“遙感數字影像處理”實驗課教學改革初探

陳鋒銳

摘 ?要： 實驗教學是遙感數字影像處理課程的重要組成部分，針對其特點，從實驗環境、教學內容、教學方法以及實驗考核等方面進行一系列改革。實踐結果表明，這些改革措施可以有效幫助學生對知識的理解和掌握，達到了預期的教學效果。

關鍵詞： 教學改革; 實驗教學; 遙感數字影像處理; 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（2014）12-50-03

Preliminary discussion on teaching reform of experimental course

of remote sensing digital image processing

Chen Fengrui

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

Abstract： Remote sensing digital image processing is a course based on experimental teaching. Considering the characteristics of its experiment course， a series of reform measures are proposed to mobilize the students' interest in learning and deepen their understanding of knowledge， from the aspects of experimental environment， teaching content， teaching method and experiment examination. The practice results show that these measures can effectively help students to understand knowledge and achieve the expected teaching effect.

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

0 引言

遙感是20世紀60年代發展起來的一門新興技術，隨著美國陸地資源衛星（Landsat）系列的成功發射，特別是21世紀以來以IKONOS為代表的高空間分辨率影像、以MODIS為代表的高時間分辨率影像、以Hyperion為代表的高光譜影像和以Radarsat為代表的雷達遙感影像的普及，遙感已廣泛應用于國土測繪、災害應急管理、資源調查、全球氣候變化、生態環境、地質分析等社會經濟服務的各方面，遙感對地觀測技術已經成為研究的熱點[1-2]。在我國，隨著國產風云系列、資源系列和環境減災小衛星的發射成功，遙感也已大量應用于自然災害監測、環境調查以及國土測繪等諸多方面。與此同時，我國針對遙感科學的教育也逐步跟進，目前國內已經有140多所高校開設遙感相關課程，面向本科生和研究生傳授遙感原理和遙感應用等方面的知識[3]。在遙感科學的諸多課程之中，相比于遙感概論、遙感地學分析等，遙感數字影像處理能夠直觀地反映遙感圖像的表達、操作和應用，具有較強的實用性。遙感數字影像處理課程設置一般分為理論課和實踐課兩部分。理論課主要在課堂上講授遙感相關理論知識，如遙感影像預處理、影像增強、影像分類、影像融合、影像變化檢測等。實踐課是指學生在教師的指導下采用遙感圖像處理軟件（ENVI、ERDAS等）通過動手從而理解和掌握遙感圖像處理的原理和應用。遙感數字影像處理實驗教學是理論教學與實踐相結合的重要環節，是激發學生學習興趣和動力，提高學生分析問題和獨立解決問題能力，培養創新意識的重要途徑。因此，探討該課程的實驗環境、教學內容、教學方法和實驗考核等具有十分重要的意義。

當前遙感數字影像處理的實驗課程往往是針對單一知識點的，無法顧及算法間的邏輯關系，導致圖像處理技術與遙感影像間無法有機整合，難以調動和提高學生的積極性和學習興趣。因此，在深入分析該課程特點的基礎上，本文從實驗環境、教學內容、教學方法以及實驗考核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 實驗教學改革方案

1.1 實驗環境

學生雖然在學習遙感數字影像處理之前已經修過C語言和數據結構等課程，但直接采用C或者C++語言進行遙感數字影像處理編程，會使學生的大量精力放在程序上而不是算法研究上;此外，并非所有學生都能熟練掌握好C或C++編程。所以實驗很難達到預期的教學目標和效果?？紤]到遙感數字影像處理實驗教學的特點以及本科生的具體情況，我們采用MATLAB和ENVI相結合的實驗環境方案。

針對遙感數字影像處理中偏重算法的實驗內容，主要采用MATLAB進行教學。MATLAB具有強大的圖像圖形處理分析能力，幾乎涵蓋圖像處理的各個內容。它還具有語法簡單、易學易用的特點，其豐富的函數使開發者無需重復編程，通常在C語言里需要幾十甚至上百行語句才能完成的功能在MATLAB里只用一兩個函數就可實現。通過編寫程序進行遙感影像處理不僅可以提高學生獨立解決問題能力和編程能力，還可以使學生進一步理解和掌握算法。例如：通過MATLAB編程來實現遙感影像點運算增強實驗，不僅要求學生掌握遙感影像的存儲和顯示特性，還要求設計算法對每個像元進行線性或非線性變換，并用程序來描述算法，這些最終可讓學生深入領會到遙感影像點運算增強的實質。

對于一些側重處理流程的遙感數字影像處理實驗，我們采用ENVI軟件來實現。ENVI是基于IDL語言開發的一套功能強大的遙感圖像處理軟件，它具有強大的影像顯示、處理和分析功能，包括常規處理、幾何校正、定標、多光譜分析、高光譜分析、雷達分析、地形地貌分析、正射影象圖生成、三維圖像生成等。該類實驗的特點是需要頻繁的人機交互，正確的參數設置要求學生對實驗內容有一個全面認識和整體把握。例如影像的幾何精校正包含影像坐標系建立、選擇控制點、選擇畸變模型、重采樣、輸出影像以及精度分析等六個步驟，且步驟間存在嚴格的邏輯關系。該實驗不僅要求學生了解研究區的情況以及待校正遙感影像的特點，而且要深刻理解控制點的個數和空間布局、畸變模型類型等對幾何校正精度的影響作用，通過這些實驗可進一步增強學生對遙感數字影像處理的認識。

