遙感圖像在中學(xué)地理信息化教學(xué)中的應(yīng)用原則與方法＊

胡順石 潘 婷 譚子芳

（1.湖南師范大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 湖南長(zhǎng)沙 410081；2.湖南省地質(zhì)中學(xué) 湖南長(zhǎng)沙 410011）

近年來，遙感應(yīng)用在各行業(yè)不斷地深入滲透，從國(guó)家需求為主逐漸擴(kuò)展到企業(yè)、行業(yè)應(yīng)用層次，甚至進(jìn)入到普通百姓日常生活中。高中地理新課程標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)加強(qiáng)信息技術(shù)在地理學(xué)習(xí)中的應(yīng)用，要培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)有用的地理知識(shí)，而遙感技術(shù)是信息技術(shù)的重要手段之一，可以在中學(xué)地理信息化教學(xué)中發(fā)揮重要作用。遙感技術(shù)可以從不同高度、大范圍、快速和多譜段地對(duì)地表進(jìn)行周期性的觀測(cè)，獲取大量地表信息，它已是地理學(xué)相關(guān)領(lǐng)域研究的重要數(shù)據(jù)來源[1]。不同階段的中學(xué)地理課程中均設(shè)置了包含遙感技術(shù)的相關(guān)教學(xué)內(nèi)容，衛(wèi)星遙感圖像能夠增強(qiáng)地理教學(xué)信息的表現(xiàn)力和視覺沖擊力，激發(fā)學(xué)生的興趣[2]。將遙感技術(shù)運(yùn)用在地理信息化教學(xué)中，將改變地理教學(xué)內(nèi)容的展示方式、豐富地理課堂教學(xué)內(nèi)容和改變地理課堂的教學(xué)方式[3]。應(yīng)用遙感技術(shù)進(jìn)行中學(xué)地理信息化教學(xué)也是新課標(biāo)對(duì)地理教學(xué)時(shí)代性和前沿性的要求。本文將介紹在中學(xué)地理信息化教學(xué)過程中，中學(xué)教師應(yīng)如何選擇合適的遙感圖像，采用哪些方法將遙感圖像應(yīng)用到教學(xué)過程中，以及介紹哪些教學(xué)內(nèi)容可以采用遙感圖像。

一、地理教學(xué)中遙感圖像的選擇原則

中地理教學(xué)內(nèi)容包括自然地理、人文地理和區(qū)域地理等基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容，教師應(yīng)根據(jù)特定的教學(xué)目標(biāo)和內(nèi)容，選擇符合要求的遙感圖像。鑒于遙感技術(shù)手段、平臺(tái)的多樣性，在實(shí)際選擇遙感圖像時(shí)，一般應(yīng)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行綜合考慮。

1.選擇合適的遙感圖像類型

按照遙感成像的電磁波段分類，遙感可分為可見光、紅外和微波遙感；按照平臺(tái)分類，可分為近地面遙感、航空遙感、航天（衛(wèi)星）遙感。由于地物對(duì)電磁波輻射作用的差異性，教師應(yīng)還需要根據(jù)課程教學(xué)內(nèi)容選擇合適的圖像類型，例如在講述城市環(huán)境——城市熱島效應(yīng)主題時(shí)可采用熱紅外衛(wèi)星遙感圖像；河流地貌的發(fā)育過程主題可采用多時(shí)相可見光遙感圖像；地形地貌主題可采用微波遙感圖像；天氣系統(tǒng)主題可采用氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)等。目前，有很多網(wǎng)站可以提供免費(fèi)衛(wèi)星遙感圖像下載，如地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站（http：//www.gscloud.cn/）、中國(guó)遙感數(shù)據(jù)網(wǎng)（http：//rs.ceode.ac.cn/）、國(guó)家衛(wèi)星氣象中心數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)（http：//satellite.nsmc.org.cn/portalsite/default.aspx）等。

