數(shù)字圖像處理方向研究生多學(xué)科協(xié)同培養(yǎng)模式與機(jī)制研究

王鵬　王弘穎

摘? 要：在研究生多學(xué)科協(xié)同培養(yǎng)模式與機(jī)制背景下，該文以信息學(xué)科數(shù)字圖像處理方向研究生培養(yǎng)為例，將信息學(xué)科與測(cè)繪學(xué)科有效協(xié)同，在原有的信息學(xué)科數(shù)字圖像方向培養(yǎng)方案上，增設(shè)遙感數(shù)據(jù)獲取、遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理、遙感數(shù)據(jù)超分辨率制圖三個(gè)主題的測(cè)繪學(xué)科培養(yǎng)方案，不但實(shí)現(xiàn)學(xué)科之間的交叉融合，用實(shí)際應(yīng)用案例激發(fā)研究生的學(xué)習(xí)興趣，而且能培養(yǎng)數(shù)字圖像方向研究生成為解決復(fù)雜學(xué)科交叉問題，促進(jìn)新興特色學(xué)科發(fā)展，最終推動(dòng)社會(huì)科技進(jìn)步的高層次復(fù)合型人才。

關(guān)鍵詞：研究生培養(yǎng)模式與機(jī)制；多學(xué)科協(xié)同；數(shù)字圖像處理；遙感數(shù)據(jù)；培養(yǎng)方案

中圖分類號(hào)：C961? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-000X（2023）14-0155-04

Abstract： Under the background of multi-disciplinary collaborative training mode and mechanism for graduate students， taking the graduate students training in the direction of digital image processing of information discipline as an example， this paper effectively cooperates the information discipline with the discipline of surveying and mapping， and adds the training scheme of surveying and mapping discipline with three themes of remote sensing data acquisition， remote sensing data preprocessing and remote sensing data super-resolution mapping to the original training scheme of digital image direction of information discipline， which not only realizes the cross integration between disciplines， using practical application cases to stimulate graduate students' interest in learning， but also trains graduate students in digital image direction to solve complex interdisciplinary problems， promoting the development of new characteristic disciplines， and finally promoting the progress of social science and technology.

Keywords： graduate students training mode and mechanism; multidisciplinary collaboration; digital image processing; remote sensing data; training program

隨著我國(guó)建設(shè)的快速發(fā)展，目前無論從事創(chuàng)新性研究的頂尖人才，還是從事高新技術(shù)工作的應(yīng)用型人員都十分緊缺。這種情況使得對(duì)人才培養(yǎng)提出了更高的要求，而研究生多學(xué)科協(xié)同培養(yǎng)模式與機(jī)制則具備這一優(yōu)勢(shì)。研究生多學(xué)科協(xié)同培養(yǎng)模式與機(jī)制突破了傳統(tǒng)的學(xué)科分割，使不同學(xué)科間相互交叉、融合、滲透。研究生多學(xué)科協(xié)同培養(yǎng)模式與機(jī)制能夠融合不同學(xué)科知識(shí)作為主要研究?jī)?nèi)容和方向，并以此開展前沿科學(xué)研究，使研究生成為能解決復(fù)雜學(xué)科交叉問題，促進(jìn)新興特色學(xué)科發(fā)展，最終推動(dòng)社會(huì)科技進(jìn)步的高層次復(fù)合型人才。

數(shù)字圖像處理方向是信息學(xué)科研究生的主要研究方向之一。要求研究生不但掌握有關(guān)數(shù)字圖像處理的基本概念和基礎(chǔ)理論，同時(shí)也要能夠利用計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像信息的各種處理， 例如圖像增強(qiáng)、變換、重建、分割、分類和制圖等。數(shù)字圖像處理的相關(guān)技術(shù)已經(jīng)在智慧城市、智慧農(nóng)業(yè)，以及防災(zāi)減災(zāi)等各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。因此掌握數(shù)字圖像處理原理并能夠靈活運(yùn)用相關(guān)知識(shí)解決實(shí)際問題，對(duì)于今后研究生更好地在工作崗位從事相關(guān)領(lǐng)域工作有極大的幫助。

