面向角色—能力培養的遙感數字圖像處理實踐教學探索*

◆高偉　李欣　王紅平

面向角色—能力培養的遙感數字圖像處理實踐教學探索*

◆高偉李欣王紅平

通過分析遙感科學與技術專業本科畢業生不同角色類型專業能力培養的社會需求，探討如何開展角色—能力主導的遙感數字圖像處理課程實踐教學，并基于開源軟件設計實現教學實驗軟件。實際教學表明，該模式可以針對學生的特點和角色類型實現分層次多目標教學，有助于面向社會需求的專業人才培養。

遙感科學與技術；遙感數字圖像處理；角色—能力培養；教學軟件

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.16.144

1　背景

遙感作為一門新興學科，近年來在國家政策的支持下以及行業發展的需求驅動下，步入了快速發展的階段，社會對于遙感專業人才的需求也日益增大。近年來國內諸多高校都加大了遙感類專業課程在地理信息系統、測繪、地理、環境相關專業中的比重，截至2015年底，全國共有32所本科院校單獨開設了遙感科學與技術這一專業［1］。

作為一門綜合性學科，遙感專業畢業生除了應掌握遙感科學、地理信息系統及計算機科學的基礎理論和知識外，還應具備程序開發、軟件操作以及儀器使用等實踐技能［2］。武漢大學、中南大學以及中國地質大學（武漢）等高校，在其遙感專業培養方案中都安排了相當時間的實踐教學環節［3-5］。但目前遙感專業類課程實踐教學效果并不盡如人意，主要表現在以下幾個方面。

1）缺乏分層次教學。目前實踐教學多以軟件操作和儀器操作為主［6］，無法滿足研究開發等不同類型人才培養的需要。

2）算法類教學實踐不足。遙感專業課程學習中存在大量的經典算法，由于缺乏示例代碼，學生對這些知識點的理解僅能停留在理論和基本操作上，難以對其有深入的認識和理解。

3）實踐內容分散。目前實踐教學多采用商業軟件，受限于商業軟件的架構設計，教學知識點分散在軟件的各個模塊中，容易造成學生對知識理解的碎片化。如何進一步增強遙感專業實踐教學的效果，培養滿足社會需求的遙感專業人才，成為專業教師十分關注的問題。

本文通過分析社會對不同類型遙感專業人才能力培養的要求，以遙感專業基礎課遙感數字圖像處理課程為例，探討面向角色—能力培養的實踐教學模式，開展教學實驗軟件的設計與實現，并分析其在實踐教學中的應用模式。

2　面向社會需求的遙感專業人才角色—能力分析

通過對用人單位和往屆畢業生走訪調研以及結合工程類專業認證及社會對不同角色類型的能力需求分析［7］，目前遙感專業畢業生的就業類型主要分為科研型、設計型和應用型三類角色。其中，科研型人才大多從事基礎理論研究，準備今后繼續深造；設計型人才主要從事遙感軟件的設計；而應用型人才則主要從事遙感數據的生產和處理等相關工作。從能力角度上講，這些人才除了應具備自主學習、交流合作、組織管理和創新等基本能力外，還應根據就業崗位的不同，分別掌握程序開發、軟件操作以及儀器使用等技能。具體如表1所示。

而人才角色的不同對于各項能力培養的要求又會有所不同。表2以程序研發能力為例，詳細說明了三種人才類型在程序研發方面培養的側重點不同。例如：應用型人才應具備使用軟件解決實際問題等高級操作能力，但只需要掌握基本的程序設計能力；而科研型人才則應具備系統設計、項目開發等高級的程序設計能力，但只需具備一般的軟件操作能力。

由于不同角色類型應具備的能力不同，所以在教學過程中需要針對不同的角色類型進行分層次教學。通過細分遙感專業實驗課程的知識點，優化重組并制訂相應的專業培養方案，來確定不同角色類型應學習的知識模塊及相應的實踐環節。

