涉海類(lèi)地方高校遙感實(shí)踐課程教學(xué)改革研究

田義超，張強(qiáng)，陶進(jìn)，張亞麗，楊永偉，林俊良

（1. 北部灣大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，廣西 欽州；2. 北部灣大學(xué) 海洋地理信息資源開(kāi)發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 欽州）

一 引言

作為我國(guó)唯一與東盟國(guó)家陸海相鄰的地區(qū)，廣西北部灣沿海地區(qū)是西部陸海新通道的陸海交匯要沖，也是有機(jī)銜接“一帶一路”倡議的重要門(mén)戶。隨著中國(guó)- 東盟自由貿(mào)易區(qū)建設(shè)進(jìn)程的快速發(fā)展，廣西在落實(shí)中央“三大定位”[1]的同時(shí)，將加大海洋資源的采集、開(kāi)發(fā)、建設(shè)及其海洋生態(tài)環(huán)境應(yīng)用研究的力度。而遙感技術(shù)具有短周期、大范圍、可重復(fù)觀測(cè)等特性，已經(jīng)在海洋資源以及海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中發(fā)揮著非常重要的作用[2-4]。

北部灣大學(xué)地理信息科學(xué)專(zhuān)業(yè)的前身是地理科學(xué)（地理信息系統(tǒng)方向），2004 年開(kāi)始招生地理信息系統(tǒng)專(zhuān)科學(xué)生，2006 年設(shè)置地理信息系統(tǒng)本科方向，于2014 年正式設(shè)立地理信息科學(xué)本科專(zhuān)業(yè)并開(kāi)始招生，2016 年被確定為自治區(qū)級(jí)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革示范專(zhuān)業(yè)，2018 年確定為廣西本科高校特色專(zhuān)業(yè)及實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)基地（中心）建設(shè)專(zhuān)業(yè)，2020 年獲批廣西自治區(qū)級(jí)一流本科建設(shè)專(zhuān)業(yè)。該專(zhuān)業(yè)圍繞“地方性、海洋性、應(yīng)用型、國(guó)際化”辦學(xué)特色，以北部灣海陸過(guò)渡帶及“一帶一路”各類(lèi)地理信息的空間化集成為目標(biāo)，堅(jiān)持“產(chǎn)教融合、校企合作”辦學(xué)原則，培養(yǎng)具備良好的職業(yè)素養(yǎng)和堅(jiān)實(shí)的專(zhuān)業(yè)理論知識(shí)，具有地理信息系統(tǒng)與地圖學(xué)、遙感、測(cè)繪等方面的基本理論、技術(shù)研究與應(yīng)用開(kāi)發(fā)能力，服務(wù)地方社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的高層次應(yīng)用型人才。遙感技術(shù)課程作為地理信息科學(xué)專(zhuān)業(yè)一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)必修課，是地理信息科學(xué)專(zhuān)業(yè)的核心課程，目前該課程的相關(guān)技術(shù)已經(jīng)在陸地、海洋、海陸過(guò)渡帶以及海洋等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[5]。

二 我校遙感課程開(kāi)設(shè)存在的問(wèn)題

（一） 野外調(diào)查實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)缺失

遙感課程是一門(mén)實(shí)踐性非常強(qiáng)的課程，我校地理信息科學(xué)專(zhuān)業(yè)自設(shè)立以來(lái)，均將遙感課程作為地理信息科學(xué)專(zhuān)業(yè)的核心課程。然而該課程在開(kāi)設(shè)過(guò)程中，任課教師主要以遙感的基本原理和基本概念講述為主，缺乏野外實(shí)踐環(huán)節(jié)，例如以遙感概論課程中涉及到遙感圖像解譯與圖像分類(lèi)知識(shí)點(diǎn)，該知識(shí)點(diǎn)中的監(jiān)督分類(lèi)樣本需要學(xué)生根據(jù)野外實(shí)測(cè)樣本數(shù)據(jù)建立目標(biāo)地物的分類(lèi)特征。然而，我院任課老師在上課的過(guò)程中大多以學(xué)生家鄉(xiāng)的TM 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，根據(jù)遙感圖像中的特征選擇分類(lèi)樣本，但是通過(guò)這種方法分類(lèi)的土地利用圖有可能存在著誤判的現(xiàn)象。為此需要根據(jù)課程的教學(xué)目標(biāo)，帶學(xué)生去野外調(diào)查和實(shí)習(xí)考察才能獲取真實(shí)地物的分類(lèi)樣本。野外實(shí)習(xí)和樣地調(diào)查對(duì)于學(xué)生認(rèn)識(shí)和熟悉典型地物之間的分類(lèi)特征、判讀和理解遙感圖像解譯過(guò)程以及提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力都非常重要，但是目前這方面的工作遙感概論課程目前尚未開(kāi)展。

