“遙感數字圖像處理”教學改革初探*

陳鋒銳,喬家君,閆衛陽,張喜旺,楊玲

摘 要： 遙感數字圖像處理是地理信息系統專業的核心課程，針對遙感數字圖像處理的自身特點和目前該課程的教學現狀，從優化教學內容、完善教學手段、激發學生興趣、注重實驗教學、提高學生動手能力等方面對該課程的教學進行了一系列改革。教學結果表明，這些措施可以有效促進學生的學習興趣，并加深他們對知識的理解。

關鍵詞： 教學改革； 遙感數字圖像處理； 遙感； 地理信息系統

中圖分類號：TN911.72 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2013）06-67-02

Preliminary discussion on teaching reform of remote sensing digital image processing

Chen Fengrui， Qiao Jiajun， Yan Weiyang， Zhang Xiwang， Yang Ling

（College of Environment and Planning， Henan University， Kaifeng， Henan 475004， China）

Abstract： Remote sensing digital image processing is one of the core courses of geographic information system specialty. Considering its characteristics and teaching status， a series of reform measures are presented in order to promote the students' interest in learning and deepen their understanding of knowledge. The measures are optimizing teaching contents， improving teaching method， stimulating study interest， and enhancing experimental teaching.

Key words： teaching reform； remote sensing digital image processing； remote sensing； geographic information system

0 引言

隨著遙感技術的快速發展，海量的遙感圖像被獲得，這些影像在社會生產和生活中發揮了越來越重要的作用。遙感圖像已廣泛應用于農業、林業、地質、海洋、氣象、水文、軍事、環保等領域，它不僅為這些行業提供基礎數據；同時，伴隨著電子地圖、導航定位的出現和廣泛使用，遙感圖像已經成為人們生活的一部分，不斷改變著人類對世界的認知。1997年教育部對我國高等教育專業目錄進行修訂，對部分專業進行壓縮，但在地理學下卻新增了地理信息系統本科專業，授予理學和工學學位。目前國內已有140多所高校開設了地理信息系統專業，遙感數字圖像處理是該專業的核心課程。因此，探討該門課程的教學內容、教學手段和方法，對提高遙感數字圖像的處理水平有非常重要的意義。

遙感數字圖像處理作為地理信息系統專業的核心課程，在學生的知識構建中起著重要的作用[1]。隨著遙感數字圖像處理內容的更新和學生對該課程要求的提高，需對教材、課程結構和內容、教學方法和實踐教學等方面進行一系列改革，以適應高等院校教育改革和推進素質教育的要求。

1 教學內容改革

遙感數字圖像處理是一門涉及地理學、計算機、數學、物理等多學科交叉、高度綜合的技術學科。教學內容和課程體系改革是教學改革的核心內容，然而不同的教材側重點不同，因此選擇一本合適的教材并處理好教材內容，對優化教學內容起著舉足輕重的作用。國內近些年的出版了一系列遙感數字圖像處理方面教材，如錢樂祥編著，科學出版社出版的《遙感數字影像處理與地理特征提取》[2]；韋玉春等主編，科學出版社出版的《遙感數字圖像處理教程》[3]等；通過對這些教材進行詳細的內容對比和結構分析，我們選擇了韋玉春主編的教材。與此同時，我們參考了國外的如John A. Richards[4]、John R. Jensen[5]和Robert A. Schowengerd [6]等的遙感數字圖像處理著作，針對這些教程注重理論算法，對算法引導的不足，借鑒了岡薩雷斯等的《數字圖像處理》 [7]教程，利用該教程翔實的實例，加快引導學生對遙感數字圖形處理算法的理解。

河南大學環境與規劃學院地理信息系統專業的學生在學習《遙感數字圖像處理》之前已學習過《遙感技術導論》，這就使學生有了一定的基礎。筆者針對學生的實際情況，結合教學大綱，對以上教程進行適當的合并和調整，把遙感數字圖像處理安排為理論課48學時，實驗課和編程課24學時，具體見表1。

此外，從近年來遙感科學的國內外研究進展來看，遙感數字圖像處理方面的研究方興未艾，不斷有新的技術方法出現，現有教材中的部分知識已遠遠不能滿足現代社會發展的需要，學生也有了解更多最新知識的迫切要求。因此，還要不斷補充新知識新內容，將新近發表的、與遙感數字圖像處理緊密相關的論文內容引用到教學過程中，充實教學內容。教師只有不斷進行科研探索和學習才能把握最新的科研前沿問題，并將最新的前沿知識介紹給學生，激發學生探索知識的欲望。

