“遙感數(shù)字圖像處理”應(yīng)用型課程改革研究*

殷學(xué)永，李京忠

（許昌學(xué)院城鄉(xiāng)規(guī)劃與園林學(xué)院，河南 許昌 461000）

1 “遙感數(shù)字圖像處理”課程概述

“遙感數(shù)字圖像處理”是地理信息科學(xué)專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，注重學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)。該課程是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展起來(lái)的新興交叉學(xué)科，遙感數(shù)字圖像處理技術(shù)的興起和發(fā)展，為人們進(jìn)行土地資源開發(fā)、研究環(huán)境狀況、研究全球變化提供了新的認(rèn)識(shí)途徑。許昌學(xué)院從2002年招生地理信息技術(shù)?？崎_始設(shè)置本課程為專業(yè)基礎(chǔ)課，很多學(xué)生已通過(guò)該課程的訓(xùn)練進(jìn)入了遙感圖像處理的行業(yè)。許昌學(xué)院升本以后，分別于2006年和2009年增設(shè)了地理信息系統(tǒng)（2013年改名為地理信息學(xué)科學(xué)）和測(cè)繪工程兩個(gè)專業(yè)，“遙感數(shù)字圖像處理”作為專業(yè)基礎(chǔ)課程在這兩個(gè)專業(yè)里開設(shè)。這門課程主要是使學(xué)習(xí)者了解遙感圖像處理的基本原理，獲得利用數(shù)字圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、處理和應(yīng)用的基本技能。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)了解和掌握遙感圖像校正處理、遙感圖像頻域變換、數(shù)字圖像增強(qiáng)、計(jì)算機(jī)分類以及精度分析的原理、方法和技術(shù)流程，了解和掌握當(dāng)前遙感圖像處理軟件的基本功能，培養(yǎng)學(xué)生能夠在遙感圖像處理分析、圖像輻射校正和增強(qiáng)、信息提取等方面從事相關(guān)技術(shù)工作和研究的探索。

隨著應(yīng)用型辦學(xué)思路的確定，地理信息科學(xué)專業(yè)在該思路的指導(dǎo)下，逐步進(jìn)行核心課程的改革，“遙感數(shù)字圖像處理”課程組老師也進(jìn)行了積極的探索，在學(xué)校教務(wù)處的大力支持下，依托校級(jí)教研項(xiàng)目“遙感教學(xué)實(shí)習(xí)與精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)相結(jié)合的框架研究”和“基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式的遙感圖像處理教學(xué)研究”取得了一些應(yīng)用型案例成果，并把相關(guān)研究成果應(yīng)用在課堂教學(xué)中，獲得了多屆學(xué)生的好評(píng)。隨著畢業(yè)生的增加，根據(jù)從事遙感圖像處理方面畢業(yè)生的反饋信息，以及與各個(gè)相關(guān)行業(yè)公司進(jìn)行積極接洽，課題組從2016年開始推動(dòng)實(shí)踐教學(xué)與產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目相融合，打造理論與實(shí)踐一體化的教學(xué)模式，在傳統(tǒng)教學(xué)的基礎(chǔ)上，增加了單項(xiàng)技能訓(xùn)練、綜合技能訓(xùn)練和生產(chǎn)項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)等教學(xué)環(huán)節(jié)。為使學(xué)生能夠從事遙感圖像獲取、遙感圖像預(yù)處理、遙感信息提取等相關(guān)工作，圍繞遙感信息提取生產(chǎn)過(guò)程重構(gòu)了教學(xué)項(xiàng)目，根據(jù)教學(xué)項(xiàng)目開展課程教學(xué)。按照學(xué)院重技能、重實(shí)踐、拿證書的要求，課程組根據(jù)全國(guó)大學(xué)生GIS 應(yīng)用技能大賽、全國(guó)信息化工程師等考核要求，歸納總結(jié)了核心知識(shí)考點(diǎn)和關(guān)鍵技能，并在教學(xué)過(guò)程中展開針對(duì)性的專項(xiàng)訓(xùn)練。

2 “遙感數(shù)字圖像處理”課程開發(fā)與設(shè)計(jì)思路

2.1 課程開發(fā)