（二） 遙感涉海類(lèi)教學(xué)內(nèi)容不明顯

由于我校屬于地方性海洋類(lèi)院校，我院遙感課程的開(kāi)設(shè)應(yīng)該從“海- 陸- 空”三個(gè)層面入手，利用高空衛(wèi)星、低空無(wú)人機(jī)遙感以及相關(guān)高新遙感技術(shù)對(duì)北部灣海岸帶國(guó)土資源進(jìn)行調(diào)查、開(kāi)發(fā)和利用，探明海陸交錯(cuò)地帶中的資源環(huán)境演變規(guī)律，為政府部門(mén)決策及服務(wù)提供科技支撐。但是，目前該課程涉及的相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要以土地利用解譯、土地利用分類(lèi)以及遙感圖像矯正等基礎(chǔ)知識(shí)講述和操作為主，大部分的實(shí)驗(yàn)素材都是TM 數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)類(lèi)課程報(bào)告也主要以圖像分類(lèi)結(jié)果制圖為主，缺乏海岸帶以及海洋遙感參數(shù)反演方面的遙感應(yīng)用。

（三） 遙感課程公式抽象難以理解

遙感原理中涉及大量的數(shù)學(xué)公式和大學(xué)物理基礎(chǔ)，學(xué)生在理解遙感原理和遙感中的輻射傳輸模型時(shí)，對(duì)于很多物理模型無(wú)法理解。加之遙感原理中涉及很多遙感圖像處理和計(jì)算機(jī)方面的專(zhuān)業(yè)公式和算法，如果在學(xué)習(xí)的過(guò)程中沒(méi)有讓學(xué)生開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生對(duì)于遙感專(zhuān)業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)很難得到提升。

（四） 遙感課程中科學(xué)研究思維較弱

我院遙感課程在教學(xué)過(guò)程中，缺少對(duì)學(xué)生科學(xué)研究素養(yǎng)的培養(yǎng)。按照國(guó)家教育部對(duì)遙感方向的人才培養(yǎng)目標(biāo)，明確指出要培養(yǎng)三類(lèi)人才，分別是拔尖創(chuàng)新型人才、復(fù)合應(yīng)用型人才和國(guó)際化人才[6]。其中拔尖創(chuàng)新型人才著重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，而創(chuàng)新能力的培養(yǎng)筆者認(rèn)為可以通過(guò)參加老師的遙感類(lèi)科研項(xiàng)目得到提升，這類(lèi)科研項(xiàng)目可以是橫向也可以是指導(dǎo)老師的縱向項(xiàng)目，例如國(guó)家自然科學(xué)基金以及省部級(jí)基金等科學(xué)研究項(xiàng)目。

三 遙感課程改革的理念

筆者認(rèn)為，在我校開(kāi)展遙感概論以及遙感圖像處理課程首先必須緊扣我校的辦學(xué)目標(biāo)和辦學(xué)定位，以海岸帶的生態(tài)環(huán)境變化以及生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程為研究?jī)?nèi)容，教學(xué)過(guò)程中融入海岸帶生態(tài)環(huán)境及其變化的相關(guān)教學(xué)內(nèi)容，同時(shí)結(jié)合北部灣大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院的激光雷達(dá)、多光譜無(wú)人機(jī)、五鏡頭無(wú)人機(jī)等教學(xué)設(shè)備獲取的多源遙感數(shù)據(jù)，在野外調(diào)研和實(shí)訓(xùn)實(shí)踐的基礎(chǔ)上開(kāi)展案例教學(xué)。案例教學(xué)過(guò)程中以遙感概論的基本理論知識(shí)為基礎(chǔ)，以海岸帶實(shí)際典型案例項(xiàng)目為支撐，融入基礎(chǔ)科學(xué)研究思維，將理論和野外實(shí)踐相結(jié)合，注重學(xué)生動(dòng)手能力和實(shí)踐操作能力的培養(yǎng)[7]。通過(guò)案例教學(xué)，既提高了學(xué)生的科學(xué)研究思維素養(yǎng)，也提高了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。

四 遙感課程案例教學(xué)實(shí)證研究

遙感領(lǐng)域中的前沿知識(shí)融入到本科生的教學(xué)過(guò)程中，有助于本科生全面系統(tǒng)的了解遙感的最新處理技術(shù)和處理方法，也有助于使本科生來(lái)了解遙感領(lǐng)域的最新傳感器和數(shù)據(jù)處理的方法和模型，通過(guò)讓學(xué)生積極參與科研項(xiàng)目和執(zhí)行科研項(xiàng)目，不斷提升學(xué)生遙感數(shù)據(jù)采集、處理和分析等方面的能力，不斷錘煉學(xué)生的創(chuàng)新能力。