在研究生多學(xué)科協(xié)同培養(yǎng)模式與機(jī)制背景下，要積極開展學(xué)科交叉融合，不應(yīng)僅僅培養(yǎng)研究生掌握信息學(xué)科中數(shù)字圖像處理方向的基本知識(shí)，同時(shí)也應(yīng)該嘗試傳授研究生數(shù)字圖像處理在其他學(xué)科具體的應(yīng)用案列。本文我們將信息學(xué)科與測(cè)繪學(xué)科有效協(xié)同，培養(yǎng)數(shù)字圖像處理方向研究生解決復(fù)雜學(xué)科交叉問題，促進(jìn)新興特色學(xué)科發(fā)展。在原有的信息學(xué)科數(shù)字圖像處理方向培養(yǎng)方案上，增設(shè)遙感數(shù)據(jù)獲取、遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理、遙感數(shù)據(jù)超分辨率制圖三個(gè)主題的測(cè)繪學(xué)科培養(yǎng)方案，不僅實(shí)現(xiàn)了學(xué)科之間的交叉融合，用實(shí)際應(yīng)用案例激發(fā)研究生的學(xué)習(xí)興趣，而且進(jìn)一步提升了研究生自主學(xué)習(xí)的能力和解決實(shí)際問題的能力。

一? 研究現(xiàn)狀

數(shù)字圖像處理作為面向信息學(xué)科的主要研究方向之一，不僅要求研究生在課堂上學(xué)習(xí)有關(guān)的概念和原理，同時(shí)也需要在實(shí)驗(yàn)室利用計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)有關(guān)的各種處理， 例如圖像增強(qiáng)、重建、壓縮和制圖等[1-3]。數(shù)字圖像處理技術(shù)已經(jīng)在農(nóng)業(yè)、林業(yè)及軍事等各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[4-6]。數(shù)字圖像處理的培養(yǎng)目標(biāo)是研究生能夠靈活運(yùn)用相關(guān)知識(shí)解決實(shí)際工程問題，對(duì)于一些研究生畢業(yè)后從事相關(guān)領(lǐng)域的工作給予極大幫助[7-10]。目前有許多課題對(duì)培養(yǎng)數(shù)字圖像處理方向研究生進(jìn)行探索與研究，例如曹風(fēng)云等[11]對(duì)基于MATLAB仿真的數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了全面的綜述，便于該方向的研究生更好地掌握運(yùn)用基于MATLAB仿真的數(shù)字圖像處理知識(shí); 程永春等[12]以瀝青混合料級(jí)配檢測(cè)為例對(duì)數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行講解；趙杰等[13]以圖像去霧為例對(duì)數(shù)字圖像實(shí)驗(yàn)中的圖像增強(qiáng)進(jìn)行創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；王俊輝等[14]設(shè)計(jì)基于LabVIEW的軟件輔助數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐；周越等[15]設(shè)計(jì)了觸屏交互的圖像處理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)輔助數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

通過以上對(duì)數(shù)字圖像處理方向研究生培養(yǎng)現(xiàn)狀的分析，可以發(fā)現(xiàn)目前對(duì)數(shù)字圖像處理方向研究生的培養(yǎng)仍停留于對(duì)信息學(xué)科的數(shù)字圖像處理知識(shí)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，往往集中在對(duì)教學(xué)方法和教學(xué)軟件方面的研究和創(chuàng)新，信息學(xué)科與其他學(xué)科協(xié)同培養(yǎng)數(shù)字圖像處理方向研究生的研究鮮有報(bào)道。鑒于此，本項(xiàng)目將信息學(xué)科與測(cè)繪學(xué)科有效協(xié)同，培養(yǎng)數(shù)字圖像處理方向研究生能夠解決復(fù)雜學(xué)科交叉問題，促進(jìn)新興特色學(xué)科發(fā)展，最終推動(dòng)社會(huì)科技進(jìn)步。