課程開發(fā)的核心是重構(gòu)理論和實(shí)踐模塊，以項(xiàng)目為整體打造理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐操作一體化的課程單元體系[1]。在此思想指導(dǎo)下，課題組成員聯(lián)合企業(yè)工程師進(jìn)行多次研討，就課程內(nèi)容體系的知識(shí)深度和寬度與行業(yè)人才需求進(jìn)行解析，將學(xué)生的理論知識(shí)學(xué)習(xí)與職業(yè)能力培養(yǎng)融為一體，打造教學(xué)任務(wù)目標(biāo)[2]。遙感圖像處理的相關(guān)工作首先要根據(jù)項(xiàng)目需求選擇合適的數(shù)據(jù)源，并根據(jù)所選擇數(shù)據(jù)源確定數(shù)據(jù)處理的方法和信息提取技術(shù)，完成遙感信息的識(shí)別提取，并形成專題地圖制圖輸出，在專題圖上進(jìn)行相關(guān)信息統(tǒng)計(jì)。

課程組成員在合作企業(yè)工程技術(shù)人員的協(xié)作下，將遙感圖像處理的工作過(guò)程總結(jié)為以下4 個(gè)環(huán)節(jié)：影像的準(zhǔn)備→預(yù)處理→遙感信息識(shí)別→遙感信息提取。

1）影像的準(zhǔn)備：結(jié)合項(xiàng)目需求選擇合適數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)確定處理方法以及所需工具，進(jìn)行總體設(shè)計(jì)和制定遙感圖像處理過(guò)程，并形成指導(dǎo)文件，指導(dǎo)遙感圖像處理和信息提取的整個(gè)流程。

2）預(yù)處理：根據(jù)影像類別和成像條件，有選擇性地進(jìn)行圖像拉伸、輻射校正和幾何校正，并根據(jù)圖像質(zhì)量選擇圖像變換或?yàn)V波處理來(lái)增強(qiáng)圖像信息，為遙感信息提取提供較好質(zhì)量的遙感影像。

3）遙感信息識(shí)別：利用圖像分割、圖像分類或面向?qū)ο蟮奶崛》椒▽?duì)地物信息進(jìn)行遙感識(shí)別，為下一步遙感信息提取提供基礎(chǔ)圖斑。

4）遙感信息提?。焊鶕?jù)基礎(chǔ)圖斑和遙感影像覆蓋地區(qū)地物類型特征確定地物信息并形成統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，然后形成遙感信息專題圖。

2.2 課程設(shè)計(jì)理念

基于“工作過(guò)程”進(jìn)行課程開發(fā)，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手的能力，把理論知識(shí)與實(shí)踐技能融入工作過(guò)程，將學(xué)生培養(yǎng)成為一名合格的遙感圖像處理工程師[3]。核心設(shè)計(jì)理念主要在以下4 個(gè)方面。

1）以企業(yè)需求為標(biāo)桿。遙感數(shù)字圖像處理課程針對(duì)遙感圖像處理工程師、遙感圖像算法工程師和遙感圖像處理開發(fā)工程師崗位。本課程的培養(yǎng)目標(biāo)是根據(jù)企業(yè)招聘需求，在圖像校正、圖像增強(qiáng)、遙感信息識(shí)別與提取等理論和技能的培養(yǎng)上重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容，組織教學(xué)任務(wù)，實(shí)施教學(xué)過(guò)程。

2）緊扣“工作過(guò)程”。依據(jù)企業(yè)崗位需求設(shè)置職業(yè)能力培養(yǎng)目標(biāo)，以合作企業(yè)提供的工作項(xiàng)目或任務(wù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)教學(xué)項(xiàng)目；按照遙感影像的準(zhǔn)備→預(yù)處理→遙感信息識(shí)別→遙感信息提取進(jìn)行教學(xué)情境設(shè)計(jì)；遵循認(rèn)識(shí)和學(xué)習(xí)規(guī)律，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜組織課程教學(xué)。

3）以項(xiàng)目任務(wù)為載體。依托合作企業(yè)遙感圖像處理和信息提取的生產(chǎn)任務(wù)設(shè)置項(xiàng)目任務(wù)，并重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容，實(shí)施教學(xué)任務(wù)，組織教學(xué)活動(dòng)[4]。

4）教師領(lǐng)航，學(xué)生為體。在實(shí)施教學(xué)任務(wù)和組織教學(xué)活動(dòng)的過(guò)程中，教師作為領(lǐng)航員積極引導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)和實(shí)踐，同時(shí)要突出學(xué)生作為學(xué)習(xí)實(shí)踐主體的重要性，引導(dǎo)和鼓勵(lì)他們積極主動(dòng)地學(xué)習(xí)。