2.選擇最佳波段組合進(jìn)行圖像可視化

遙感傳感器可以在多個(gè)電磁譜段成像獲得遙感圖像，遙感圖像所反映的是傳感器接收地表不同地物電磁輻射信號(hào)。然而由于地表各類地物電磁輻射性質(zhì)不相同，地物電磁波輻射信號(hào)差異性會(huì)在遙感圖像上有所體現(xiàn)。根據(jù)RGB色彩空間的彩色合成原理，我們應(yīng)該選擇合適的波段進(jìn)行組合，突出地物信息，服務(wù)于教學(xué)內(nèi)容。在實(shí)際工作中，我們可以選擇地物波譜特征差異較大的波段圖像，即可以選擇不同波段影像密度方差較大且相關(guān)程度較小的圖像，同時(shí)還應(yīng)注意到不同波段組合對(duì)目視判讀效果的影響。例如ENVI-IDL技術(shù)殿堂博客網(wǎng)站，衛(wèi)星遙感圖像不同波段組合及其使用方式進(jìn)行了較為詳細(xì)的說明，讀者可以參考借鑒。

3.選擇恰當(dāng)時(shí)相的遙感圖像突出地物信息

自然界中，地表景觀會(huì)由于季節(jié)變化而產(chǎn)生差異，如植物生長(zhǎng)具有明顯的季節(jié)性、氣候具有干濕變化特征等，這些變化會(huì)使得地物對(duì)電磁波輻射特性產(chǎn)生嚴(yán)重影響，從而影響地物在遙感圖像上呈現(xiàn)的特征。同時(shí)由于云、霧霾等對(duì)遙感圖像影響十分嚴(yán)重，所以在選擇時(shí)也要盡量避開，宜選擇那些含云量少的遙感圖像，從而可以提高目視判讀效率，提高課堂教學(xué)效果。

4.選擇合理空間分辨率圖像反映地理空間尺度現(xiàn)象

地理學(xué)是研究地球表面自然、人文現(xiàn)象及其空間演化規(guī)律的科學(xué)，它涉及到地理空間尺度問題。誠(chéng)然，清晰度高的圖像更能從細(xì)節(jié)上反映地物外部輪廓形狀、紋理特征等，也有利于地物的判讀和識(shí)別，但是對(duì)于反映大尺度特征的地理教學(xué)內(nèi)容時(shí)，如地形地貌、地域分異規(guī)律等，遙感圖像空間分辨率過高，圖像尺寸將也會(huì)增加，在遙感圖像顯示時(shí)則往往會(huì)超出課件顯示窗口，不利于學(xué)生從宏觀角度把握地理空間特征。選擇合適的空間分辨率的遙感圖像來進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)是教師需要慎重考慮的問題，一般而言，小尺度、局部區(qū)域地理教學(xué)內(nèi)容時(shí)，可以選擇高空間分辨率圖像，反之，宜選擇低空間分辨率遙感圖像。

二、遙感圖像在中學(xué)地理教學(xué)中的應(yīng)用方法

由于遙感成像原理和技術(shù)手段的不同，在使用遙感圖像進(jìn)行信息化教學(xué)時(shí)，教師應(yīng)充分考慮到教學(xué)目標(biāo)、課程標(biāo)準(zhǔn)、教材及學(xué)情等實(shí)際情況，從而對(duì)遙感圖像進(jìn)行相應(yīng)的處理和應(yīng)用。以下以常用到的可見光-近紅外遙感圖像為例，介紹遙感圖像在中學(xué)地理信息化教學(xué)過程中將會(huì)使用到的圖像處理方法、遙感圖像的適用的教學(xué)內(nèi)容。

