夜光遙感的教學(xué)方法設(shè)計(jì)

摘? 要：雖然夜光遙感在科學(xué)研究領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)如火如荼，但是夜光遙感的教學(xué)研究卻相對(duì)較少，大部分相關(guān)教學(xué)工作仍然停留在學(xué)術(shù)報(bào)告的層面，對(duì)于構(gòu)建較為完整的知識(shí)體系存在較大難度。設(shè)計(jì)有效的夜光遙感教學(xué)方法體系對(duì)于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)夜光遙感知識(shí)具有關(guān)鍵性作用。筆者于2012年開始進(jìn)入夜光遙感研究領(lǐng)域，于2015年前后開始開展夜光遙感的教學(xué)工作。該文將總結(jié)筆者近年來(lái)的相關(guān)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，并開展探討，希望能夠?yàn)橐构膺b感的教學(xué)工作提供借鑒意義。

關(guān)鍵詞：夜光遙感? 教學(xué)? 方法? 經(jīng)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G633 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）12（a）-0205-02

站在城市建筑上俯瞰夜晚城市，可以看到城市夜間各種形式的人造光源。這些光源包括路燈、商業(yè)廣告燈、居民樓燈光、工業(yè)區(qū)的生產(chǎn)照明燈等。在科學(xué)家的視角下，這些城市夜間發(fā)光為科學(xué)研究提供寶貴的信息。20世紀(jì)70年代，美國(guó)軍事氣象衛(wèi)星計(jì)劃（DMSP）衛(wèi)星搭載的業(yè)務(wù)線陣掃描傳感器（OLS）成功發(fā)射并用于獲取夜間云層信息。隨后，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)DMSP/OLS影像在夜間無(wú)云的條件下可以獲取油氣井和城鎮(zhèn)發(fā)光，因此DMSP/OLS為探測(cè)人類活動(dòng)提供了一條新的途徑。自從20世紀(jì)90年代，美國(guó)海洋大氣與管理局（NOAA）的Christopher Elvidge博士領(lǐng)導(dǎo)的夜光遙感產(chǎn)品小組，于2010年成功生產(chǎn)了長(zhǎng)時(shí)間序列的夜光遙感產(chǎn)品。這套時(shí)間序列產(chǎn)品已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于城市擴(kuò)張監(jiān)測(cè)、油氣井燃燒監(jiān)測(cè)、經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)估算、光污染評(píng)估、人道主義災(zāi)難評(píng)估等諸多應(yīng)用領(lǐng)域 （李德仁、李熙，2015）。2011年底，隨著夜光遙感傳感器VIIRS的出現(xiàn)，夜光遙感進(jìn)入了更加定量化的時(shí)代。在國(guó)內(nèi)，武漢大學(xué)的夜光遙感研究團(tuán)隊(duì)不僅在夜光遙感應(yīng)用領(lǐng)域開展了深入研究，并且于2018年6月發(fā)射了全球首顆專業(yè)夜光遙感衛(wèi)星“珞珈一號(hào)”01星，該衛(wèi)星數(shù)據(jù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于城市化和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)監(jiān)測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域（Li et al. 2019）。該文基于筆者在夜光遙感領(lǐng)域的研究成果，探討在相關(guān)領(lǐng)域的教學(xué)方法。

1? 課堂教學(xué)的知識(shí)體系

多年來(lái)，人們對(duì)于夜光遙感的理解更多停留在應(yīng)用層面。例如，2018年美國(guó)諾貝爾經(jīng)濟(jì)獎(jiǎng)得主、耶魯大學(xué)諾德豪斯教授曾經(jīng)將夜光遙感技術(shù)應(yīng)用于GDP估算等領(lǐng)域，產(chǎn)生了巨大學(xué)術(shù)影響（Chen and Nordhaus，2011）;武漢大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)曾經(jīng)將夜光遙感應(yīng)用于敘利亞內(nèi)戰(zhàn)等人道主義災(zāi)難評(píng)估的領(lǐng)域，產(chǎn)生了廣泛的社會(huì)影響。然而，不同的應(yīng)用領(lǐng)域知識(shí)結(jié)構(gòu)存在巨大差異，因此如果以應(yīng)用導(dǎo)向?yàn)榻虒W(xué)主線，則很難構(gòu)建完整的教學(xué)邏輯。為此，我們需要構(gòu)建整套夜光遙感的知識(shí)體系開展教學(xué)工作。我們將知識(shí)體系劃分為夜光遙感的概念、夜光遙感的原理、夜光遙感的方法、夜光遙感的應(yīng)用、夜光遙感數(shù)據(jù)獲取與處理技能共五個(gè)主要方面。