2.3 課程設(shè)計(jì)目標(biāo)

本課程的總體設(shè)計(jì)思路是將傳統(tǒng)的以課本章節(jié)體系知識(shí)為主線構(gòu)建的學(xué)科型課程模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐阅芰橹骶€、以任務(wù)引領(lǐng)知識(shí)、以生產(chǎn)過(guò)程組織教學(xué)的應(yīng)用型課程模式。

本課程以學(xué)生為主體，以就業(yè)為導(dǎo)向，以能力為本位，以崗位需要和職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，滿足學(xué)生職業(yè)生涯發(fā)展需求，適應(yīng)國(guó)土資源、城市規(guī)劃、房產(chǎn)、測(cè)繪、軍事等遙感數(shù)據(jù)獲取、遙感數(shù)據(jù)處理、遙感圖像增強(qiáng)、遙感信息識(shí)別與提取等崗位的需要。在邀請(qǐng)行業(yè)專家對(duì)遙感圖像處理行業(yè)所涵蓋的崗位群進(jìn)行任務(wù)與職業(yè)能力分析的基礎(chǔ)上，以職業(yè)能力為依據(jù)設(shè)計(jì)整合課程內(nèi)容，基于生產(chǎn)過(guò)程按序展示教學(xué)內(nèi)容，邊學(xué)邊練，通過(guò)集中實(shí)訓(xùn)方式強(qiáng)化教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生圖像獲取與處理、信息識(shí)別與提取的基本技能，達(dá)到遙感圖像處理各個(gè)崗位的技能要求。

基于工作流程進(jìn)行課程開發(fā)，以提高學(xué)生綜合實(shí)踐能力為目標(biāo)，以遙感影像處理為中心展開，將影像獲取與預(yù)處理流程、遙感圖像信息提取與分析流程貫穿于理論知識(shí)學(xué)習(xí)中[5]，培養(yǎng)能夠以認(rèn)真負(fù)責(zé)的態(tài)度從事遙感圖像處理工作的一線工程技術(shù)人員。通過(guò)本課程的教學(xué)與實(shí)習(xí)，達(dá)到以下目標(biāo)：一是能根據(jù)應(yīng)用確定合適的影像數(shù)據(jù)；二是能對(duì)影像進(jìn)行校正；三是能對(duì)影像進(jìn)行增強(qiáng)顯示；四是能利用分割和分類的方法提取遙感信息；五是能進(jìn)行影像專題圖制作和輸出。該課程的目標(biāo)制定從理論知識(shí)、實(shí)踐技能和專業(yè)態(tài)度3 個(gè)方面保障了寬基礎(chǔ)、高技能、厚人品的學(xué)生培養(yǎng)要求。

3 “遙感數(shù)字圖像處理”課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

3.1 學(xué)習(xí)情境構(gòu)建

根據(jù)本課程的教學(xué)內(nèi)容，確定了3 個(gè)不同的學(xué)習(xí)情景：植被信息提取、水體信息提取和土地利用提取。遙感信息提取的目標(biāo)不同，其所用數(shù)據(jù)源就不同，所涉及到的技術(shù)方法的難易程度也就不同。3 個(gè)情景所用數(shù)據(jù)量由少到多，技術(shù)難度逐漸增加；情景一植被信息提取所用數(shù)據(jù)為2 個(gè)波段，技術(shù)方法相對(duì)簡(jiǎn)單些；情景二水體信息提取所用數(shù)據(jù)為4 個(gè)波段，技術(shù)方法在植被信息提取的基礎(chǔ)上又增加了一些難度；情景三梯度利用提取所用數(shù)據(jù)為7 個(gè)波段，技術(shù)方法覆蓋了遙感信息識(shí)別和提取的所有內(nèi)容，因此，3 個(gè)情景是逐漸遞進(jìn)的關(guān)系。

