兩種教學(xué)法在遙感圖像校正教學(xué)中的應(yīng)用

鄒柏賢，孟 斌

（1. 北京聯(lián)合大學(xué)應(yīng)用文理學(xué)院，北京100191）

兩種教學(xué)法在遙感圖像校正教學(xué)中的應(yīng)用

鄒柏賢1，孟 斌1

（1. 北京聯(lián)合大學(xué)應(yīng)用文理學(xué)院，北京100191）

在地理信息科學(xué)專業(yè)本科的遙感圖像處理教學(xué)中，圖像校正的教學(xué)是一個難點。經(jīng)過多年的教學(xué)實踐，系統(tǒng)完整地組織教學(xué)內(nèi)容，提出采用比較教學(xué)法，從多方面、多角度進(jìn)行概念的比較，同時運(yùn)用圖示教學(xué)法加強(qiáng)形象記憶，使知識系統(tǒng)化。實踐表明，教學(xué)效果良好。

圖像校正；比較教學(xué)法；圖示教學(xué)法

在《遙感圖像處理》課程中，有關(guān)遙感圖像校正的概念比較多、易混淆，各個校正處理的概念之間相對獨立，缺乏先后順序關(guān)系，相互割裂，在各教材中對概念的描述不統(tǒng)一或不完整，對校正處理的分類不盡相同。針對遙感圖像校正教學(xué)中遇到的問題，采用比較教學(xué)法，對遙感圖像校正部分的內(nèi)容進(jìn)行重新組織，完整地列出容易混淆的概念，提煉出主要特點進(jìn)行比較，同時運(yùn)用圖示教學(xué)法，直觀地指明各概念解決的問題和所處的階段、明確它們之間的前后鄰接關(guān)系。利用示意圖，系統(tǒng)、完整地說明各種校正的概念，并以列表的方式明確各概念的界限和特點，幫助學(xué)生理解和掌握。

1 比較教學(xué)法和圖示教學(xué)法

比較教學(xué)法是教師在教學(xué)過程中體現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容之間異同關(guān)系的思維過程和方法[1-2]，即把彼此之間具有某種聯(lián)系的教學(xué)內(nèi)容放在一起加以對比分析，從多方面、多角度進(jìn)行比較，明確之間的異同，幫助學(xué)生認(rèn)知，使學(xué)生更好地理解和掌握。

圖示教學(xué)法，也叫“圖文示意”教學(xué)法,即通過簡要的符號、濃縮的文字、線條（箭頭）等構(gòu)成特有的圖文式樣，形成板書、電腦課件等有效施教的教學(xué)方法[3]。圖示教學(xué)法有其科學(xué)的理論依據(jù)，符合用腦科學(xué)，具有協(xié)同左右腦進(jìn)行全腦思維的功能,符合學(xué)生認(rèn)識和記憶的規(guī)律，能有效傳遞信息，提高信息傳播的數(shù)量及質(zhì)量。常用的圖示方法有線條式、表格式、圖像式等類型。教師在教學(xué)中運(yùn)用圖示教學(xué)法，展現(xiàn)抽象的“思維”過程，可以揭示教材內(nèi)容的概念、原理及其相互關(guān)系，使講解有所依據(jù)，思考有所指向，不僅能激發(fā)和提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,促進(jìn)新知識教學(xué)的效率提高,而且還能提高學(xué)生的思維能力和記憶能力。