1.充分利用遙感圖像目視判讀法，增強(qiáng)學(xué)生地理空間思維

遙感圖像可以在整體上直觀把握地理事物的空間分布規(guī)律和區(qū)域特征，通過目視判讀方法可以讓學(xué)生很直觀地發(fā)現(xiàn)這種規(guī)律和特點(diǎn)。在使用目視判讀法時(shí)，教師應(yīng)依據(jù)中學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)、課標(biāo)要求和遙感圖像特征，聯(lián)系該區(qū)域的自然和人文特征，通過一定的引導(dǎo)，激發(fā)學(xué)生參與到遙感圖像目視判別中來，從而達(dá)到發(fā)現(xiàn)地物類型及空間分布規(guī)律和特征。在遙感圖像上，不同的地物有不同的電磁波輻射特征，這些圖像特征是判讀識(shí)別各種地物的依據(jù)，這些特征稱為判讀或解譯標(biāo)志。在進(jìn)行目視判讀之前，我們需要了解不同地物在遙感圖像上解譯標(biāo)志。我們經(jīng)常會(huì)使用到的目視解譯標(biāo)志包括遙感圖像的色調(diào)、陰影、形狀、大小、位置、紋理、空間布局等信息。在進(jìn)行遙感圖像判讀時(shí)，教師需要注意充分引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用多種信息進(jìn)行綜合分析、采用多手段和多方法相結(jié)合的方法對(duì)地物進(jìn)行判別和分析。遙感圖像目視判讀法主要應(yīng)用于地物類型判別與分析、地理對(duì)象空間分布規(guī)律、空間分布特征等定性分析，讓學(xué)生了解某種特征的地理事物在遙感圖像上分布的特點(diǎn)，如泥石流、滑坡、地震等自然地質(zhì)災(zāi)害及其受災(zāi)程度等，城市和農(nóng)村在遙感圖像上的分布特征，自然河流水系空間分布特征等。

2.巧妙采用遙感圖像增強(qiáng)處理方法，增強(qiáng)遙感圖像顯示效果

在使用遙感圖像進(jìn)行地理教學(xué)展示時(shí)，為了增強(qiáng)學(xué)生興趣、突出教學(xué)內(nèi)容以及地物目標(biāo)信息，我們需要對(duì)遙感圖像進(jìn)行適當(dāng)圖像增強(qiáng)處理，用以增強(qiáng)圖像顯示效果。遙感圖像增強(qiáng)處理主要包括彩色增強(qiáng)處理、空間域增強(qiáng)處理，以及為了達(dá)到某些特征要求而實(shí)施的圖像數(shù)學(xué)變換等，其主要目的是突出遙感圖像某些地物的特征信息，便于我們更好地進(jìn)行地理事物的識(shí)別和判斷。鑒于中學(xué)地理課程教學(xué)內(nèi)容，可采用的遙感圖像增強(qiáng)處理方法有真彩色、假彩色合成方法、圖像對(duì)比度拉伸方法等。根據(jù)彩色合成的原理，當(dāng)輸入圖像的紅光、綠光、藍(lán)光波段分別輸入到RGB色彩空間紅、綠、藍(lán)三個(gè)通道時(shí)，圖像便再現(xiàn)地物的彩色原型，即為真彩色合成，而其他彩色合成方式均稱為假彩色合成。對(duì)于遙感衛(wèi)星影像而言，由于電磁波在大氣層中傳輸時(shí)受到大氣瑞利散射效應(yīng)的影響，衛(wèi)星傳感器幾乎無法接收來自地物反射的藍(lán)光信息，因而衛(wèi)星影像幾乎無法重現(xiàn)真彩色模型。因此，對(duì)衛(wèi)星遙感圖像，我們可以采用彼此相關(guān)性較小的波段進(jìn)行假彩色合成，以達(dá)到突出目標(biāo)地物的特征信息的目的。圖像對(duì)比度拉伸主要是通過改變數(shù)字圖像灰度級(jí)分布，擴(kuò)大圖像顯示的動(dòng)態(tài)范圍，從而突出地物間的差別。常用到的圖像對(duì)比度拉伸方法有線性增強(qiáng)法、非線性增強(qiáng)法、直方圖均衡化和直方圖匹配等[1]。

3.合理利用動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)技術(shù)，掌握地物空間變化驅(qū)動(dòng)因素