1.1 夜光遙感的概念

通過搜索各類文獻(xiàn)，關(guān)于夜光遙感并沒有統(tǒng)一的定義。在氣象遙感領(lǐng)域，只要是夜間可見光的遙感都可以稱為夜光遙感或者微光遙感，特別對(duì)于云層夜間發(fā)光最為重視。在社會(huì)經(jīng)濟(jì)研究領(lǐng)域，夜光遙感更多面向城鎮(zhèn)、油氣井以及漁業(yè)發(fā)光。因此，考慮到實(shí)際的應(yīng)用領(lǐng)域，我們將夜光遙感定義為無(wú)云條件下的遙感傳感器獲取陸地和水體可見光源的過程。在給出該定義后，我們需要告知學(xué)生定義本身不是絕對(duì)的，根據(jù)不同的需求可以給出不同的定義。

1.2 夜光遙感的原理

在多數(shù)學(xué)術(shù)報(bào)告中，對(duì)于夜光遙感的原理講述并不充分。但是對(duì)于課堂教學(xué)而言，夜光遙感的原理必不可少的。事實(shí)上，日間遙感的諸多原理和夜光遙感幾乎完全一樣，比如輻亮度的定義、大氣輻射傳輸過程、幾何校正方法等。因此，在講述夜光遙感原理之前，需要較為系統(tǒng)的介紹日間遙感的基本原理。考慮到課堂教學(xué)時(shí)間的限制，需要學(xué)生在課堂教學(xué)前進(jìn)行一定的預(yù)習(xí)，推薦學(xué)習(xí)梁順林教授撰寫的《定量遙感》教材。在講授夜光遙感原理時(shí)，需要特別闡述夜光遙感的輻射傳輸機(jī)理：遙感傳感器接受到的能量中包含城市夜間燈光、地表反射的月光以及諸多噪聲因子（例如宇宙高能粒子與大氣層碰撞的發(fā)光），這些光源均與大氣發(fā)生相互作用，其機(jī)制可以用大氣輻射傳輸原理來(lái)解釋。

1.3 夜光遙感的方法

由于夜光遙感面向的科學(xué)問題分散在不同領(lǐng)域，因此夜光遙感的方法看似較為分散。針對(duì)這一問題，需要總結(jié)夜光遙感領(lǐng)域中研究最為集中的若干領(lǐng)域，并找到其常用的方法。這些方法包括：（1）DMSP/OLS年合成產(chǎn)品的相對(duì)輻射定標(biāo);（2）VIIRS每日數(shù)據(jù)的輻射質(zhì)量改善;（3）基于夜光遙感的城市范圍提取方法。針對(duì)這3個(gè)主要方法，講述其各自的分支方法，例如，為了提取城市范圍，可以采用單閾值法，也可以采用復(fù)合指數(shù)法等多個(gè)策略。當(dāng)然，隨著夜光遙感的快速發(fā)展，其對(duì)應(yīng)的主要科學(xué)問題也會(huì)增多，需要根據(jù)實(shí)際情況增加講述內(nèi)容。

1.4 夜光遙感的應(yīng)用

相比于概念、原理和方法，夜光遙感的應(yīng)用則顯得十分有趣。結(jié)合日常生活和新聞事件，選取合適的重要案例講述夜光遙感的應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)，在講述應(yīng)用案例時(shí)，一定要配合夜光遙感的原理和方法進(jìn)行講授，切忌應(yīng)用和方法的脫節(jié)。

1.5 夜光遙感數(shù)據(jù)獲取與處理技能

雖然夜光遙感具有重要的應(yīng)用價(jià)值，但如果只是停留在理論知識(shí)的講述缺乏實(shí)際操作的話，很難讓學(xué)生們留下深刻的印象。因此，需要在課堂上直接傳授數(shù)據(jù)獲取的處理的方法。需要詳細(xì)的指導(dǎo)如何搜索到夜光遙感數(shù)據(jù)、如何下載以及基本處理的相關(guān)知識(shí)。打開美國(guó)海洋與大氣管理局的官方網(wǎng)站，進(jìn)入DMSP/OLS和VIIRS夜光遙感產(chǎn)品的下載界面，告訴學(xué)生下載方法。接著，打開湖北省高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)湖北數(shù)據(jù)與應(yīng)用網(wǎng)，進(jìn)入“珞珈一號(hào)”01星數(shù)據(jù)的下載界面，快速注冊(cè)賬號(hào)后，就可以下載相關(guān)數(shù)據(jù)。當(dāng)然，下載數(shù)據(jù)只是第一步，在有條件的情況下，有必要安排一次上機(jī)實(shí)習(xí)課程。

2? 課堂教學(xué)的方法與策略

在構(gòu)建完夜光遙感的知識(shí)體系后，需要設(shè)計(jì)合適的教學(xué)方法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。筆者將其中較為特色的方法概括為：案例教學(xué)、多媒體技術(shù)、軟件操作和課外實(shí)踐。

2.1 案例教學(xué)