表1 遙感數字圖像處理理論課學時安排

[章 節＼&主要內容＼&課 時＼&1.概論＼&遙感圖像的概念、遙感平臺等＼&2課時＼&2.遙感圖像及統計分析＼&遙感圖像數據、遙感圖像的統計分析＼&2課時＼&3.遙感圖像校正與鑲嵌＼&輻射校正、大氣校正以及圖像鑲嵌＼&6課時＼&4.遙感圖像空間域增強＼&灰度變換、直方圖變換、空間濾波＼&8學時＼&5.遙感圖像變換＼&傅立葉變換、小波變換、主成分變換等＼&6學時＼&6.遙感圖像頻率域增強＼&頻率域濾波、同態濾波等＼&4學時＼&7.遙感圖像融合＼&主成分分析變換融合，小波變換融合等＼&4學時＼&8.遙感圖像分割＼&閾值分割、梯度法、區域生長、數學形態學等＼&4學時＼&9.遙感圖像分類＼&監督分類、非監督分類、分類后處理等＼&8學時＼&10.土地利用變化分析＼&土地利用概念、土地利用變換分析的流程等＼&4學時＼&]

2 教學方法和手段的改革

遙感數字圖像處理是對遙感數字圖像的計算機處理。與工業以及醫學等影像不同，遙感影像是對地球進行觀測的結果，它不僅具有普通圖像的特征，而且還具有空間坐標。因此，在進行遙感數字影像的處理過程中，不僅需要掌握普通的數字圖像處理方法，而且還需要具有豐富的地學知識。

2.1 采用多媒體課件和板書相結合的教學方式

課堂教學成敗的一個重要因素是課件質量，制作內容豐富、通俗易懂，且與教材相配套的多媒體課件是教學改革的重要環節。在課件的制作過程中，適時調整各級標題使內容重點突出，更具條理性，同時利用圖片、圖示以及圖表來減少文字出現的篇幅，提高信息的表達質量。如傅立葉分析部分涉及到大量的、枯燥的公式推導及算法實現，針對本科生的數學水平，讓學生從數學上理解傅立葉分析的內涵是不現實的。我們通過多媒體課件從物理上利用信號分解和疊加實例來充分展示傅立葉分析的作用，同時減小公式推導的講解，使學生能夠快速對傅立葉分析的功能有一個清晰的認識。

在授課過程中不應一味地依賴多媒體課件，用適時的板書和多媒體相結合，能夠達到最佳的教學效果。如在講授遙感圖像增強中的模板運算部分時，可以先通過板書一步一步進行推導計算，讓學生領會該算法的實現要點；然后再用多媒體展示采用該算法處理的結果，這樣能有效加強學生對理論及算法的理解和認識。

2.2 以問題為導向來啟發學生，激起學習興趣

在講授課程過程中，以問題為導向，通過啟發學生，引導他們深層次、多角度地思考問題，從而激發學生的學習興趣，引起他們對課程的重視。例如在講到遙感影像增強時，首先我們通過一個實例讓學生明白為什么要進行影像增強，圖1是一副原始的遙感影像，由于傳感器接收到的電磁波能量比較小，導致影像偏暗，我們從中無法觀測出更多的信息；接下來我們引出遙感影像增強技術，指出該技術的目標是就是為了更好地滿足人或計算機從影像中觀測感興趣的事物；最后通過一個具體的例子來展示影像增強所能實現的目標，如圖1（b）所示。這樣做不僅可以創造良好的教學情境，而且使學生以目標為導向，在對比、類比的過程中接受并消化知識。同時可把一些相對簡單及次要的問題拋給學生，讓他們通過課下查閱資料。上網等途徑提出解決方案，經課堂上討論后再由老師作詳細的闡述。

（a） 原始圖像 （b） 增強后圖像

圖1 遙感圖像增強示例

2.3 注重實驗教學

“遙感數字圖像處理”要求學生具有較強的實踐能力，只有通過適時實驗課的安排，讓學生盡可能多地動手操作，方可達到最佳的教學效果。在學生親自動手操作的過程中，不僅要增強他們對理論知識的理解，而且要提高他們對該門課的興趣，同時培養他們獨立解決問題的能力。筆者所在學校安排有18學時的上機實驗，包括驗證性、綜合性實驗兩部分，主要通過學生上機操作ENVI或者ERDAS軟件來實現。