利用合作企業(yè)單位提供的項(xiàng)目對(duì)3 個(gè)不同的情景展開教學(xué)，相關(guān)內(nèi)容如下所示：情景1 根據(jù)沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所的合作項(xiàng)目“東北地區(qū)植被覆蓋信息遙感提取與分析”，基于MODIS 數(shù)據(jù)和Landsat數(shù)據(jù)提取東北地區(qū)植被覆蓋信息；情景2 根據(jù)蘇中中科天啟遙感科技公司的合作項(xiàng)目“太湖水域面積遙感監(jiān)測(cè)”，基于Landsat 數(shù)據(jù)提取太湖水體信息；情景3 根據(jù)中科宇圖科技公司河南分公司“鄭州市土地利用遙感解譯”，基于Landsat 數(shù)據(jù)提取鄭州市土地利用類型信息。

3.2 教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)

根據(jù)工作過(guò)程，將原來(lái)的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重構(gòu)，知識(shí)的總量沒(méi)有發(fā)生改變，只是將知識(shí)分散到不同的教學(xué)情景中，見表1。

表1 教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)

4 課程教學(xué)組織

課程教學(xué)組織活動(dòng)緊緊圍繞遙感圖像處理的內(nèi)容進(jìn)行，課程設(shè)計(jì)包括課前準(zhǔn)備階段、遙感信息識(shí)別與提取階段和成果評(píng)價(jià)階段3 個(gè)部分[6]。課前準(zhǔn)備環(huán)節(jié)是否充分決定了這次課程教學(xué)質(zhì)量的高低，只有充分的準(zhǔn)備工作才能保障課程任務(wù)一體化訓(xùn)練的順利完成。課程組老師根據(jù)班級(jí)學(xué)生的專業(yè)特點(diǎn)和前期支撐課程的學(xué)習(xí)情況，有針對(duì)性地設(shè)置理論學(xué)習(xí)計(jì)劃和實(shí)踐操作任務(wù)。

4.1 課前準(zhǔn)備階段

課前準(zhǔn)備階段要求教師在實(shí)習(xí)課程開始前做好相關(guān)準(zhǔn)備工作，包含兩項(xiàng)內(nèi)容。

1）遙感信息提取任務(wù)設(shè)計(jì)。選取遙感信息提取任務(wù)時(shí)，要緊扣畢業(yè)要求，根據(jù)課程教材內(nèi)容，結(jié)合生產(chǎn)任務(wù)需求，設(shè)計(jì)遙感信息提取任務(wù)。另外要根據(jù)工作區(qū)面積大小有針對(duì)性地選擇數(shù)據(jù)源，保證學(xué)生實(shí)踐課時(shí)量的同時(shí)還要考慮計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)處理的承受能力，避免數(shù)據(jù)計(jì)算量超出計(jì)算機(jī)硬件或軟件的承受力而造成課題訓(xùn)練效果差、學(xué)生等待時(shí)間長(zhǎng)，達(dá)不到教學(xué)任務(wù)目標(biāo)的結(jié)果。遙感信息提取任務(wù)設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括確定信息目標(biāo)和所在區(qū)域、布置遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理和信息提取內(nèi)容、確定實(shí)習(xí)軟件和輔助工具等。

2）學(xué)習(xí)實(shí)踐任務(wù)分工。根據(jù)學(xué)生人數(shù)和工作量大小以及學(xué)習(xí)實(shí)踐任務(wù)的選擇情況，將學(xué)生按一定數(shù)量分成若干小組，為每個(gè)小組和小組的每個(gè)學(xué)生合理分配工作量。在分工過(guò)程中，要保持分工的合理性，并根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)作出調(diào)整，保證每個(gè)學(xué)生都能得到鍛煉。課前準(zhǔn)備階段內(nèi)容見圖1。

4.2 遙感信息識(shí)別與提取階段

遙感信息識(shí)別與提取任務(wù)布置完成后，由教師指導(dǎo)學(xué)生申請(qǐng)遙感影像數(shù)據(jù)和工作區(qū)輔助數(shù)據(jù)及背景信息，并結(jié)合企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)要求提出數(shù)據(jù)處理的規(guī)劃和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，然后由學(xué)生以小組為單位自主上機(jī)進(jìn)行遙感信息的識(shí)別和提取。對(duì)于在實(shí)習(xí)過(guò)程中遇到的問(wèn)題，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生查閱相關(guān)資料獨(dú)立解決，培養(yǎng)其自主學(xué)習(xí)能力。在遙感信息識(shí)別和提取階段，教師按照遙感數(shù)據(jù)獲取、輔助數(shù)據(jù)和信息收集、遙感影像預(yù)處理、信息識(shí)別和目標(biāo)提取、檢查與評(píng)價(jià)、成果輸出的流程，逐步引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐操作。

