對“遙感技術在區域地理研究中的應用”一課有效教學的思考與實踐**

宋 波 林 琳

（北京市京源學校, 北京 100040）

對“遙感技術在區域地理研究中的應用”一課有效教學的思考與實踐**

宋 波 林 琳

（北京市京源學校, 北京 100040）

地理科學的迅速發展和地理信息技術的廣泛應用，都對高中地理課程改革提出了富有挑戰性的新課題。本文基于作者對無人機低空攝影測量和地理信息技術應用方面的實踐研究，為廣大教師提供一種新的教學思路，探討地理信息技術應用這部分內容的有效教學。

地理信息技術；無人機；遙感；實踐

地球是人類賴以生存的家園，由于其地域空間的廣闊性和地理事物本身的復雜性，我們對這一美麗而又多變的家園一直難以形成全面準確的認識，此外與日俱增的資源與環境問題促使人們試圖從全球的視角理解人類生存環境的變化以及這種變化對人類發展的影響。隨著空間技術、信息技術的迅猛發展，人類獲取地理空間信息的能力得到了極大的提高，深刻認識到了全球變化在不同時間尺度、空間尺度上的復雜性，信息高速公路的架設、地球空間信息學的產生、數字地球概念的提出為遙感學科的發展提供了堅實基礎。

地理科學的迅速發展和地理信息技術的廣泛應用，都對高中地理課程改革提出了富有挑戰性的新課題。我們這里所說的地理信息技術，并不是通常講的信息技術，它是地球系統科學、空間技術和信息科學等交叉融合的產物，地理信息系統與遙感、全球定位系統、計算機相結合，具有對時空信息的綜合處理能力、對現實世界的模擬能力，并能產生和發現新的信息，為區域開發和宏觀決策服務。

筆者從工作以來一直致力于無人機低空攝影測量和地理信息技術應用的研究，在實踐過程中積累了大量教學素材和經驗，所以想結合自己的研究和教學成果，提供一種新的教學思路，來探討一下地理信息技術應用這部分內容的有效教學。

一、教學內容的選擇

關于地理信息技術這一部分內容，《全日制普通高中地理新課程標準》（以下簡稱“課標”）的要求是“了解其在資源普查、環境和災害監測、定位導航、城市管理等方面的應用”，并且在與之配套的《走進新課程叢書：普通高中地理課程標準（實驗）解讀》（以下簡稱“課標解讀”）中明確說明“不要求了解其技術原理”。但是，在各種類型的考試中又常會涉及原理方面的內容，那到底講不講原理呢？筆者的看法是，地理信息技術它首先是一項技術，是我們研究地理科學的工具，而且是一種先進的工具，所以課標要求要了解它。課標還要求“初步學會通過多種途徑、運用多種手段收集地理信息，嘗試運用所學的地理知識和技能對地理信息進行整理、分析，并把地理信息運用于地理學習過程。”這樣看來地理信息的分析處理怎能不學點地理信息技術呢？（新一輪的課標修訂也更加突出地理信息技術的地位。）那么作為一項技術來講，肯定得教學生怎么更好地認識、使用這項技術。想要更好地去使用這項技術，不知道其中的基本原理肯定是不行的。比如對于生物學中的顯微鏡，不知道其中凹凸鏡的原理，恐怕在顯微鏡的使用中是會有問題的。當然不知道原理也可以應用，按部就班地操作就是，但那樣就不是我們基礎教育的意義所在了，變成了技工培訓。所以，對于課標中地理信息技術應用的這個“了解”是應該包含了解原理這個層次的。

另一方面，從認識論的角度來講，學生的學習過程實際上是一個認識過程，但學生的認識過程跟一般的認識過程相比又有著明顯不同，其特殊性主要表現為極大的濃縮性，即人類經過漫長的認識過程獲得的真理，學生往往只有一節課甚至更短的時間來獲得。然而，學

