容十分豐富，鑒于實(shí)驗(yàn)課程課時(shí)安排的限制，不可能對(duì)所有內(nèi)容逐一實(shí)驗(yàn)，必須根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。在參考《遙感數(shù)字影像處理與地理特征提取》[4]、《遙感數(shù)字圖像處理教程》[5]、《ENVI遙感圖像處理方法》[6]、《數(shù)字圖像處理》（MATLAB版）[7]等書的基礎(chǔ)上，結(jié)合教學(xué)大綱與教學(xué)目標(biāo)要求，我們選擇遙感數(shù)字影像處理中最重要的實(shí)驗(yàn)作為教學(xué)內(nèi)容，以問(wèn)題為導(dǎo)向培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。遙感數(shù)字影像處理實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置為24個(gè)課時(shí)。

在設(shè)置教學(xué)內(nèi)容時(shí)，不僅要考慮實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的整體性，同時(shí)兼顧它們之間的邏輯關(guān)系。例如：在進(jìn)行遙感數(shù)字影像處理前，需讓學(xué)生直觀了解遙感影像的數(shù)字矩陣存儲(chǔ)方式，針對(duì)遙感影像具有多個(gè)波段的特點(diǎn)，影像通常采用以波段為序（band sequential，BSQ）、以行為序（band interleaved by line）BIL、以像元為序（band interleaved by pixel，BIL）三種方式進(jìn)行存儲(chǔ)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容大體分為兩類：驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容目的是加深學(xué)生對(duì)遙感圖像處理基本理論的認(rèn)識(shí)，如影像預(yù)處理、影像增強(qiáng)等;綜合性實(shí)驗(yàn)是驗(yàn)證性內(nèi)容的強(qiáng)化和升華，它要求學(xué)生綜合利用各種影像處理方法解決某一問(wèn)題，如利用遙感影像研究某區(qū)域土地利用變化，該實(shí)驗(yàn)涉及影像預(yù)處理、增強(qiáng)以及分類等多種處理技術(shù)。

表1 ?遙感數(shù)字影像處理實(shí)驗(yàn)課程課時(shí)安排

1.3 教學(xué)方法

教學(xué)方法是影響教學(xué)質(zhì)量的重要因素，針對(duì)遙感數(shù)字影像處理實(shí)驗(yàn)課的特點(diǎn)，教學(xué)方法的改革主要體現(xiàn)在以下三點(diǎn)。

⑴ 以問(wèn)題為導(dǎo)向，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。讓學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題，從而體會(huì)到知識(shí)的價(jià)值和重要性，激發(fā)他們主動(dòng)學(xué)習(xí)課程的動(dòng)力和興趣。例如在做平滑濾波時(shí)，首先通過(guò)一個(gè)實(shí)例讓學(xué)生明白為何要進(jìn)行平滑濾波，圖1是一幅遙感影像，由于傳感器本身原因、大氣、地形等因素的影響，致使影像上出現(xiàn)噪聲，降低影像的可識(shí)別性;接下來(lái)引出平滑濾波的知識(shí)，指出該技術(shù)可以有效地降低噪聲;最后通過(guò)一個(gè)實(shí)例來(lái)展示平滑濾波的降噪目的，并且對(duì)比不同平滑濾波的降噪效果，如圖1所示。這樣做不僅可以創(chuàng)造良好的教學(xué)情景，而且促使學(xué)生以目標(biāo)為導(dǎo)向，在比較的過(guò)程中接受并消化知識(shí)。

⑵ 增加課程的互動(dòng)性。為了讓學(xué)生充分參與到課程的學(xué)習(xí)中來(lái)，在實(shí)驗(yàn)課前讓學(xué)生對(duì)課程進(jìn)行預(yù)習(xí)，做到有的放矢;課堂上采取老師示范與學(xué)生演示相結(jié)合的策略，不僅可對(duì)教學(xué)成果進(jìn)行反饋，還可及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題;實(shí)驗(yàn)結(jié)束后讓學(xué)生進(jìn)行總結(jié)，這樣可以幫助他們回顧知識(shí)、加深理解，掌握重點(diǎn)、難點(diǎn)。

⑶ 培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立解決問(wèn)題的能力。自主實(shí)驗(yàn)內(nèi)容即綜合性實(shí)驗(yàn)，該部分實(shí)驗(yàn)由學(xué)生獨(dú)立完成，老師僅在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中給予指導(dǎo)。以自由結(jié)合的形式把學(xué)生分成幾個(gè)科研小組，對(duì)每個(gè)小組指定一名負(fù)責(zé)人對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行組織管理。小組成員之間以團(tuán)隊(duì)形式分工合作，通過(guò)查閱資料、設(shè)計(jì)方案、研究討論等各環(huán)節(jié)，完成項(xiàng)目的研究，并最終形成一篇完整的綜合性研究報(bào)告。通過(guò)該方法可以鍛煉學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，更早地接觸科研過(guò)程。

1.4 實(shí)驗(yàn)考核

實(shí)驗(yàn)考核是該課程重要的組成部分，通過(guò)考核一方面可以檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的掌握程度，另一方面可以督促學(xué)生對(duì)課程的學(xué)習(xí)。實(shí)驗(yàn)考核以具體的實(shí)驗(yàn)為考核內(nèi)容，要求學(xué)生在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成操作，并得到正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。針對(duì)本實(shí)驗(yàn)課程采用兩種實(shí)驗(yàn)環(huán)境，考核方式也分為兩類，分別為MATLAB程序代碼和ENVI軟件操作?？己藘?nèi)容從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中隨機(jī)選擇，每類選擇兩個(gè)，根據(jù)學(xué)生的操作情況過(guò)程進(jìn)行成績(jī)?cè)u(píng)定。MATLAB代碼方式的考核要求代碼在計(jì)算機(jī)上準(zhǔn)確無(wú)誤地運(yùn)行，并獲得正確的結(jié)果，否則相應(yīng)扣分;對(duì)于ENVI軟件操作的考核，要制定考核要點(diǎn)，根據(jù)考核要點(diǎn)的完成情況進(jìn)行相應(yīng)打分，如對(duì)遙感影像幾何精校正實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的考核，主要分以下考核要點(diǎn)：①特征點(diǎn)的數(shù)目以及空間分布狀況;②模型計(jì)算精度;③校正結(jié)果。這三個(gè)要點(diǎn)分別占該考核內(nèi)容的30%，30%以及40%。這樣既能促使學(xué)生認(rèn)真對(duì)待每一個(gè)實(shí)驗(yàn)，又能比較全面地評(píng)定一個(gè)學(xué)生的水平。

2 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)遙感數(shù)字影像處理實(shí)驗(yàn)課的特點(diǎn)，結(jié)合以往的教學(xué)體會(huì)，從實(shí)驗(yàn)環(huán)境的建立、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的選擇、教學(xué)方法運(yùn)用和實(shí)驗(yàn)考核等四個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)該課程進(jìn)行探討與設(shè)計(jì)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，貫徹以學(xué)生為主體，以教師為主導(dǎo)的方針。實(shí)踐證明，學(xué)生通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，不僅明確了學(xué)習(xí)目標(biāo)，掌握了遙感數(shù)字影像處理的基本概念和方法，提高了學(xué)習(xí)和實(shí)踐的積極性和主動(dòng)性，而且培養(yǎng)了其綜合運(yùn)用專業(yè)知識(shí)和圖像處理技術(shù)的能力和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，該教學(xué)改革達(dá)到了預(yù)期效果。

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