表1　遙感專業學生需培養的能力表

表2　程序研發不同角色的能力需求表

表3　教學實踐軟件結構分析表

3　面向角色—能力培養的遙感數字圖像處理實驗軟件設計

需求分析目前遙感教學實驗中大多采用的是商業軟件，封裝性好，功能豐富，但同時也容易造成有限的實踐教學時間大部分花在熟悉軟件結構、實習多停留在軟件操作上等問題。要能滿足依據不同角色的能力需求開展實踐教學，教學實驗軟件應具備以下特點。

1）要貼近教學的重難點。遙感課程涉及的知識點多且復雜［8］，需要對遙感數字圖像基本處理、遙感圖像校正、遙感影像增強、遙感影像濾波、遙感影像分類以及遙感影像變化檢測等主要教學知識點有效覆蓋，而且最好能夠按照教學的要求對各知識點進行集中展示；而商業軟件多按照功能模塊進行封裝，與課程教學的順序難以吻合。

2）可多層次展現知識點。對于各知識點可根據學生能力培養類型開展分層次教學，如對于算法類知識點，既可以進行軟件操作，又可以進行算法層面的分析與提高；而商業軟件則很難將源代碼乃至算法原理提供給用戶。

3）具備較強的擴展性。隨著遙感技術的發展，在教學過程中可能需要引入新知識，對此教學實驗軟件需要提供簡便的方式進行功能點擴展，同時也可以為學生提供一個算法設計實踐的有效框架。

軟件設計與實現根據需求分析，通過對國內外各類遙感軟件進行分析比較，確定采用開源平臺QGIS構建教學實驗軟件。QGIS是目前國內外較為活躍的一套開源空間信息軟件平臺，具備較為豐富的GIS、遙感分析功能［9］。同時，QGIS采取插件式框架結構，提供了C++、Python等多種二次開發接口以及流程化處理框架，便于進行功能的擴展［10］。

在遙感圖像處理教學實驗軟件的設計上遵循多層次分目標教學的思路，依照鞏固基礎知識、單一功能實現以及綜合能力培養（見表3）三個層次的教學目標進行功能層的設計。

在遙感基本知識鞏固層面，主要通過文本連接、圖片的形式，演示介紹各個知識點的應用目的、基礎理論及重要概念、算法模型，同時對于USGS、GLCF、NASA等在線遙感數據資源鏈接進行集成。在單一功能訓練方面，通過對開發平臺QGIS中相關功能點進行驗證、中文化改造，按照教學章節的安排進行分類，以工具箱的模式進行集中展示，如圖1所示（附總體界面圖）。同時對于對應的遙感算法源代碼進行整理歸納，形成可以編譯的版本供用戶調試及進行深層次算法級學習。在綜合能力訓練方面，軟件利用QGIS中的Processing（SEXTANTE）插件功能，提供流程化的功能搭建工具。同時也利用QGIS現有機制提供C++、Python二次開發接口，用戶可以直接調用軟件相關基礎功能，自主實現遙感算法的分析功能。

表4　人才類型與軟件功能實現表

圖1　教學軟件工具箱示意圖

4　面向角色—能力培養的遙感數字圖像處理實踐教學探索

在遙感數字圖像處理課程實驗教學中，依據不同目標角色類型學生應具備的能力（如表4所示），可以開展針對性的教學。

對于應用型學生，重點是對處理軟件靈活運用的掌握，能夠綜合運用軟件分析解決實際問題。在實踐過程中可以重點學習掌握影像預處理（拆開）、影像分類等功能的操作方法；同時了解掌握基本的程序設計技能，可以通過軟件的Python接口的擴展實現綜合功能的編寫。

對于科研型學生，需要掌握一定的算法分析與設計能力，在了解的基礎上編寫算法程序解決實際問題。教授他們數據庫、C語言等知識，通過教學實踐軟件的算法編程部分，對復雜的算法原理如濾波算法、梯度算法等進行語言實現，加深對遙感課程中復雜算法的理解；在軟件操作方面則需要掌握遙感軟件的基本知識和各項功能分析方法，能夠使用軟件進行基本的數據存取和格式轉換等操作，完成不同的分析功能。