生的認識過程無論怎么濃縮，怎么特殊，總離不開認識過程基本規律的支配，離不開實踐這個基點。從這樣的認識出發，筆者便準備通過動手實踐的方式來開展這部分內容的教學。從技術層面上講，學生去地理實驗室完整或者部分實踐這項技術的過程是必要的。當然，通過動手操作實踐的方式來學習這一部分，并不是現在就要求學生一定要掌握這種技術，更不是要把學生培養成一個技術專家，而是通過實踐來更好地“了解”這項技術的應用，讓學生意識到在實際的探索研究過程中，有通過這種技術解決問題的可能性。

再具體到“遙感技術在區域地理研究中的應用”這節課的教學，課標要求“結合實例，了解遙感（RS）在資源普查、環境和災害監測中的應用。”實踐對象的選擇上，基于“緊密聯系生活實際”又“關注全球問題”的原則，從學生最熟悉的學校環境出發學習遙感的操作、原理、方法，以小見大，推至全球視角理解人類生存環境的變化，思考人類活動與地理環境的相互關系。

目前高中地理教材有4個版本，基于對課標的不同理解，在地理信息技術部分的處理和編寫上各有各的角度。本節內容的章節在不同版本教材的體系中存在明顯不同，在教學內容選取上也有不同。綜合考慮，采眾家之長，直接從整體把握高中地理教學的角度，從“地理事實”、“過程原理”、“核心概念”三個維度來組織教學。

1、結合實例，了解遙感在資源普查、環境和災害監測中的應用。（地理事實）

2、了解遙感技術的光譜學原理，選取特定波段和波段組合，并簡單應用。（過程原理）

3、通過不同的手段了解、研究地球，是為了讓人地關系更和諧。（核心概念）

二、學情分析

高二學生具備一定的分析能力，但是分析和邏輯思維能力有限。

遙感原理是基礎，邏輯性比較強，而且還涉及到其他學科的內容，對他們有一定難度。

遙感技術對他們而言是一個新興事物，應該充分發揮好奇心，激發學習興趣。

三、重難點分析

重點：遙感技術（RS）在土地利用類型調查中的應用，尤其是植被覆蓋調查中的應用，但是應用又不僅限于此，通過相同的原理引入其他方面的應用。

難點：通過介紹遙感技術的光譜學原理，引導學生提出解決問題的思路。原理是基礎，需要一定的邏輯推理能力，還涉及到其他學科的內容，所以對學生有一定難度。

四、教學方法

任務驅動式教學法。任務驅動教學本質上應是通過“任務”來誘發、加強和維持學習者的成就動機。成就動機是學生學習和完成任務的真正動力系統。任務作為學習的橋梁，“驅動”學生完成任務的不是老師也不是“任務”，而是學習者本身，更進一步說是學習者的成就動機。地理信息技術這一主題操作性強，適合使用任務驅動教學。

五、教學過程

教學環節教師活動學生活動設計意圖1、故事導入據新聞報道，在全國土地利用類型遙感調查的過程中，有地方官員用綠色塑料膜覆蓋裸地，以裸地冒充林地草地，企圖瞞天過海，結果被調查人員輕松識破，絲毫沒有影響調查結果，這位官員反而受到了處罰。那么調查人員是利用了什么技術識破了這種瞞天過海的伎倆呢？今天我們就以大家最熟悉的咱們學校足球場塑料草坪為例，來了解一下遙感技術怎樣識破這種伎倆，并學習遙感在區域地理研究中的應用。思考提出問題激發興趣2、遙感概念流程什么是遙感？相當于高空拍照，其目的是獲取地物信息。將“拍攝”到的地物信息傳輸回地面系統，根據不同的應用目的對這些信息作分析處理，最后制作成專業圖件，這就是遙感的一般工作流程。從數千米高空拍照，能用普通相機嗎？不能，需要用各種不同的傳感器。而且傳感器還得在高空，哪些設備可以把傳感器搭載到高空？氣球、飛艇、飛機、衛星等。按照高度可分成航空遙感和航天遙感兩類。感知方式可以是拍攝或者掃描。聽講了解遙感的一般工作流程2．1、遙感電磁基礎遙感就是遙遠的感知，是不直接接觸目標物的，在高空通過什么來感知呢？要借助于一種媒介來進行感知，這種媒介就是電磁波。不同類型傳感器接收的電磁波都哪兒來的呢？有的是地物自身發出的，有的是傳感器主動發出經地物反射回來的，還有的是地物反射太陽輻射的。對于遙感來說，電磁波很重要啊，那什么是電磁波呢？讀圖思考了解遙感的電磁波基礎

