面向角色—能力培養(yǎng)的遙感數(shù)字圖像處理實(shí)踐教學(xué)探索*

◆高偉　李欣　王紅平

面向角色—能力培養(yǎng)的遙感數(shù)字圖像處理實(shí)踐教學(xué)探索*

◆高偉李欣王紅平

通過(guò)分析遙感科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)本科畢業(yè)生不同角色類(lèi)型專(zhuān)業(yè)能力培養(yǎng)的社會(huì)需求，探討如何開(kāi)展角色—能力主導(dǎo)的遙感數(shù)字圖像處理課程實(shí)踐教學(xué)，并基于開(kāi)源軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)軟件。實(shí)際教學(xué)表明，該模式可以針對(duì)學(xué)生的特點(diǎn)和角色類(lèi)型實(shí)現(xiàn)分層次多目標(biāo)教學(xué)，有助于面向社會(huì)需求的專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)。

遙感科學(xué)與技術(shù)；遙感數(shù)字圖像處理；角色—能力培養(yǎng)；教學(xué)軟件

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.16.144

1　背景

遙感作為一門(mén)新興學(xué)科，近年來(lái)在國(guó)家政策的支持下以及行業(yè)發(fā)展的需求驅(qū)動(dòng)下，步入了快速發(fā)展的階段，社會(huì)對(duì)于遙感專(zhuān)業(yè)人才的需求也日益增大。近年來(lái)國(guó)內(nèi)諸多高校都加大了遙感類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程在地理信息系統(tǒng)、測(cè)繪、地理、環(huán)境相關(guān)專(zhuān)業(yè)中的比重，截至2015年底，全國(guó)共有32所本科院校單獨(dú)開(kāi)設(shè)了遙感科學(xué)與技術(shù)這一專(zhuān)業(yè)［1］。

作為一門(mén)綜合性學(xué)科，遙感專(zhuān)業(yè)畢業(yè)生除了應(yīng)掌握遙感科學(xué)、地理信息系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)理論和知識(shí)外，還應(yīng)具備程序開(kāi)發(fā)、軟件操作以及儀器使用等實(shí)踐技能［2］。武漢大學(xué)、中南大學(xué)以及中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）等高校，在其遙感專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)方案中都安排了相當(dāng)時(shí)間的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)［3-5］。但目前遙感專(zhuān)業(yè)類(lèi)課程實(shí)踐教學(xué)效果并不盡如人意，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1）缺乏分層次教學(xué)。目前實(shí)踐教學(xué)多以軟件操作和儀器操作為主［6］，無(wú)法滿(mǎn)足研究開(kāi)發(fā)等不同類(lèi)型人才培養(yǎng)的需要。

2）算法類(lèi)教學(xué)實(shí)踐不足。遙感專(zhuān)業(yè)課程學(xué)習(xí)中存在大量的經(jīng)典算法，由于缺乏示例代碼，學(xué)生對(duì)這些知識(shí)點(diǎn)的理解僅能停留在理論和基本操作上，難以對(duì)其有深入的認(rèn)識(shí)和理解。

3）實(shí)踐內(nèi)容分散。目前實(shí)踐教學(xué)多采用商業(yè)軟件，受限于商業(yè)軟件的架構(gòu)設(shè)計(jì)，教學(xué)知識(shí)點(diǎn)分散在軟件的各個(gè)模塊中，容易造成學(xué)生對(duì)知識(shí)理解的碎片化。如何進(jìn)一步增強(qiáng)遙感專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)的效果，培養(yǎng)滿(mǎn)足社會(huì)需求的遙感專(zhuān)業(yè)人才，成為專(zhuān)業(yè)教師十分關(guān)注的問(wèn)題。

本文通過(guò)分析社會(huì)對(duì)不同類(lèi)型遙感專(zhuān)業(yè)人才能力培養(yǎng)的要求，以遙感專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課遙感數(shù)字圖像處理課程為例，探討面向角色—能力培養(yǎng)的實(shí)踐教學(xué)模式，開(kāi)展教學(xué)實(shí)驗(yàn)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，并分析其在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用模式。