二? 研究總體框架

以研究生多學(xué)科協(xié)同培養(yǎng)模式與機(jī)制為契機(jī)，在數(shù)字圖像處理方向研究生培養(yǎng)的建設(shè)過程中積極開展學(xué)科交叉融合?？傮w框架如圖1所示，本項(xiàng)目以數(shù)字圖像處理延展到測(cè)繪學(xué)科為實(shí)例，在原有的培養(yǎng)方案基礎(chǔ)上增加遙感數(shù)據(jù)獲取-遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理-遙感數(shù)據(jù)超分辨率制圖三個(gè)主題的數(shù)字圖像處理在測(cè)繪學(xué)科的應(yīng)用案例。

首先在遙感數(shù)據(jù)獲取階段增加戶外教學(xué)，指導(dǎo)研究生運(yùn)用手持光譜儀和操作無人機(jī)設(shè)備獲取遙感數(shù)據(jù)，這是測(cè)繪學(xué)科特有的培養(yǎng)方案，鍛煉研究生動(dòng)手能力，不同于信息學(xué)科的數(shù)字圖像處理方向研究生往往僅用網(wǎng)上的公共數(shù)據(jù)資源進(jìn)行研究，調(diào)動(dòng)研究生實(shí)驗(yàn)興趣；其次，在遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理階段，除了指導(dǎo)研究生運(yùn)用數(shù)字圖像處理相關(guān)知識(shí)對(duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行整飾、糾正、變換、特征提取和波段融合等預(yù)處理外，特別向研究生介紹測(cè)繪學(xué)科常用的軟件處理工具ENVI（The Environment for Visualizing Images）處理平臺(tái)，拓展研究生視野。最后針對(duì)遙感數(shù)據(jù)超分辨率制圖，準(zhǔn)備一些測(cè)繪學(xué)科國(guó)際或國(guó)內(nèi)前沿問題，讓研究生運(yùn)用信息學(xué)科的數(shù)字圖像處理知識(shí)去進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，進(jìn)一步提高研究生的綜合應(yīng)用能力。

三? 研究?jī)?nèi)容

（一）? 培養(yǎng)研究生遙感數(shù)據(jù)獲取能力

在本環(huán)節(jié)，首先向研究生介紹各種平臺(tái)采集遙感數(shù)據(jù)的基本原理，然后采用全新的戶外培養(yǎng)模式，將研究生從室內(nèi)實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)到戶外實(shí)驗(yàn)，指導(dǎo)研究生運(yùn)用手持式光譜儀進(jìn)行近地遙感數(shù)據(jù)獲取。此外，指導(dǎo)研究生操作無人機(jī)設(shè)備進(jìn)行航天遙感數(shù)據(jù)獲取；進(jìn)一步指導(dǎo)研究生運(yùn)用航天遙感數(shù)據(jù)獲取平臺(tái)，下載得到航空遙感數(shù)據(jù)。

經(jīng)過增設(shè)本測(cè)繪學(xué)科培養(yǎng)內(nèi)容，研究生能夠準(zhǔn)確操作遙感數(shù)據(jù)采集設(shè)備，熟悉成像環(huán)境和成像原理，提高了研究生的實(shí)踐操作水平。

（二）? 培養(yǎng)研究生遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理能力

由于地物類別的復(fù)雜性和硬件設(shè)備自身的局限性，平臺(tái)直接獲取的初始遙感數(shù)據(jù)通常不能直接滿足接下來的實(shí)際應(yīng)用，此時(shí)我們需要對(duì)直接獲取的初始遙感數(shù)進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理一般包括糾正、修正、變換、鑲嵌、光譜解混、特征提取和波段融合等環(huán)節(jié)。

