測繪工程專業(yè)“雷達干涉測量”課程教學(xué)探討

溫?fù)P茂，許才軍，劉 洋

(1. 武漢大學(xué) 測繪學(xué)院，湖北 武漢 430079；2. 武漢大學(xué) 地球空間環(huán)境與大地測量教育部重點實驗室，湖北 武漢 430079；3. 地球空間信息技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430079)

雷達干涉測量(Interferometric SAR, InSAR)是正在發(fā)展中的極具潛力的大地測量技術(shù)，它能夠全天候、全天時獲取高精度、連續(xù)覆蓋的地面高程、地表形變及其物性變化信息[1]。近30年來，雷達干涉測量技術(shù)已在地形測繪、全球環(huán)境變化(冰川消融、凍土退化、冰川漂移、極地冰層變化等)、災(zāi)害監(jiān)測評估(地震地殼形變、火山運動、山體滑坡、區(qū)域地面沉降等)、能源資源勘查(油氣田開采、礦產(chǎn)資源開采、二氧化碳地下存儲、地下水抽采等)等相關(guān)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，取得一系列重要成果。雷達干涉測量作為獨特的基于面觀測的空間大地測量新技術(shù)，可有效補充已有的基于點觀測的低空間分辨率大地測量技術(shù)，如全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)、甚長基線干涉(VLBI)和精密水準(zhǔn)等，是一種經(jīng)濟的空間對地觀測新手段[2]。

隨著雷達干涉測量的應(yīng)用越來越廣泛，為培養(yǎng)厚基礎(chǔ)、寬口徑、強能力和高素質(zhì)的測繪工程專業(yè)人才，武漢大學(xué)、中南大學(xué)、中國礦業(yè)大學(xué)等國內(nèi)高校陸續(xù)開設(shè)了“雷達干涉測量”課程[3-5]。本文以武漢大學(xué)開設(shè)的“雷達干涉測量”課程為例，詳細(xì)介紹該課程的課程特點和教學(xué)內(nèi)容。同時根據(jù)教學(xué)過程中遇到的問題，在教材建設(shè)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)設(shè)計、教學(xué)形式和教學(xué)方法等方面進行探討。

1 課程特點

武漢大學(xué)的“雷達干涉測量”課程是測繪學(xué)院測繪工程專業(yè)的專業(yè)選修課程，開設(shè)在大學(xué)三年級。該課程以雷達干涉測量的新成就和新發(fā)展為著眼點，著重闡述雷達干涉測量的基本理論、關(guān)鍵技術(shù)與主要實現(xiàn)算法。通過該課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生整體了解雷達干涉測量的發(fā)展概況，掌握扎實的雷達干涉測量基礎(chǔ)理論和基本技能，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實踐動手能力，能夠在將來的崗位上從事雷達干涉測量數(shù)據(jù)處理與分析工作，并為進一步研究相關(guān)地球科學(xué)問題打下堅實的基礎(chǔ)。

“雷達干涉測量”是一門具有明顯學(xué)科交叉特點的課程。雷達干涉測量本質(zhì)上是一門應(yīng)用技術(shù)，需要在各個領(lǐng)域的應(yīng)用中體現(xiàn)其價值，其學(xué)科交叉性主要體現(xiàn)在：①測繪遙感學(xué)科，其將雷達干涉測量技術(shù)作為一項新的測繪遙感技術(shù)，以此來強化信息化測繪的學(xué)科內(nèi)容；②雷達技術(shù)學(xué)科，包括通訊工程、電子電氣工程、雷達工程等專業(yè)，它們將雷達干涉測量作為一種外延技術(shù)；③地球科學(xué)，如地球物理、自然災(zāi)害、水文地質(zhì)、地球環(huán)境等學(xué)科，雷達干涉測量可為其提供一種經(jīng)濟的空間對地觀測新途徑。因此，目前開設(shè)“雷達干涉測量”課程的學(xué)校既包含有傳統(tǒng)測繪類院校，如武漢大學(xué)、中南大學(xué)、中國礦業(yè)大學(xué)等，也包含有北京大學(xué)、國防科技大學(xué)、西南交通大學(xué)、北京師范大學(xué)、北京理工大學(xué)和北京航空航天大學(xué)等相關(guān)院校。

“雷達干涉測量”課程是一門知識迅速發(fā)展中的課程[1]。目前，雷達衛(wèi)星的成像模式呈現(xiàn)多元化態(tài)勢，如我國高分三號雷達衛(wèi)星，它不僅包含有傳統(tǒng)的條帶、掃描成像模式，而且還可在聚束、條帶、掃描、波浪、全球觀測、高低入射角等多種成像模式下自由切換，這些不同成像模式數(shù)據(jù)的干涉處理需要采用不同的處理技術(shù)。而且，傳統(tǒng)雷達干涉測量技術(shù)在趨于成熟的同時，延伸發(fā)展出永久散射體干涉(PSI)、短基線集干涉(SBAS)、層析SAR(TomoSAR)、分布式干涉(SqueeSAR)、方位向干涉(MAI)、偏移量跟蹤和極化InSAR等新技術(shù)，這些新技術(shù)不斷拓寬雷達干涉測量的應(yīng)用領(lǐng)域。此外，雷達干涉測量技術(shù)的基礎(chǔ)理論研究還在進一步深入，建立了更為嚴(yán)密的函數(shù)模型和隨機模型等。掌握這些最新雷達干涉測量技術(shù)發(fā)展動態(tài)將大大拓展學(xué)生視野，開拓學(xué)生的思路，使學(xué)生體會到雷達干涉測量應(yīng)用的巨大前景和價值，從而以更高的積極性和熱情投入到學(xué)習(xí)中。