我校北部灣大學(xué)處于西部陸海新通道的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，北部灣大學(xué)是廣西唯一擁有涉海類(lèi)專(zhuān)業(yè)的本科高校，學(xué)校依海而建。海邊有大量的濕地資源，包括紅樹(shù)林、海草床、茳芏以及互花米草等濕地資源。前期項(xiàng)目主持人田義超在紅樹(shù)林領(lǐng)域獲得了2 項(xiàng)省級(jí)基金項(xiàng)目，其中廣西科技計(jì)劃項(xiàng)目“近海岸雙頻激光LiDAR 探測(cè)儀產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與應(yīng)用示范”項(xiàng)目中我們承擔(dān)了激光雷達(dá)數(shù)據(jù)應(yīng)用與示范子課題，子課題的名稱(chēng)為“基于雙頻LiDAR 技術(shù)的紅樹(shù)林群落對(duì)地貌過(guò)程的響應(yīng)研究”，而項(xiàng)目主持人田義超承擔(dān)的另外一個(gè)項(xiàng)目是“廣西欽州灣紅樹(shù)林島群生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)及應(yīng)用示范”，這兩個(gè)項(xiàng)目都與紅樹(shù)林生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程有關(guān)。項(xiàng)目的執(zhí)行過(guò)程中涉及紅樹(shù)林的種類(lèi)分類(lèi)，而傳統(tǒng)的遙感圖像分類(lèi)的方法主要有監(jiān)督分類(lèi)和非監(jiān)督分類(lèi)方法，分類(lèi)的原理主要依據(jù)圖像像元之間的相似性進(jìn)行判斷。而項(xiàng)目主持人承擔(dān)這兩個(gè)項(xiàng)目中都用到了激光雷達(dá)遙感技術(shù)，這種技術(shù)可以獲得地物的三維XYZ 點(diǎn)云信息，將激光點(diǎn)云信息融合到無(wú)人機(jī)低空遙感圖像中可以顯著提高分類(lèi)的精度。為此，筆者將一個(gè)真實(shí)的科研項(xiàng)目成果應(yīng)用到本科生的遙感圖像分類(lèi)實(shí)踐教學(xué)中。圖1 為案例教學(xué)的技術(shù)流程，該技術(shù)流程主要包括紅樹(shù)林無(wú)人機(jī)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)航拍、野外數(shù)據(jù)的調(diào)查、解譯標(biāo)志的建立、激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)和無(wú)人機(jī)光譜數(shù)據(jù)的融合、機(jī)器學(xué)習(xí)算法的選擇，最后生成了區(qū)域的紅樹(shù)林分類(lèi)結(jié)果。

圖1 基于無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)的紅樹(shù)林分類(lèi)技術(shù)流程

（一） 無(wú)人機(jī)激光遙感和光譜數(shù)據(jù)航拍

用DJI M600 PRO 無(wú)人機(jī)所搭載的普通數(shù)碼相機(jī)和以及HS40P 激光傳感器（a）對(duì)位于廣西茅尾?？滴鯉X片區(qū)紅樹(shù)林試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行低空控制飛行試驗(yàn)與數(shù)據(jù)采集(c，e)，其硬件系統(tǒng)集成了激光雷達(dá)掃描儀、GNSS(b) 以及IMU 定位存儲(chǔ)器，還配備了一個(gè)數(shù)碼相機(jī)光學(xué)鏡頭。由于紅樹(shù)林在不同季節(jié)受到潮水淹沒(méi)的程度不一樣，為了實(shí)現(xiàn)紅樹(shù)林的低潮監(jiān)測(cè)，于2018 年的12 月11 日下午3 點(diǎn)在當(dāng)?shù)爻蔽蛔畹蜁r(shí)進(jìn)行拍攝，拍攝時(shí)首先對(duì)樣區(qū)進(jìn)行航線規(guī)劃及其航拍參數(shù)的設(shè)置，其中拍攝的高度約70～100 m，垂直拍攝，設(shè)置航向及旁向重疊度為80%，選擇天氣晴朗、地面無(wú)持續(xù)風(fēng)向且風(fēng)力＜2 級(jí)的時(shí)段，確保所獲得的影像不受到大氣因素的影響。