對于設計型學生，需要掌握的編程能力要高一些，要具備二次開發能力和一定的項目開發經驗，教師可以指導這部分學生在熟練操作的基礎上對教學軟件進行二次開發，包括對遙感圖像增強算法、融合算法的二次開發等。教師提出一種算法思路，學生根據要實現的算法功能進行自主設計，從而進一步鍛煉學生的項目開發能力；而對于實踐操作這一方面要求不需要很高，只需具備一般的軟件操作能力，如能夠獨立使用軟件完成不同的專業分析功能等。

5　總結與分析

近年來，隨著遙感技術的不斷發展，社會對遙感人才的需求隨之明顯增長，這種需求不僅在數量上，而且體現在人才素質方面。本文依據社會需求探討了開展面向角色—能力培養的遙感專業課程教學實踐方法，并依據教學需求設計實現了遙感數字圖像處理教學實踐軟件。該實驗軟件不僅提高了學生的學習興趣，也提升了教學質量，在實際教學過程中取得良好的效果。

由于遙感相關領域的發展非常迅速，原有的知識結構也發生巨大的變化，因此，遙感數字圖像處理實踐教學軟件也需要不斷更新調整算法功能點，教學模式也會隨之相應變化。只有不斷更新教學軟件、教學思想和實踐模式，才能使課程教學與研究方向的最新進展同步，進一步提高教學實踐效果。

［1］根據專業找大學［EB/OL］.http：//gkcx.eol.cn/soudaxue/que rySchoolSpecialty.html？page=1.

［2］王紅平，高偉，陳啟浩.《遙感數字圖像處理》教學模式探索與實踐［EB/OL］.［2012-08-01］.http：//miit.ccidnet.com/ art/40211/20120801/4114117_1.html.

［3］中國地質大學（武漢）遙感科學與技術培養方案［EB/ OL］.http：//xgxy.cug.edu.cn/？page_id=938.

［4］武漢大學遙感科學與技術培養方案［EB/OL］.http：//rsgis. whu.edu.cn/index.php？m=content&c=index&a=show&catid=14 2&id=5368.

［5］中南大學遙感科學與技術培養方案［EB/OL］.http：//202. 197.61.12/peiyang/main/html/2013/11/20131101235506-1.htm.

［6］郭碧云，劉光哲，吳仁豪.遙感課程實踐教學方法探索［J］.管理觀察，2015（26）：134-136.

［7］徐小軍.面向用人單位的《遙感原理與應用》實踐課教學質量提升［J］.科技資訊，2015（26）：147-148.

［8］孫家柄，倪玲，周軍其，等.遙感原理與應用［M］.武漢：武漢大學出版社，2003.

［9］熊偉，陳犖，吳秋云，等.在空間數據庫課程中采用開源軟件實驗的教學實踐［J］.地理信息世界，2015，22（1）：73-76.

［10］Petras V， Petrasova A， Harmon B， et al. Integrating Free and Open Source Solutions into Geospatial Science Education［J］.ISPRS International Journal of Geo-Information，2015，4（2）：942-956.

Exploring Teaching Practice of Remote Sensing Digital Image Processing for Role-ability Training

//GAO Wei， LI Xin， WANG Hongping

Through the analyst is of training requirements in diff erent role type ability for students who graduated from Remote Sensing Science and Technology. Designing the remote sensing image processing software that leaded by role-ability. And constructing the teaching experimental software based on open source software QGIS. The teaching practice shows that the software can be realized the role of type hierarchical multi-objective teaching according to the characteristics of the students. And it is contribute to meet the need of the society of professional personnel training.

remote sensing science and technology； remote sensing digital image processing； role-ability training； teaching software

G642.0

B

1671-489X（2016）16-0144-04

*項目支持：中國地質大學（武漢）實驗技術研究項目“遙感數字圖像處理實驗教學軟件”。

作者：高偉，中國地質大學（武漢）信息工程學院副教授、碩士生導師，研究方向為遙感信息分析與應用；李欣，中國地質大學（武漢）信息工程學院資源與環境遙感專業碩士研究生，；王紅平，中國地質大學（武漢）信息工程學院講師，主要從事遙感圖像處理教學與科研工作（430074）。