圖1 A黑體輻射曲線 B大氣效應[1]（展示黑體輻射曲線圖A）根據黑體輻射理論，凡是溫度高于絕對零度的物體，都會向外放出電磁波，且溫度越高，波長就越短；溫度越低，波長就越長。也就是說電磁波可分為很多不同的波段。但并不是所有的電磁波波段都能用于遙感，為什么呢？（展示大氣效應圖B）大家都知道，大氣對電磁波有吸收、反射、散射效應，最后能夠透過大氣的電磁波就只有圖中這些透射系數較大的波段了，這些波段不容易受到大氣影響，叫“大氣窗口”。那你能說出遙感一般用哪些波長的電磁波嗎？紫外線、可見光、紅外線、微波等。對不同類型物體的識別還要選擇不同的波段，根據什么原則選呢？比如要識別森林、裸地、水體，就得用到這樣的圖了。圖2 不同地物的光譜反射曲線圖[1]（展示不同地物的光譜反射曲線圖）橫坐標是反射不同電磁波的波長，縱坐標是對不同波長的反射率，曲線反應的是水體、綠色植被、裸地對不同波長反射率的高低。一般來說，地物對某一波段電磁波的反射率與其他地物相比差異越大，就越能區分地物。如果想調查植被選擇什么波段呢？選反射率最高的波段。綠色植被對哪個波段的反射率最高？波長是多少？那裸地呢？近紅外線，0．7～1．3微米，差不多。有沒有發現植被和裸地有一段非常接近？哪一段？0．9～1．3。選擇這一段會出現什么后果啊？那怎么辦？沒法區分，需要剔除。所以要識別植被應該用哪一段？近紅外波段。如果要識別水體用哪一段？為什么？如果要同時區分植被和水體怎么辦？兩個波段組合起來用。2．2、真假彩色圖像既然大家選近紅外波段來識別植被，那我們來看看這個波段的圖像。圖3 單紅外波段灰度圖像和真彩色圖像觀察思考了解真彩色圖像、假彩色圖像，及其應用

[1] 譚木高考復習研究室． 新課標高中地理圖文詳解指導地圖冊[M]． 山東:山東省地圖出版社 ,2015．

（展示灰度圖像）結果是一張灰度圖，上面白的可能是什么？黑的呢？植被，水體。這樣的圖能識別綠色植被嗎？怎么辦？不能。（展示彩色圖像）這張圖好識別嗎？為什么？好識別了。因為它是彩色的，人眼分辨不同彩色的能力比分辨不同灰度級的能力強。所以我們總是希望得到彩色遙感圖像。但彩色圖像不是一個波段，而是用三個波段的灰度圖像合成的。這幅圖像怎么合成的呢？紅光、綠光、藍光三個波段分別用紅、綠、藍三種顏色顯示，就和人眼看到的效果一樣，綠色植被看起來是綠色的，比較真實，叫真彩色合成。圖4 真假彩色合成用遙感軟件合成假彩色圖像但有的波段自身沒有顏色啊，比如剛才大家想用來識別植被的近紅外波段（NIR）。怎么辦？這時就需要人為給這些波段賦予不同的顏色，這樣的顏色是不真實的，把這樣合成的彩色圖像稱為假彩色圖像。通常情況下，如果我們把紅、綠、藍三個通道分別用近紅外、紅、綠合成，就得到了一張標準假彩色圖像。這樣合成的圖像植被會是什么顏色呢？動手試試吧！（打開桌面上的筆記本電腦……）下面我們就用遙感軟件來親自動手合成一下。遙感軟件：開始——所有程序——ENVI 5．1——ENVI大家電腦里是一份北京地區的分波段接收遙感數據，由美國航空航天局（NASA）Landsat-8衛星于2014-09-04獲取。遙感數據：打開文件“D:BeijingBeijing．hdr”。原始數據一共有11個波段，今天只使用其中4個波段，分別是：波段2-藍，波長（微米）0．45-0．51；波段3-綠，波長（微米）0．53-0．59；波段4-紅，波長（微米）0．64-0．67；波段5-近紅，波長（微米）0．85-0．88。目前顯示的是什么彩色的圖像？真彩色。所以真彩色合成一般也叫432合成。紅綠藍分別用什么波段表示的？紅光，綠光，藍光。打開數據管理器，改變一下組合吧……下面要大家合成標準假彩色圖像，想一想標準假彩色圖像怎么合成？所以假彩色合成一般說543合成。標準假彩色影像里咱們熟悉的綠色植被變成什么顏色了？藍綠色的水體變成什么顏色了？為什么？紅色。深藍色。綠色植被對近紅外波段的反射率高，而近紅外波段用紅色表示。圖5 真彩色圖像和假彩色圖像其實，假彩色合成識別地物的例子還有很多，比如：7,6,4——假彩色合成，可用于城市監測；5,6,4——假彩色合成，能有效區分陸地和水體；6,5,2——假彩色合成，常用于農作物監測；7,5,2——假彩色合成，能監測森林火災。圖6 假彩色合成圖像（左上7,6,4；右上5,6,4；左下6,5,2；右下7,5,2）