（二） 紅樹(shù)林野外調(diào)查與解譯標(biāo)志的建立

選取廣西茅尾?？滴鯉X片區(qū)的紅樹(shù)林進(jìn)行樣地調(diào)查，調(diào)查之前首先對(duì)研究區(qū)的紅樹(shù)林進(jìn)行野外實(shí)地勘察，主要涉及紅樹(shù)林的樹(shù)種、栽種模式以及當(dāng)?shù)爻蔽恍畔?，再通過(guò)樣方調(diào)查方法對(duì)紅樹(shù)林進(jìn)行調(diào)查。由調(diào)查結(jié)果可知，研究區(qū)中有兩種紅樹(shù)林樹(shù)種，分別是無(wú)瓣海桑和桐花樹(shù)，其中研究區(qū)北部地區(qū)的無(wú)瓣海桑是通過(guò)人工種植，而南部的桐花樹(shù)群落則是當(dāng)?shù)氐臉?shù)種。采用RTK 儀器得到樣區(qū)內(nèi)每棵樹(shù)的X 坐標(biāo)和Y 坐標(biāo)位置，隨后采用ArcGIS10.5 將其放入到數(shù)據(jù)庫(kù)中。圖3 為本團(tuán)隊(duì)學(xué)生參加科研項(xiàng)目時(shí)設(shè)計(jì)的樣地調(diào)查記錄表，野外調(diào)查雖然簡(jiǎn)單，但是對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)意義非常重大，學(xué)生通過(guò)參與野外實(shí)地調(diào)查，使學(xué)生學(xué)會(huì)了基本的紅樹(shù)林樹(shù)種的識(shí)別以及紅樹(shù)林植被覆蓋度的估算方法，更重要的是學(xué)生掌握了不同樹(shù)種在無(wú)人機(jī)遙感圖像上的具體特征。

圖3 紅樹(shù)林遙感地面調(diào)查表記錄

圖2 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)組成

圖4 紅樹(shù)林地物野外調(diào)查

（三） 紅樹(shù)林激光點(diǎn)云的處理和生成

利用Novatel Intertial Ecplorer 軟件結(jié)合IMU 數(shù)據(jù)以及GNSS 對(duì)原始的紅樹(shù)林回波信息進(jìn)行解算，可以得到研究區(qū)的三維激光點(diǎn)云信息，激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以很容易地反映紅樹(shù)林、地表以及灘涂的分層結(jié)構(gòu)，圖5 為典型地區(qū)紅樹(shù)林激光點(diǎn)云的數(shù)據(jù)三維結(jié)構(gòu)。

圖5 典型地區(qū)紅樹(shù)林激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)

（四） 紅樹(shù)林激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)和RGB 數(shù)據(jù)融合

原始的無(wú)人機(jī)低空遙感數(shù)據(jù)具有典型的RGB波段信息，采用原始的監(jiān)督分類(lèi)方法無(wú)法對(duì)高分辨率的無(wú)人機(jī)圖像進(jìn)行分類(lèi)，為此，學(xué)生在室內(nèi)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以將激光點(diǎn)云生成的強(qiáng)度信息或者高度信息作為單獨(dú)的波段融合到RBG 數(shù)據(jù)中，因此將Pix4d 得到的RGB 光譜信息、非監(jiān)督分類(lèi)ISO 數(shù)據(jù)以及激光點(diǎn)云的強(qiáng)度/高度信息進(jìn)行組合，基于分類(lèi)與回歸樹(shù)CART 方法[9]、EML 機(jī)器學(xué)習(xí)[10]、SVM 支持向量機(jī)[11]、RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[12]等機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)融合后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)。本文選擇了CART 方法對(duì)紅樹(shù)林樹(shù)種進(jìn)行了分類(lèi)，分類(lèi)精度為85.42%，可用于研究區(qū)不同紅樹(shù)林樹(shù)種的生物量反演，圖6 為CART方法得到的無(wú)瓣海桑和桐花樹(shù)空間分布狀況。

圖6 原始RGB 無(wú)人機(jī)影像和分類(lèi)結(jié)果

五 結(jié)語(yǔ)

本文總結(jié)了北部灣大學(xué)遙感概論課程教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題，在我校辦學(xué)目標(biāo)和辦學(xué)定位的基礎(chǔ)上，提出了涉海類(lèi)地方高校遙感實(shí)踐課程教學(xué)改革研究的方向，將遙感技術(shù)中的激光點(diǎn)云前沿技術(shù)應(yīng)用到本科遙感課程的教學(xué)內(nèi)容中。針對(duì)課程設(shè)計(jì)方案，提出了案例教學(xué)的思想，在案例教學(xué)過(guò)程中以遙感概論的基本理論知識(shí)為基礎(chǔ)，以海岸帶實(shí)際典型案例項(xiàng)目為支撐，融入基礎(chǔ)科學(xué)研究思維，將理論和野外實(shí)踐相結(jié)合，注重學(xué)生動(dòng)手能力和實(shí)踐操作能力的提升。通過(guò)海岸帶紅樹(shù)林分類(lèi)典型案例教學(xué)實(shí)踐，既提高了學(xué)生的科學(xué)研究思維素養(yǎng)，更重要的是學(xué)生掌握了激光點(diǎn)云前沿技術(shù)，能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識(shí)應(yīng)用到海岸帶紅樹(shù)林濕地的分類(lèi)中，提高了學(xué)生解決問(wèn)題的能力。