通過驗證性實驗使學生加深對遙感數字圖像基礎理論的理解和認識，該部分主要涵蓋遙感圖像基礎處理，包括遙感影像的輻射校正、幾何校正、空間域遙感影像增強、頻率域遙感影像增強、影像運算以及遙感影像分類等。其中空間域影像增強又包括點運算增強、直方圖增強和空間濾波（空間模板）等。遙感影像分類包括監督分類和非監督分類兩種。

綜合性實驗可使學生在掌握一定程度遙感數字圖像處理知識基礎上，結合某一現實進行綜合應用。比如在學生掌握遙感影像分類知識后，結合開封市實際，根據開封市1998、2003和2008年的TM影像，分析開封市的土地利用變化情況。這就要求學生不僅要掌握遙感影像分類監督分類的知識，而且對開封市土地的利用類型有一定的了解，最后還要通過數據分析找出開封市土地利用的變化趨勢和規律。讓學生在實驗中，驗證并理解理論知識，進一步增加學生對遙感數字圖像處理的認識。

2.4 增加學生編程能力

為了使學生系統地掌握該學科的基本原理和典型算法，不僅要求他們會用ENVI等專業軟件，掌握遙感影像處理的基本方法以及流程，而且還要強調通過編程實踐，即采用計算機語言進行數字圖像處理編程。學生在學習遙感數字圖像處理之前，已經修過C語言，數據結構等課程；而采用C或者C++語言進行遙感圖像處理，會使學生的大量精力放在計算機編程而不是算法研究上，教學目的難以實現，不能達到預期的教學效果。

近年來，在遙感數字圖像處理教學中，我們利用MATLAB進行輔助教學，取得了比較明顯的效果。MATLAB 軟件是美國Mathworks公司推出的一套科學計算軟件，它將數值計算、可視化、程序編寫集成于一個方便的、用戶界面友好的操作環境中[8-9]。在MATLAB中，除擁有數百個函數的主程序包外，還包含三十多種工具箱，已廣泛用于解決各個領域的特定問題；同時它又是開放的，用戶可以根據自己的需求進行相應的擴展開發。結合MATLAB的特點，充分運用其易用且功能強大的圖像處理工具箱，可有效減輕學生在學習遙感數字圖像處理時遇到的困難，使學生將學習重點放在算法的提出及優化上，而不必花費大量的時間用來編寫程序。

例如在進行基于主成分分析的遙感影像融合實驗時，雖然可以通過ENVI軟件來快速實現，但是僅通過界面一步一步地操作，不能使學生深刻理解該算法的精髓。比如為了使融合后影像具有更好的保真度，需要以第一主成分分量為基準，對全色波段影像進行直方圖匹配處理，然后用處理后的全色影像去替換第一主成分。該步驟在軟件操作中并沒有體現出來，這會讓學生誤認為僅用全色波段影像直接替換第一主成分，然后進行逆變化就可以獲得優異的融合結果，錯誤地理解該融合算法。而通過MATLAB，學生運用其提供的程序包，一步步地實現該算法，這樣不僅提高了學生通過程序解決問題的能力，而且可以更加深刻，準確地理解算法。

3 結束語

遙感數字圖像處理是一門多學科交叉的課程，做好這門課的教學工作需要多方面的努力。通過教學改革與實踐，不僅有效激發了學生的學習興趣，而且加深了他們對知識的理解，同時大大提高了他們的動手能力，取得較好的教學效果。該課程于2011年申請并成為河南省省級精品課程。遙感數字圖像處理是一門理論性和應用性都很強的學科，對該課程的教學改革仍在進一步探索之中。

參考文獻：

[1] 秦其明.中國高校GIS專業核心課程設置問題的探討[J].地理信息世

界，2003.1（4）：1-7

[2] 錢樂祥.遙感數字影像處理與地理特征提取[M].科學出版社，2004.

[3] 韋玉春.遙感數字圖像處理教程[M].科學出版社，2007.

[4] J. A. Richards， Remote sensing digital image analysis[M].Berlin：

Springer，2012.

[5] J. R. Jensen， Introductory digital image processing[M].NewYork：

Prentice Hall 1996.

[6] R. A. Schowengerdt.Remote sensing： models and methods for

image processing[M].NewYork： Academic press， 2006.

[7] R. C. Gonzalez.岡薩雷斯數字圖像處理[M].電子工業出版社，2006.

[8] 羅軍輝，馮涼.MATLAB 7.0在圖像處理中的應用[M].機械工業出版

社，2005.

[9] 張德豐等.Matlab數字圖像處理[M].機械工業出版社，2012.