我們?cè)谶b感數(shù)據(jù)預(yù)處理過程中也指導(dǎo)研究生運(yùn)用測(cè)繪學(xué)科常用的軟件工具ENVI進(jìn)行操作。例如指導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用ENVI工具進(jìn)行遙感數(shù)據(jù)不同波段融合，進(jìn)行特征提取。以Landsat系列衛(wèi)星為例，說明不同波段融合可以顯示哪些類別。該數(shù)據(jù)是Landsat8在羅馬上空獲得的多光譜圖像，包括6個(gè)波段，分別是短波紅外1、短波紅外2、藍(lán)波段、綠波段、紅波段和近紅外波段，大小為400×300個(gè)像素。近紅外波段，紅波段和綠波段的融合結(jié)果可以區(qū)分植被的種類，也可以用于監(jiān)測(cè)植被生長(zhǎng)情況，紅色表示植被，紅色越明亮表示植被越健康。近紅外波段，短波紅外1和紅波段融合結(jié)果可以有效區(qū)分陸地和水體，陸地是深淺的橙色和綠色，水是深淺藍(lán)色。增加該培養(yǎng)內(nèi)容，使研究生可以掌握軟件工具ENVI的使用，拓展了研究生在測(cè)繪學(xué)科的知識(shí)面。

（三）? 培養(yǎng)研究生遙感數(shù)據(jù)超分辨率制圖能力

為了進(jìn)一步培養(yǎng)研究生運(yùn)用數(shù)字圖像處理知識(shí)來解決測(cè)繪學(xué)科研究熱點(diǎn)，提高研究生的綜合應(yīng)用能力，在這個(gè)培養(yǎng)環(huán)節(jié)，指導(dǎo)研究生進(jìn)行遙感數(shù)據(jù)超分辨率制圖。

由于簡(jiǎn)單的物理意義和快速的運(yùn)算結(jié)果，基于雙線性插值的遙感數(shù)據(jù)超分辨率制圖已經(jīng)成為一種最為常見的遙感數(shù)據(jù)超分辨率制圖方法。首先，利用光譜解混技術(shù)處理原始低分辨率遙感數(shù)據(jù)獲得具有像元屬于每個(gè)類別比例值的低分辨率豐度圖像；其次，利用雙線性插值方法對(duì)低分辨率豐度圖像進(jìn)行上采樣變成具有亞像元屬于每個(gè)類別比例值的高分辨率豐度圖像；最后，根據(jù)高分辨率豐度圖像提供的比例數(shù)值，利用類別分配方法將類別標(biāo)簽分配到亞像元中，最終得到超分辨率制圖結(jié)果。

通過對(duì)現(xiàn)有的基于雙線性插值的超分辨率制圖的處理流程進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的方法中精細(xì)空間分辨率圖像都是通過將原始低分辨率遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行先解混后雙線性插值處理獲得的，雖然由于雙線性插值的原因，使得精細(xì)空間分辨率圖像攜帶大量的原始圖像空間信息，但是由于原始低分辨率圖像中各個(gè)類別分布的不確定性和現(xiàn)有光譜解混技術(shù)的局限性，使得原始遙感數(shù)據(jù)中的監(jiān)督信息，特別是光譜信息不能被充分利用，進(jìn)而導(dǎo)致超分辨率制圖結(jié)果的精度受到影響。為了更加充分利用原始圖像中的空-光譜信息，從而改善超分辨率制圖結(jié)果，因此培養(yǎng)研究生利用數(shù)字圖像所學(xué)知識(shí)找出新的改進(jìn)方法，提出了一種新型的基于雙路徑下雙線性插值的超分辨率制圖算法，如圖2所示。

步驟1：原始低分辨率遙感數(shù)據(jù)通過光譜解混得到低分辨率豐度值圖像。與此同時(shí)該原始圖像將會(huì)通過雙線性插值獲得一個(gè)高分辨率圖像。

步驟2：空間項(xiàng)將會(huì)通過對(duì)低分辨率豐度值圖像進(jìn)行雙線性插值獲得，而光譜項(xiàng)將會(huì)通過直接解混高分辨率圖像獲得。