2　面向社會(huì)需求的遙感專(zhuān)業(yè)人才角色—能力分析

通過(guò)對(duì)用人單位和往屆畢業(yè)生走訪調(diào)研以及結(jié)合工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)認(rèn)證及社會(huì)對(duì)不同角色類(lèi)型的能力需求分析［7］，目前遙感專(zhuān)業(yè)畢業(yè)生的就業(yè)類(lèi)型主要分為科研型、設(shè)計(jì)型和應(yīng)用型三類(lèi)角色。其中，科研型人才大多從事基礎(chǔ)理論研究，準(zhǔn)備今后繼續(xù)深造；設(shè)計(jì)型人才主要從事遙感軟件的設(shè)計(jì)；而應(yīng)用型人才則主要從事遙感數(shù)據(jù)的生產(chǎn)和處理等相關(guān)工作。從能力角度上講，這些人才除了應(yīng)具備自主學(xué)習(xí)、交流合作、組織管理和創(chuàng)新等基本能力外，還應(yīng)根據(jù)就業(yè)崗位的不同，分別掌握程序開(kāi)發(fā)、軟件操作以及儀器使用等技能。具體如表1所示。

而人才角色的不同對(duì)于各項(xiàng)能力培養(yǎng)的要求又會(huì)有所不同。表2以程序研發(fā)能力為例，詳細(xì)說(shuō)明了三種人才類(lèi)型在程序研發(fā)方面培養(yǎng)的側(cè)重點(diǎn)不同。例如：應(yīng)用型人才應(yīng)具備使用軟件解決實(shí)際問(wèn)題等高級(jí)操作能力，但只需要掌握基本的程序設(shè)計(jì)能力；而科研型人才則應(yīng)具備系統(tǒng)設(shè)計(jì)、項(xiàng)目開(kāi)發(fā)等高級(jí)的程序設(shè)計(jì)能力，但只需具備一般的軟件操作能力。

由于不同角色類(lèi)型應(yīng)具備的能力不同，所以在教學(xué)過(guò)程中需要針對(duì)不同的角色類(lèi)型進(jìn)行分層次教學(xué)。通過(guò)細(xì)分遙感專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)課程的知識(shí)點(diǎn)，優(yōu)化重組并制訂相應(yīng)的專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)方案，來(lái)確定不同角色類(lèi)型應(yīng)學(xué)習(xí)的知識(shí)模塊及相應(yīng)的實(shí)踐環(huán)節(jié)。

表1　遙感專(zhuān)業(yè)學(xué)生需培養(yǎng)的能力表

表2　程序研發(fā)不同角色的能力需求表

表3　教學(xué)實(shí)踐軟件結(jié)構(gòu)分析表

3　面向角色—能力培養(yǎng)的遙感數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)軟件設(shè)計(jì)

需求分析目前遙感教學(xué)實(shí)驗(yàn)中大多采用的是商業(yè)軟件，封裝性好，功能豐富，但同時(shí)也容易造成有限的實(shí)踐教學(xué)時(shí)間大部分花在熟悉軟件結(jié)構(gòu)、實(shí)習(xí)多停留在軟件操作上等問(wèn)題。要能滿(mǎn)足依據(jù)不同角色的能力需求開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)，教學(xué)實(shí)驗(yàn)軟件應(yīng)具備以下特點(diǎn)。

1）要貼近教學(xué)的重難點(diǎn)。遙感課程涉及的知識(shí)點(diǎn)多且復(fù)雜［8］，需要對(duì)遙感數(shù)字圖像基本處理、遙感圖像校正、遙感影像增強(qiáng)、遙感影像濾波、遙感影像分類(lèi)以及遙感影像變化檢測(cè)等主要教學(xué)知識(shí)點(diǎn)有效覆蓋，而且最好能夠按照教學(xué)的要求對(duì)各知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行集中展示；而商業(yè)軟件多按照功能模塊進(jìn)行封裝，與課程教學(xué)的順序難以吻合。

2）可多層次展現(xiàn)知識(shí)點(diǎn)。對(duì)于各知識(shí)點(diǎn)可根據(jù)學(xué)生能力培養(yǎng)類(lèi)型開(kāi)展分層次教學(xué)，如對(duì)于算法類(lèi)知識(shí)點(diǎn)，既可以進(jìn)行軟件操作，又可以進(jìn)行算法層面的分析與提高；而商業(yè)軟件則很難將源代碼乃至算法原理提供給用戶(hù)。

3）具備較強(qiáng)的擴(kuò)展性。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，在教學(xué)過(guò)程中可能需要引入新知識(shí)，對(duì)此教學(xué)實(shí)驗(yàn)軟件需要提供簡(jiǎn)便的方式進(jìn)行功能點(diǎn)擴(kuò)展，同時(shí)也可以為學(xué)生提供一個(gè)算法設(shè)計(jì)實(shí)踐的有效框架。

軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)根據(jù)需求分析，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外各類(lèi)遙感軟件進(jìn)行分析比較，確定采用開(kāi)源平臺(tái)QGIS構(gòu)建教學(xué)實(shí)驗(yàn)軟件。QGIS是目前國(guó)內(nèi)外較為活躍的一套開(kāi)源空間信息軟件平臺(tái)，具備較為豐富的GIS、遙感分析功能［9］。同時(shí)，QGIS采取插件式框架結(jié)構(gòu)，提供了C++、Python等多種二次開(kāi)發(fā)接口以及流程化處理框架，便于進(jìn)行功能的擴(kuò)展［10］。

在遙感圖像處理教學(xué)實(shí)驗(yàn)軟件的設(shè)計(jì)上遵循多層次分目標(biāo)教學(xué)的思路，依照鞏固基礎(chǔ)知識(shí)、單一功能實(shí)現(xiàn)以及綜合能力培養(yǎng)（見(jiàn)表3）三個(gè)層次的教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行功能層的設(shè)計(jì)。

在遙感基本知識(shí)鞏固層面，主要通過(guò)文本連接、圖片的形式，演示介紹各個(gè)知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用目的、基礎(chǔ)理論及重要概念、算法模型，同時(shí)對(duì)于USGS、GLCF、NASA等在線遙感數(shù)據(jù)資源鏈接進(jìn)行集成。在單一功能訓(xùn)練方面，通過(guò)對(duì)開(kāi)發(fā)平臺(tái)QGIS中相關(guān)功能點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證、中文化改造，按照教學(xué)章節(jié)的安排進(jìn)行分類(lèi)，以工具箱的模式進(jìn)行集中展示，如圖1所示（附總體界面圖）。同時(shí)對(duì)于對(duì)應(yīng)的遙感算法源代碼進(jìn)行整理歸納，形成可以編譯的版本供用戶(hù)調(diào)試及進(jìn)行深層次算法級(jí)學(xué)習(xí)。在綜合能力訓(xùn)練方面，軟件利用QGIS中的Processing（SEXTANTE）插件功能，提供流程化的功能搭建工具。同時(shí)也利用QGIS現(xiàn)有機(jī)制提供C++、Python二次開(kāi)發(fā)接口，用戶(hù)可以直接調(diào)用軟件相關(guān)基礎(chǔ)功能，自主實(shí)現(xiàn)遙感算法的分析功能。

表4　人才類(lèi)型與軟件功能實(shí)現(xiàn)表

圖1　教學(xué)軟件工具箱示意圖

4　面向角色—能力培養(yǎng)的遙感數(shù)字圖像處理實(shí)踐教學(xué)探索

在遙感數(shù)字圖像處理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，依據(jù)不同目標(biāo)角色類(lèi)型學(xué)生應(yīng)具備的能力（如表4所示），可以開(kāi)展針對(duì)性的教學(xué)。

對(duì)于應(yīng)用型學(xué)生，重點(diǎn)是對(duì)處理軟件靈活運(yùn)用的掌握，能夠綜合運(yùn)用軟件分析解決實(shí)際問(wèn)題。在實(shí)踐過(guò)程中可以重點(diǎn)學(xué)習(xí)掌握影像預(yù)處理（拆開(kāi)）、影像分類(lèi)等功能的操作方法；同時(shí)了解掌握基本的程序設(shè)計(jì)技能，可以通過(guò)軟件的Python接口的擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)綜合功能的編寫(xiě)。

對(duì)于科研型學(xué)生，需要掌握一定的算法分析與設(shè)計(jì)能力，在了解的基礎(chǔ)上編寫(xiě)算法程序解決實(shí)際問(wèn)題。教授他們數(shù)據(jù)庫(kù)、C語(yǔ)言等知識(shí)，通過(guò)教學(xué)實(shí)踐軟件的算法編程部分，對(duì)復(fù)雜的算法原理如濾波算法、梯度算法等進(jìn)行語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，加深對(duì)遙感課程中復(fù)雜算法的理解；在軟件操作方面則需要掌握遙感軟件的基本知識(shí)和各項(xiàng)功能分析方法，能夠使用軟件進(jìn)行基本的數(shù)據(jù)存取和格式轉(zhuǎn)換等操作，完成不同的分析功能。

對(duì)于設(shè)計(jì)型學(xué)生，需要掌握的編程能力要高一些，要具備二次開(kāi)發(fā)能力和一定的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，教師可以指導(dǎo)這部分學(xué)生在熟練操作的基礎(chǔ)上對(duì)教學(xué)軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，包括對(duì)遙感圖像增強(qiáng)算法、融合算法的二次開(kāi)發(fā)等。教師提出一種算法思路，學(xué)生根據(jù)要實(shí)現(xiàn)的算法功能進(jìn)行自主設(shè)計(jì)，從而進(jìn)一步鍛煉學(xué)生的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)能力；而對(duì)于實(shí)踐操作這一方面要求不需要很高，只需具備一般的軟件操作能力，如能夠獨(dú)立使用軟件完成不同的專(zhuān)業(yè)分析功能等。