為了凸顯夜光遙感的重大價(jià)值，我們重點(diǎn)選取夜光遙感監(jiān)測(cè)中東地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)變化作為重點(diǎn)案例進(jìn)行講解。通過相對(duì)輻射定標(biāo)、時(shí)間序列分析、時(shí)空聚類等數(shù)據(jù)處理與分析方法，我們可以獲得敘利亞內(nèi)戰(zhàn)以來(lái)夜間燈光的變化信息，部分省份幾乎陷入完全黑暗。在展現(xiàn)夜光遙感影像的同時(shí)，配備相關(guān)的新聞資料和圖片，展示敘利亞內(nèi)戰(zhàn)的殘酷，激發(fā)學(xué)生們熱愛和平、關(guān)注世界和靈活運(yùn)用知識(shí)的動(dòng)力。還可以運(yùn)用中國(guó)城市化作為典型案例，展示中國(guó)主要城市群的快速增長(zhǎng)及其伴隨的夜間燈光的增長(zhǎng)，讓學(xué)生們了解夜光遙感對(duì)于研究區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要價(jià)值。除此之外，經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)估算也是很好的例子，可以介紹諾貝爾經(jīng)濟(jì)獎(jiǎng)得主諾德豪斯教授利用夜光遙感估算GDP的經(jīng)典案例，讓大家知道夜光遙感已經(jīng)成為宏觀經(jīng)濟(jì)學(xué)的重要數(shù)據(jù)源。

2.2 多媒體技術(shù)

在介紹夜光遙感基本概念以及案例教學(xué)時(shí)，十分有必要利用各種多媒體技術(shù)傳授知識(shí)。利用NOAA提供的國(guó)際空間站影像的視頻展示不同城市夜間燈光的空間細(xì)節(jié)信息，從而獲得重要的直觀感受;利用夜光遙感敘利亞內(nèi)戰(zhàn)的新聞報(bào)道視頻，可以展示夜光遙感巨大應(yīng)用價(jià)值;利用“珞珈一號(hào)”01星的發(fā)射場(chǎng)景視頻，激發(fā)同學(xué)們的愛國(guó)、愛校情懷，同時(shí)推動(dòng)國(guó)產(chǎn)夜光遙感的應(yīng)用研究。

2.3 軟件操作

建議采用ENVI和Arcmap軟件開展夜光遙感的實(shí)踐操作。利用ENVI軟件開展夜光遙感影像的基本處理：坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、影像裁減、重采樣、亮度拉伸等基本操作。在ENVI操作結(jié)束后，利用Arcmap進(jìn)行數(shù)據(jù)分析也是必不可少的，特別是利用行政區(qū)劃數(shù)據(jù)結(jié)合夜光遙感影像計(jì)算夜光總量，并與GDP數(shù)據(jù)結(jié)合開展相關(guān)分析，從而有效地展示夜光遙感在經(jīng)濟(jì)建模中的巨大潛力。

2.4 課外實(shí)踐

課堂教學(xué)固然有利于傳授基本知識(shí)，但是對(duì)于獲得第一手的直觀資料而言，課外實(shí)踐則能發(fā)揮獨(dú)特的作用。選取學(xué)校周邊地塊，帶領(lǐng)興趣小組肉眼觀測(cè)商業(yè)區(qū)、教學(xué)區(qū)和居民區(qū)的夜間發(fā)光，通過輻射亮度計(jì)等工具記錄夜間燈光的發(fā)光強(qiáng)度，并結(jié)合衛(wèi)星資料進(jìn)行對(duì)比。通過這些活動(dòng)，建立衛(wèi)星觀測(cè)與地表信息的有效對(duì)應(yīng)，幫助學(xué)生建立夜光遙感更為直觀和基礎(chǔ)的概念，對(duì)于夜光遙感的定量化也具有重要價(jià)值。

3? 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，夜光遙感技術(shù)經(jīng)歷了快速發(fā)展，不同領(lǐng)域的學(xué)者開始應(yīng)用夜光遙感影像開展研究工作。相比于快速發(fā)展的研究，夜光遙感的系統(tǒng)化教學(xué)工作相對(duì)滯后。如何利用課堂教學(xué)手段迅速有效地普及夜光遙感基本知識(shí)，并激發(fā)部分學(xué)生今后從事該研究領(lǐng)域是一個(gè)具有重要價(jià)值的話題。筆者基于近年來(lái)的科研和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，初步建立了一套教學(xué)框架體系，希望能為國(guó)內(nèi)同行提供一定的借鑒意義。同時(shí)，需要清晰地認(rèn)識(shí)到，夜光遙感是一個(gè)急劇發(fā)展的研究領(lǐng)域，其教學(xué)方法必須伴隨著主要研究進(jìn)展而更新。例如，隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的普及，利用無(wú)人機(jī)調(diào)查城市夜間燈光分布和變化不難實(shí)現(xiàn)，今后可以重點(diǎn)開展無(wú)人機(jī)夜光遙感的數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用的教學(xué)工作。

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