“雷達干涉測量”課程是一門實踐性很強的課程，主要體現(xiàn)在雷達圖像的可見性、雷達干涉測量數(shù)據(jù)處理過程的現(xiàn)勢性、雷達干涉測量處理結(jié)果的解譯、雷達干涉測量處理軟件使用和面向特定領(lǐng)域的應(yīng)用等方面?！袄走_干涉測量”課程無論在基礎(chǔ)算法，還是在軟件工具運用上都重視技能訓(xùn)練，強調(diào)理論聯(lián)系實際，在實踐中加深對理論知識的理解，體現(xiàn)“學(xué)思結(jié)合、知行統(tǒng)一”[6]。為此，在教學(xué)過程中，為了讓學(xué)生全方位接觸雷達干涉測量的各個環(huán)節(jié)，在大板塊的課堂理論教學(xué)結(jié)束之后，安排有相應(yīng)的實踐課程，通過實踐來加深對相關(guān)知識的理解，培養(yǎng)學(xué)生的實際動手能力，激發(fā)學(xué)生的求知欲。

2 教學(xué)內(nèi)容

從基礎(chǔ)性、綜合性、應(yīng)用性的角度出發(fā)，武漢大學(xué)測繪工程專業(yè)開設(shè)的“雷達干涉測量”課程采用課堂教學(xué)為主、實踐教學(xué)為輔的教學(xué)形式。原課程教學(xué)大綱安排有45學(xué)時，其中課堂教學(xué)36學(xué)時，實踐教學(xué)9學(xué)時。為進一步深化本科教學(xué)改革，創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，提高本科教育和人才培養(yǎng)質(zhì)量，按照“武漢大學(xué)2017年的本科人才培養(yǎng)方案修訂的指導(dǎo)意見相關(guān)要求”，課程組對課程教學(xué)大綱進行了修訂，新課程大綱將總學(xué)時調(diào)整為32學(xué)時，其中課堂教學(xué)26學(xué)時，實踐教學(xué)6學(xué)時。

2.1 課堂教學(xué)內(nèi)容

“雷達干涉測量”是一門現(xiàn)勢性、發(fā)展性很強的課程，為了適應(yīng)國內(nèi)外雷達干涉測量技術(shù)的迅猛發(fā)展，在制定“雷達干涉測量”課程課堂教學(xué)內(nèi)容時，著重論述基本概念、基本理論、基本知識和基本技能，以雷達干涉測量的關(guān)鍵算法實現(xiàn)和應(yīng)用為重點，并充分反映雷達干涉測量技術(shù)的當(dāng)前發(fā)展前沿。測繪工程專業(yè)“雷達干涉測量”課程的課堂教學(xué)內(nèi)容見表1。

2.2 實踐教學(xué)內(nèi)容

在課程學(xué)時數(shù)有限的情況下，如何正確處理好課堂教學(xué)與實踐教學(xué)的關(guān)系顯得非常重要。在課程的實踐教學(xué)中，應(yīng)以培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)為目的，精心設(shè)計實驗項目和實驗方案，改變傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方法，轉(zhuǎn)換主體，讓學(xué)生“從做中學(xué)”，構(gòu)建起新的實踐教學(xué)模式[7]。根據(jù)測繪專業(yè)“雷達干涉測量”教學(xué)內(nèi)容的需要，本課程設(shè)置有3個實驗(見表2)。通過6個學(xué)時的實踐教學(xué)，使學(xué)生掌握雷達干涉測量的關(guān)鍵算法及實現(xiàn)，幫助學(xué)生更好地理解雷達干涉測量的基本理論，培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐技能。

表1 “雷達干涉測量”課程課堂教學(xué)內(nèi)容及學(xué)時安排

表2 “雷達干涉測量”課程實踐教學(xué)內(nèi)容及學(xué)時安排

3 教學(xué)建議

3.1 編寫適合測繪工程專業(yè)的教材

作為一門具有學(xué)科交叉特點的課程，“雷達干涉測量”在各個學(xué)校開設(shè)的時間不長，目前還沒有一本或者一套完整的適合測繪工程專業(yè)的教材。多數(shù)院校所使用的“雷達干涉測量”教材[8-10]編寫于本世紀(jì)初，而雷達干涉測量本身則隨著相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展而不斷向前發(fā)展，致使教材中的內(nèi)容明顯滯后，許多最新的技術(shù)方法和知識，如目前熱門的寬幅SAR、子孔徑干涉、時序InSAR、極化InSAR等，都未能及時編入教材。