2 遙感圖像校正的教學(xué)內(nèi)容

遙感圖像是通過傳感器感知來自目標(biāo)地物的反射和輻射電磁波得到的，是目標(biāo)地物特征的體現(xiàn)，其中蘊(yùn)含著目標(biāo)地物的多種信息，包括目標(biāo)地物的色調(diào)、顏色、對電磁波（光線）的吸收和反射情況、表面布局結(jié)構(gòu)、紋理結(jié)構(gòu)和光滑程度等特征。遙感圖像與地面景觀的真實輻射之間存在誤差，產(chǎn)生的原因可分為遙感器、大氣、地形3個方面。在從目標(biāo)地物反射和輻射的電磁波到達(dá)傳感器的過程中，經(jīng)過目標(biāo)地物、大氣、傳感器前端以及傳感器，還會受到氣候條件、目標(biāo)地物所在地理位置、太陽位置和照射角度、大氣中的散射光線以及遙感成像系統(tǒng)誤差等多種因素的影響，導(dǎo)致遙感圖像失真。失真的遙感圖像將會影響對地物目標(biāo)的正確識別、分析與解譯。因此，必須消除導(dǎo)致圖像失真的各種因素的影響。

教材中通常把像素的亮度值相對于地面對應(yīng)地物單元的真實輻射亮度的偏差稱為輻射誤差，像素的幾何位置相對于對應(yīng)地物真實位置的偏差稱為幾何誤差，因此把遙感圖像的校正分為輻射校正和幾何校正[4-9]。

2.1 輻射校正

輻射校正包括傳感器端的輻射校正、成像系統(tǒng)輻射校正、大氣校正、地形輻射校正和太陽高度角輻射校正[4,5]；文獻(xiàn)[6]中的輻射校正還包括日地距離校正。在各教材中并未完整地介紹各個校正的含義，以及各校正的先后順序關(guān)系。在教學(xué)實踐中，通過表格列出各種輻射校正的含義及說明，便于學(xué)習(xí)、比較和記憶，如表1。

2.2 幾何校正

受傳感器成像特性、遙感平臺姿態(tài)變化、大氣折射、地球曲率、地形起伏、地球自傳等因素的影響，遙感圖像會產(chǎn)生幾何誤差，需要進(jìn)行幾何校正[4]。幾何誤差校正分為系統(tǒng)校正和精確校正。由傳感器特性和遙感器的瞬時位置、高度、偏航等引起的誤差的校正屬于系統(tǒng)校正，在衛(wèi)星地面接收站完成。由地球曲率、大氣折射以及地形變化等引起的誤差校正，即精確校正，一般通過地面控制點進(jìn)行[7]。

表1 各種輻射校正的含義及說明

精確校正又可分為嚴(yán)格校正和近似校正兩種方法，前者依據(jù)傳感器的成像模型進(jìn)行,后者則根據(jù)通用的近似模型進(jìn)行。嚴(yán)格校正法主要有3種針對不同類型圖像的模型[4]：畫幅式圖像的幾何校正模型、線陣CCD圖像的幾何校正模型以及側(cè)視雷達(dá)圖像的幾何校正模型。不同類型圖像的處理模型不同，確定模型需要的控制點數(shù)也各不相同。近似校正法校正模型有直接線性變換模型、多項式模型、有理函數(shù)模型[4]。近似校正法與傳感器的成像方式無關(guān)。幾何校正的兩個基本環(huán)節(jié)是像元坐標(biāo)變換和像元灰度值重采樣。

3 教學(xué)內(nèi)容的重新組織

在遙感圖像的獲取過程中，由于導(dǎo)致輻射誤差、幾何誤差的因素很多，誤差校正的類型或方法很多，容易使學(xué)生混淆，學(xué)生初次接受起來有困難，為了理清各種校正類型或方法的概念及其相互關(guān)系，對這些概念進(jìn)行合理安排和組織。一方面，運(yùn)用圖示教學(xué)法（見圖1～3），用遙感系統(tǒng)示意圖顯示產(chǎn)生輻射誤差的各個環(huán)節(jié)和對應(yīng)的校正方法；另一方面，采用比較教學(xué)法，借助列表（表2～4）對這些校正方法進(jìn)行對比和分析，以數(shù)據(jù)流程圖的形式展示輻射校正各步驟之間的先后順序和鄰接關(guān)系，使學(xué)生能夠加深對各種輻射誤差校正方法的理解、掌握和記憶。