5　總結(jié)與分析

近年來(lái)，隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，社會(huì)對(duì)遙感人才的需求隨之明顯增長(zhǎng)，這種需求不僅在數(shù)量上，而且體現(xiàn)在人才素質(zhì)方面。本文依據(jù)社會(huì)需求探討了開(kāi)展面向角色—能力培養(yǎng)的遙感專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)實(shí)踐方法，并依據(jù)教學(xué)需求設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了遙感數(shù)字圖像處理教學(xué)實(shí)踐軟件。該實(shí)驗(yàn)軟件不僅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也提升了教學(xué)質(zhì)量，在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中取得良好的效果。

由于遙感相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展非常迅速，原有的知識(shí)結(jié)構(gòu)也發(fā)生巨大的變化，因此，遙感數(shù)字圖像處理實(shí)踐教學(xué)軟件也需要不斷更新調(diào)整算法功能點(diǎn)，教學(xué)模式也會(huì)隨之相應(yīng)變化。只有不斷更新教學(xué)軟件、教學(xué)思想和實(shí)踐模式，才能使課程教學(xué)與研究方向的最新進(jìn)展同步，進(jìn)一步提高教學(xué)實(shí)踐效果。

［1］根據(jù)專(zhuān)業(yè)找大學(xué)［EB/OL］.http：//gkcx.eol.cn/soudaxue/que rySchoolSpecialty.html？page=1.

［2］王紅平，高偉，陳啟浩.《遙感數(shù)字圖像處理》教學(xué)模式探索與實(shí)踐［EB/OL］.［2012-08-01］.http：//miit.ccidnet.com/ art/40211/20120801/4114117_1.html.

［3］中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）遙感科學(xué)與技術(shù)培養(yǎng)方案［EB/ OL］.http：//xgxy.cug.edu.cn/？page_id=938.

［4］武漢大學(xué)遙感科學(xué)與技術(shù)培養(yǎng)方案［EB/OL］.http：//rsgis. whu.edu.cn/index.php？m=content&c=index&a=show&catid=14 2&id=5368.

［5］中南大學(xué)遙感科學(xué)與技術(shù)培養(yǎng)方案［EB/OL］.http：//202. 197.61.12/peiyang/main/html/2013/11/20131101235506-1.htm.

［6］郭碧云，劉光哲，吳仁豪.遙感課程實(shí)踐教學(xué)方法探索［J］.管理觀察，2015（26）：134-136.

［7］徐小軍.面向用人單位的《遙感原理與應(yīng)用》實(shí)踐課教學(xué)質(zhì)量提升［J］.科技資訊，2015（26）：147-148.

［8］孫家柄，倪玲，周軍其，等.遙感原理與應(yīng)用［M］.武漢：武漢大學(xué)出版社，2003.

［9］熊偉，陳犖，吳秋云，等.在空間數(shù)據(jù)庫(kù)課程中采用開(kāi)源軟件實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)踐［J］.地理信息世界，2015，22（1）：73-76.

［10］Petras V， Petrasova A， Harmon B， et al. Integrating Free and Open Source Solutions into Geospatial Science Education［J］.ISPRS International Journal of Geo-Information，2015，4（2）：942-956.

Exploring Teaching Practice of Remote Sensing Digital Image Processing for Role-ability Training

//GAO Wei， LI Xin， WANG Hongping

Through the analyst is of training requirements in diff erent role type ability for students who graduated from Remote Sensing Science and Technology. Designing the remote sensing image processing software that leaded by role-ability. And constructing the teaching experimental software based on open source software QGIS. The teaching practice shows that the software can be realized the role of type hierarchical multi-objective teaching according to the characteristics of the students. And it is contribute to meet the need of the society of professional personnel training.

remote sensing science and technology； remote sensing digital image processing； role-ability training； teaching software

G642.0

B

1671-489X（2016）16-0144-04

*項(xiàng)目支持：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究項(xiàng)目“遙感數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件”。

作者：高偉，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院副教授、碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)檫b感信息分析與應(yīng)用；李欣，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院資源與環(huán)境遙感專(zhuān)業(yè)碩士研究生，；王紅平，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院講師，主要從事遙感圖像處理教學(xué)與科研工作（430074）。