因此，為了課程教學(xué)的系統(tǒng)性和完整性，便于學(xué)生學(xué)習(xí)，當(dāng)務(wù)之急是編寫一本或一套，以“復(fù)合型、寬口徑、高素質(zhì)”為原則，適合測繪工程專業(yè)特點的“雷達干涉測量”教材。新教材應(yīng)剔除陳舊過時的內(nèi)容，著重介紹雷達干涉測量的最新研究成果和發(fā)展動態(tài)，培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力，真正反映現(xiàn)今雷達干涉測量的基本原理、方法與內(nèi)涵，保持教學(xué)內(nèi)容的現(xiàn)勢性，以利于承前啟后，加速雷達干涉測量學(xué)科的發(fā)展。

3.2 合理規(guī)劃與安排相關(guān)先導(dǎo)課程

“雷達干涉測量”課程的基礎(chǔ)先導(dǎo)課程主要包括高等數(shù)學(xué)和大學(xué)物理，此外還涉及誤差理論與測量平差基礎(chǔ)、數(shù)字圖像處理、數(shù)字信號處理、遙感原理與應(yīng)用、高級程序設(shè)計等課程。然而，在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)有學(xué)生對部分相關(guān)基礎(chǔ)知識理解的不夠深入，使得教師在教學(xué)過程中需要補講部分先導(dǎo)課程的內(nèi)容。例如，在SAR工作原理的教學(xué)過程中，針對學(xué)生的理解情況，任課教師通常需要補充脈沖壓縮技術(shù)、合成孔徑技術(shù)、雷達成像原理和實現(xiàn)算法等微波遙感方面的知識；在SAR影像配準(zhǔn)的實踐教學(xué)過程中，為了讓學(xué)生能順利的編寫出影像配準(zhǔn)參數(shù)求解程序，通常需要補充最小二乘平差和粗差探測等測量數(shù)據(jù)處理方面的知識，這些都在一定程度上影響了有限教學(xué)時間內(nèi)的教學(xué)進度安排。因此，對于選修本門課程的學(xué)生，應(yīng)事先對相關(guān)先導(dǎo)課程進行合理規(guī)劃，統(tǒng)籌安排，為課程學(xué)習(xí)儲備足夠的背景知識。同時，學(xué)生還可以根據(jù)任課教師提供的參考書目在課前進行自學(xué)、課后進行擴展閱讀，拓寬自己的知識面，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)的能動性。此外，部分先導(dǎo)課程的教學(xué)形式也應(yīng)有所改變，應(yīng)更加突出學(xué)生動手能力的培養(yǎng)，提高學(xué)生解決實際問題的能力。

3.3 多元化教學(xué)方法的使用

目前，隨著學(xué)校教學(xué)設(shè)備的現(xiàn)代化，多媒體教學(xué)逐步取代傳統(tǒng)的板書教學(xué)。然而，盡管多媒體教學(xué)具有直觀、生動、形象的特點，可以將課堂上文字?jǐn)⑹霾蛔兊膬?nèi)容用幻燈片或動畫展示出來，但是如果教師過于依賴多媒體課件，仍然會出現(xiàn)教師在課堂上唱“獨角戲”的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致師生互動不足，不能充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。因此，課程組在進行課程教學(xué)時，采取在每個知識點后引入相關(guān)文獻資料，將以往的習(xí)題部分改為文獻閱讀與專題討論，充分發(fā)揮學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。通過將書本知識講授與文獻閱讀相結(jié)合，既強化了學(xué)生動手獨立解決實際問題的能力，同時也鍛煉了其表達和演講能力[11]。

同時，由于“雷達干涉測量”課程是實踐性很強的一門學(xué)科，但是學(xué)生缺少相關(guān)的實際經(jīng)驗，導(dǎo)致對某些內(nèi)容難以理解，為此，課程在完成理論教學(xué)后，安排有相應(yīng)的實驗內(nèi)容，將理論教學(xué)與實踐活動相結(jié)合，進一步啟發(fā)、激勵和培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。最終，在“雷達干涉測量”課程實施過程中，課程組形成了集“課堂講授、自主學(xué)習(xí)、創(chuàng)新性實驗”于一體的教學(xué)模式，以期全面培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性思維。

4 結(jié)束語

當(dāng)前全球雷達干涉衛(wèi)星發(fā)展迅猛，尤其是中國的雷達干涉衛(wèi)星的迅速發(fā)展，雷達干涉測量在眾多領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。本文簡要介紹了武漢大學(xué)“雷達干涉測量”課程的課程特點和教學(xué)內(nèi)容，給出了測繪工程專業(yè)開展該課程教學(xué)的一些建議，可為相關(guān)院校開設(shè)該課程提供有益參考。為了適應(yīng)現(xiàn)代測繪教育改革的需要，培養(yǎng)出適應(yīng)經(jīng)濟和社會發(fā)展需要的“高品質(zhì)、國際化、創(chuàng)新型”高級測繪專業(yè)人才，“雷達干涉測量”課程教學(xué)仍需要不斷改革創(chuàng)新，緊跟行業(yè)和時代發(fā)展的步伐。