步驟3：空間項(xiàng)和光譜項(xiàng)進(jìn)行整合產(chǎn)生出一個(gè)具有更多空-譜信息的目標(biāo)項(xiàng)。

步驟4：在每個(gè)類別亞像元數(shù)目固定的限制下，依據(jù)目標(biāo)項(xiàng)中的亞像元豐度值的大小，利用類別分配法將類別標(biāo)簽分配到各個(gè)亞像元中，完成超分辨率制圖。

從流程圖2可以看出，空間項(xiàng)的主要貢獻(xiàn)是它通過雙線性插值使低分辨率豐度圖像變成具有豐富空間信息的高分辨率圖像；但是只通過以上單一的步驟原始遙感數(shù)據(jù)的光譜信息很難被充分地提取出來，這時(shí)光譜項(xiàng)作為補(bǔ)充光譜信息而發(fā)揮作用，它通過雙線性插值使得原始的低分辨率遙感數(shù)據(jù)變成高分辨率圖像，由于圖像分辨率提高的原因，使得光譜信息更容易被提取出來。最后兩個(gè)具有不同的信息和亞像元豐度值的目標(biāo)項(xiàng)通過合適的參數(shù)進(jìn)行整合得到具有更多空-光譜信息的亞像元豐度值，具有更多信息的亞像元豐度值將會(huì)導(dǎo)致一個(gè)更為理想的超分辨率制圖結(jié)果產(chǎn)生。

該培養(yǎng)方案的增設(shè)進(jìn)一步加深了研究生對(duì)數(shù)字圖像處理在測(cè)繪學(xué)科應(yīng)用的理解，并且提高了解決實(shí)際測(cè)繪學(xué)科問題的能力。

四? 結(jié)束語(yǔ)

在研究生多學(xué)科協(xié)同培養(yǎng)模式與機(jī)制背景下，利用信息學(xué)科與測(cè)繪學(xué)科協(xié)同培養(yǎng)數(shù)字圖像處理方向研究生的改革研究，能進(jìn)一步利用數(shù)字圖像處理所學(xué)內(nèi)容解決實(shí)際問題，給研究生提供了發(fā)揮自己創(chuàng)造能力的機(jī)會(huì)， 在很大程度上提高了研究生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和創(chuàng)新能力，對(duì)于提高研究生科研能力和工程實(shí)踐能力有顯著的效果。該研究成果可以為其他學(xué)科的研究生培養(yǎng)模式提供借鑒，以加快信息輻射和引領(lǐng)示范，為培養(yǎng)國(guó)家各行業(yè)各領(lǐng)域急需的高素質(zhì)交叉學(xué)科人才做出更大的貢獻(xiàn)。

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基金項(xiàng)目：江蘇省教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃專項(xiàng)課題項(xiàng)目“基于自檢與競(jìng)賽協(xié)同的數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)考試改革與評(píng)價(jià)研究”（K-c/2021/08）；南京航空航天大學(xué)2021年研究生教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“研究生多學(xué)科協(xié)同培養(yǎng)模式與機(jī)制——以信息學(xué)科數(shù)字圖像處理方向研究生培養(yǎng)為例”（2021YJXGG11）；南京航空航天大學(xué)2022年“實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究與開發(fā)”項(xiàng)目“基于深度學(xué)習(xí)的高光譜遙感圖像分類實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)”（SYJS202203Y）；南京航空航天大學(xué)2020年教師教學(xué)能力提升研究課題項(xiàng)目“基于人工智能的新型數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)線下教學(xué)模式研究”（20JF0402）；南京郵電大學(xué)2022年教學(xué)改革研究項(xiàng)目“基于深度學(xué)習(xí)的學(xué)生混合課堂專注度追蹤與提升——以《創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)管理》課程為例”（JG00122JX42）；南京郵電大學(xué)管理學(xué)院2022年“課程思政”示范課程建設(shè)項(xiàng)目（無編號(hào)）

第一作者簡(jiǎn)介：王鵬（1989-），男，漢族，河北黃驊人，博士，副教授。研究方向?yàn)閳D像處理。