3.1 輻射校正

根據(jù)遙感圖像的目的意義，遵循遙感圖像中誤差產(chǎn)生的相反順序，對輻射校正中各種校正類型進(jìn)行組織，如圖1所示。

表2 遙感圖像輻射校正各步驟、糾正的誤差及校正方法

圖1 遙感圖像輻射及校正各步驟示意圖

表2列出遙感圖像輻射校正的各步驟、各步驟校正的誤差類型以及相應(yīng)的校正方法。通過列表，可以進(jìn)一步加深和鞏固學(xué)生對各種輻射誤差校正的理解，對比和分析各校正方法。

圖2是遙感圖像輻射校正的數(shù)據(jù)流程圖。

3.2 幾何校正

遙感圖像幾何誤差原因多種多樣，誤差產(chǎn)生的原因可以分為遙感器原因、大氣原因、地形原因和處理過程原因4種，表3是幾何誤差產(chǎn)生的原因以及相應(yīng)的校正方法[7]。

精確校正的各種具體方法的輸入都相同，目的都是針對原始的遙感圖像（輸入）進(jìn)行變換，得到幾何校正后的最終處理結(jié)果（輸出）。各種幾何校正方法是并列關(guān)系，只是不同的校正方法具有不同的特點。而輻射校正方法是針對導(dǎo)致各種誤差的因素，在不同環(huán)節(jié)采取相應(yīng)的校正方法，各種具體的輻射校正方法是一種先后、順序關(guān)系，而非并列關(guān)系，如表4、圖3 所示。

圖2 遙感圖像輻射校正數(shù)據(jù)流程圖

表3 產(chǎn)生遙感圖像幾何誤差的原因及相應(yīng)的校正方法

圖3 遙感圖像幾何誤差及校正示意圖

表4 精確校正法各種具體模型及特點

3.3 輻射校正與幾何校正的實際應(yīng)用

輻射校正并非總是必要的。一般而言，對于那些精確基于地物的反射亮度或發(fā)射亮度的信息分析方法，輻射校正是必須的，例如，溫度和生物量反演、水體懸浮物、葉綠素、礦物成分、土壤金屬元素等物質(zhì)成分及其含量的反演是需要精確的輻射校正。單景圖像進(jìn)行的很多圖像分類問題、基于可視圖像特征的目標(biāo)識別問題等則可以不要求嚴(yán)格的輻射校正[7]。

3.4 關(guān)于輻射輻射校正與幾何校正的先后順序

如果先進(jìn)行幾何校正，這期間需要重采樣，會改變結(jié)果中的像素值，再進(jìn)行輻射校正也會受到影響。在文獻(xiàn)[10]中，通過改變變輻射校正、幾何校正的先后順序，從圖像的統(tǒng)計特征和紋理特征兩個方面定量分析輻射校正、幾何校正順序?qū)μ幚斫Y(jié)果的影響，發(fā)現(xiàn)這兩種校正的先后順序?qū)Y(jié)果的影響很小。這個問題的最終結(jié)論還需要科研工作者更深入、廣泛的研究。

4 結(jié) 語

遙感技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，對遙感圖像處理課程的教學(xué)提出了更高的要求。應(yīng)在理論上加強(qiáng)遙感圖像處理的教學(xué)，打下扎實的理論基礎(chǔ)，增強(qiáng)實踐技能的培養(yǎng)，更好地適應(yīng)社會需求。遙感圖像處理課程起到了啟發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)課程的重要作用，它能夠更直觀地反映遙感圖像的表示、操作處理和實際應(yīng)用，具有較強(qiáng)的實用性和視覺沖擊力，對于調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、掌握遙感理論和技術(shù)有重要意義。

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P237

B

1672-4623（2017）12-0108-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.12.035

2016-12-15。

國家自然科學(xué)基金資助項目（41671165、61650201）。

鄒柏賢，博士，副教授，主要研究方向為圖像處理、模式識別。