圖1 課前準(zhǔn)備階段內(nèi)容

1）數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段。根據(jù)目標(biāo)地物提取的要求，確定遙感數(shù)據(jù)；根據(jù)確定的遙感數(shù)據(jù)，申請(qǐng)下載或者購(gòu)買遙感數(shù)據(jù)，并通過(guò)遙感數(shù)據(jù)的頭文件或元數(shù)據(jù)制定預(yù)處理和信息識(shí)別方法。在這個(gè)過(guò)程中讓學(xué)生通過(guò)申請(qǐng)下載數(shù)據(jù)有獲得感，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生對(duì)遙感目標(biāo)地物信息提取的興趣。由教師引領(lǐng)學(xué)生收集工作區(qū)域的道路、地形、區(qū)劃、人口分布、統(tǒng)計(jì)年鑒、社會(huì)調(diào)查等相關(guān)的輔助數(shù)據(jù)和信息，進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)影像的理解和認(rèn)知，便于后期對(duì)目標(biāo)地物的識(shí)別和提取。

2）遙感處理階段。學(xué)生根據(jù)影像質(zhì)量，通過(guò)輻射校正、幾何校正、圖像增強(qiáng)完成數(shù)據(jù)預(yù)處理，為遙感信息識(shí)別提供空間坐標(biāo)準(zhǔn)確、圖像顯示清晰、目標(biāo)地物明顯的遙感影像。根據(jù)分工完成信息識(shí)別和目標(biāo)提取的任務(wù)，這個(gè)階段由學(xué)生獨(dú)立完成，學(xué)生之間可以相互討論和幫助，教師可以對(duì)大家遇到的共性問(wèn)題進(jìn)行指導(dǎo)。

3）檢查階段。學(xué)生完成各自的信息識(shí)別與提取任務(wù)后，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行精度評(píng)價(jià)和質(zhì)量檢查。一般通過(guò)PDF 打印機(jī)或者軟件自帶輸出工具形成專題圖，主要內(nèi)容見圖2。

圖2 信息識(shí)別與提取主要內(nèi)容

4.3 成果評(píng)價(jià)階段

在遙感信息識(shí)別提取完成之后，由學(xué)生將工作流程、實(shí)踐成果以及學(xué)習(xí)實(shí)踐體會(huì)與心得通過(guò)PPT進(jìn)行匯報(bào)，由教師主持，全班同學(xué)參加，合作企業(yè)工程師參與聽取匯報(bào)并進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。在分析評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)，采取開放式討論，鼓勵(lì)學(xué)生踴躍發(fā)言，特別是成果中的優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)和不足以能夠提高和改進(jìn)的方法進(jìn)行討論，并在小組之間做出客觀公正的評(píng)價(jià)；參與工程師結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行點(diǎn)評(píng)；最后由教師進(jìn)行綜合分析和點(diǎn)評(píng)。課程結(jié)束后進(jìn)行項(xiàng)目成績(jī)?cè)u(píng)定時(shí)，把學(xué)生工作結(jié)果、工作分工、討論發(fā)言的積極性都作為學(xué)生考核的主要依據(jù)。為了最大限度地實(shí)現(xiàn)公平性，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)信心，應(yīng)當(dāng)建立一套完整、合理的實(shí)習(xí)成績(jī)?cè)u(píng)分規(guī)則。具體操作內(nèi)容見圖3。

圖3 成果評(píng)價(jià)具體操作內(nèi)容

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)合作企業(yè)技術(shù)工程師的參與，將課程理論和實(shí)踐操作融入到實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目中，形成項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)下的理論實(shí)踐一體化的教育培養(yǎng)模式，將學(xué)生的理論學(xué)習(xí)、實(shí)踐技能培養(yǎng)、生產(chǎn)項(xiàng)目實(shí)習(xí)融為一體，打通學(xué)生—教師—技術(shù)工程師之間的理論技術(shù)壁壘，發(fā)揮各自特長(zhǎng)，達(dá)到教師、學(xué)生和企業(yè)3 方共贏的局面，有效縮短畢業(yè)生的入職時(shí)間，大大降低企業(yè)的用人成本，進(jìn)一步提高了學(xué)校的專業(yè)知名度。