動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)技術(shù)一般采用多時(shí)相、多傳感器的遙感圖像對(duì)同一地區(qū)的地理對(duì)象進(jìn)行監(jiān)測(cè)和比較分析，以獲取該區(qū)域某些地理現(xiàn)象的變化趨勢(shì)和特點(diǎn)，特別地，還能促進(jìn)學(xué)生對(duì)地物變化驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行探索性思考。在中學(xué)地理課堂中，利用遙感動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)技術(shù)獲取某種地物類型或地理現(xiàn)象在不同時(shí)間段變化信息的數(shù)量和位置關(guān)系是主要應(yīng)用場(chǎng)景，通過具體案例分析，讓學(xué)生直觀地感受動(dòng)態(tài)的地理過程和遙感技術(shù)的優(yōu)越性，如人教版必修3教材第一章《地理環(huán)境與區(qū)域發(fā)展》中，教材中的圖片顯示了1998年長(zhǎng)江流域發(fā)生洪災(zāi)前后，洞庭湖及荊江地區(qū)被洪水淹沒地區(qū)的分布和范圍。針對(duì)一些社會(huì)熱點(diǎn)事件，也可以通過采用遙感動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)技術(shù)，讓學(xué)生了解遙感在區(qū)域自然災(zāi)害方面的應(yīng)用，如5.12汶川大地震、2006年無錫太湖藍(lán)藻大爆發(fā)事件等?？傊?，遙感動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于自然環(huán)境變化、土地利用類型轉(zhuǎn)化、城市空間結(jié)構(gòu)變化、環(huán)境污染、自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)等方面的教學(xué)。動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)常用的方法包括圖像差值法、圖像比值法、植被指數(shù)法、圖像分類后比較法等。需要注意的是，在使用圖像動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)技術(shù)時(shí)，我們需要對(duì)不同時(shí)相的遙感圖像進(jìn)行精確幾何配準(zhǔn)，使它們具有統(tǒng)一的地理坐標(biāo)系統(tǒng)。

4.創(chuàng)新使用遙感圖像三維虛擬技術(shù)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

將遙感圖像作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用地理信息三維可視化技術(shù)形成虛擬教學(xué)環(huán)境，可以幫助學(xué)生更加直觀地理解地理過程和現(xiàn)象，充分發(fā)揮遙感圖象在中學(xué)地理教育教學(xué)中應(yīng)用的潛力和價(jià)值，最大程度地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。例如，對(duì)數(shù)字高程模型（DEM）進(jìn)行三維可視化后，可以讓學(xué)生觀察到三維可視化環(huán)境下的地形地貌特征，啟發(fā)學(xué)生發(fā)現(xiàn)這種新的展示形式與傳統(tǒng)等高線之間的差別，從而幫助學(xué)生更好地理解等高線模型及不同地形地貌的特點(diǎn)；通過DEM與遙感圖像疊加顯示，可以讓學(xué)生更加直觀地從宏觀角度觀察崩塌、滑坡、泥石流、水土流失等自然災(zāi)害現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生深刻理解引發(fā)這些災(zāi)害所需要的坡度、地表覆蓋物等條件。一般地，針對(duì)復(fù)雜地理過程和現(xiàn)象以及與DEM相關(guān)的地理教學(xué)主題時(shí)，我們均可以考慮采用遙感圖像三維可視化技術(shù)。在進(jìn)行遙感圖像三維可視時(shí)，一般需要先選定符合要求的較高空間分辨率的主題衛(wèi)星影像，通過正射校正、圖像增強(qiáng)處理等預(yù)處理后，借助一些地理信息系統(tǒng)（GIS）專業(yè)軟件對(duì)遙感圖像進(jìn)行三維虛擬可視化顯示，如經(jīng)?？梢允褂玫腉IS軟件有ArcGIS、MapGIS等。

中學(xué)地理課程內(nèi)容包括自然地理、區(qū)域地理和專題地理等眾多教學(xué)內(nèi)容，而遙感技術(shù)可以從宏觀角度更加全面的觀察到這些地理過程和現(xiàn)象。在地理教學(xué)過程中恰當(dāng)?shù)剡\(yùn)用遙感技術(shù)和遙感圖像，可以更好地展示課堂教學(xué)內(nèi)容，減輕教師負(fù)擔(dān)，激發(fā)學(xué)生獨(dú)立思考和創(chuàng)新意識(shí)，讓學(xué)生從宏觀角度理解感受和體驗(yàn)地理知識(shí)，更好地培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)精神和創(chuàng)新思維能力。