1.2 教學內容的確定

實驗教學內容的選擇是遙感數字影像處理實驗教學的重要環節，遙感數字影像處理課程內容十分豐富，鑒于實驗課程課時安排的限制，不可能對所有內容逐一實驗，必須根據實際情況進行選擇。在參考《遙感數字影像處理與地理特征提取》[4]、《遙感數字圖像處理教程》[5]、《ENVI遙感圖像處理方法》[6]、《數字圖像處理》（MATLAB版）[7]等書的基礎上，結合教學大綱與教學目標要求，我們選擇遙感數字影像處理中最重要的實驗作為教學內容，以問題為導向培養學生的學習興趣。遙感數字影像處理實驗課程設置為24個課時。

在設置教學內容時，不僅要考慮實驗內容的整體性，同時兼顧它們之間的邏輯關系。例如：在進行遙感數字影像處理前，需讓學生直觀了解遙感影像的數字矩陣存儲方式，針對遙感影像具有多個波段的特點，影像通常采用以波段為序（band sequential，BSQ）、以行為序（band interleaved by line）BIL、以像元為序（band interleaved by pixel，BIL）三種方式進行存儲。實驗內容大體分為兩類：驗證性實驗和綜合性實驗。驗證性實驗內容目的是加深學生對遙感圖像處理基本理論的認識，如影像預處理、影像增強等;綜合性實驗是驗證性內容的強化和升華，它要求學生綜合利用各種影像處理方法解決某一問題，如利用遙感影像研究某區域土地利用變化，該實驗涉及影像預處理、增強以及分類等多種處理技術。

表1 ?遙感數字影像處理實驗課程課時安排

1.3 教學方法

教學方法是影響教學質量的重要因素，針對遙感數字影像處理實驗課的特點，教學方法的改革主要體現在以下三點。

⑴ 以問題為導向，激發學生的學習興趣。讓學生利用所學知識來解決實際問題，從而體會到知識的價值和重要性，激發他們主動學習課程的動力和興趣。例如在做平滑濾波時，首先通過一個實例讓學生明白為何要進行平滑濾波，圖1是一幅遙感影像，由于傳感器本身原因、大氣、地形等因素的影響，致使影像上出現噪聲，降低影像的可識別性;接下來引出平滑濾波的知識，指出該技術可以有效地降低噪聲;最后通過一個實例來展示平滑濾波的降噪目的，并且對比不同平滑濾波的降噪效果，如圖1所示。這樣做不僅可以創造良好的教學情景，而且促使學生以目標為導向，在比較的過程中接受并消化知識。

⑵ 增加課程的互動性。為了讓學生充分參與到課程的學習中來，在實驗課前讓學生對課程進行預習，做到有的放矢;課堂上采取老師示范與學生演示相結合的策略，不僅可對教學成果進行反饋，還可及時發現問題;實驗結束后讓學生進行總結，這樣可以幫助他們回顧知識、加深理解，掌握重點、難點。

⑶ 培養學生獨立解決問題的能力。自主實驗內容即綜合性實驗，該部分實驗由學生獨立完成，老師僅在實驗過程中給予指導。以自由結合的形式把學生分成幾個科研小組，對每個小組指定一名負責人對項目進行組織管理。小組成員之間以團隊形式分工合作，通過查閱資料、設計方案、研究討論等各環節，完成項目的研究，并最終形成一篇完整的綜合性研究報告。通過該方法可以鍛煉學生的綜合實驗能力，更早地接觸科研過程。

1.4 實驗考核

實驗考核是該課程重要的組成部分，通過考核一方面可以檢驗學生對實驗的掌握程度，另一方面可以督促學生對課程的學習。實驗考核以具體的實驗為考核內容，要求學生在規定的時間內完成操作，并得到正確的實驗結果。針對本實驗課程采用兩種實驗環境，考核方式也分為兩類，分別為MATLAB程序代碼和ENVI軟件操作。考核內容從實驗內容中隨機選擇，每類選擇兩個，根據學生的操作情況過程進行成績評定。MATLAB代碼方式的考核要求代碼在計算機上準確無誤地運行，并獲得正確的結果，否則相應扣分;對于ENVI軟件操作的考核，要制定考核要點，根據考核要點的完成情況進行相應打分，如對遙感影像幾何精校正實驗內容的考核，主要分以下考核要點：①特征點的數目以及空間分布狀況;②模型計算精度;③校正結果。這三個要點分別占該考核內容的30%，30%以及40%。這樣既能促使學生認真對待每一個實驗，又能比較全面地評定一個學生的水平。

2 結束語

本文針對遙感數字影像處理實驗課的特點，結合以往的教學體會，從實驗環境的建立、實驗內容的選擇、教學方法運用和實驗考核等四個環節對該課程進行探討與設計。在實驗過程中，貫徹以學生為主體，以教師為主導的方針。實踐證明，學生通過該課程的學習，不僅明確了學習目標，掌握了遙感數字影像處理的基本概念和方法，提高了學習和實踐的積極性和主動性，而且培養了其綜合運用專業知識和圖像處理技術的能力和解決實際問題的能力，該教學改革達到了預期效果。

參考文獻：

[1] 梅安新，彭望祿，秦其明等.遙感導論[M].高等教育出版社，2010.

[2] 孫家柄.遙感原理與應用[M].武漢大學出版社，2009.

[3] 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

[4] 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.

[5] 韋玉春.遙感數字圖像處理教程[M].科學出版社，2007.

[6] 鄧書斌.ENVI遙感圖像處理方法[M].科學出版社，2011.

[7] R. C. Gonzalez， R.E.Woods.數字圖像處理（MATLAB版）[M].電子工

業出版社，2008.