在實際分析中，可以通過嘗試，發現某個波段或者組合對于所做的區域效果明顯，那么這個波段或者波段組合方式就是適合的。2．3、遙感圖像解譯通過解譯遙感圖像判斷草坪真假剛才咱們看了個大概，下面以大家最熟悉的學校操場來驗證一下。首先，你能在真彩色圖像中找到咱們學校的位置嗎？有難度。用學校周邊主干道的相對位置能找到嗎？行，西五環和蓮石路交匯處。那好，給大家提供一個北京市快速路網作參照。打開文件“D:Beijing快速路快速路．shp”，在遙感圖像上添加一個北京市快速路的圖層。找到學校的位置了吧，看看足球場，真假彩色圖像切換一下。咱們足球場在真彩色圖像中什么顏色？綠色。在假彩色圖像中呢？灰色。如果是真草坪，假彩色圖像中應該是什么顏色？紅色。咱們學校的假草皮在真彩色圖像中還能以假亂真，在假彩色圖像中就暴露無遺了。現在知道為什么調查人員能識破地方官員作假了吧。我們再來看看區體育館足球場草坪的真假。真彩色圖像中綠色，假彩色圖像中紅色，所以區體育館足球場草坪是真草坪。在實際工作中，研究人員往往會在遙感圖像中解譯出不同類型的地物，并制作成專題地圖以供研究使用，比如這幅北京市2010年地表覆蓋圖。應用遙感技術識別植被圖7 北京2010年地表覆蓋其實遙感技術不光能識別地物，還能統計某種地物的面積。比如這幅北京市2010年地表覆蓋圖中水體209 km2，濕地23 km2，人造地表2736km2，草地2731 km2，裸地2km2，耕地7908km2，灌木地9 km2，森林10277 km2。怎么統計出面積的呢？每幅遙感圖像都有自己的空間分辨率，而且分辨率越高圖像越清晰。比如，這幅圖像的空間分辨率是15m，也就是說圖上一個像素代表實地15m×15m的面積。（把一幅圖像不斷放大就能看見像素了）能統計出咱們學校假草皮的面積了吧？數點！試試！告訴我你的結果。標準足球場的面積應該是7140平方千米啊，誤差夠大的吧？這種誤差是什么原因造成的？分辨率太小。為什么分辨率小？太遠了。這已經是能夠免費獲得的最高分辨率衛星影像了！對于咱們學校操場這樣的超小區域研究，用衛星航天遙感能滿足要求嗎？那怎么辦？這就得靠它了！（展示飛行器）學校有專門獲取地面信息的實驗室，這是天眼航模社同學花了將近一年時間設計、組裝的六旋翼無人機。（展示視頻、圖像）這是他們前段時間試飛的成果（見圖8）。數點統計假草皮面積了解遙感圖像中面積的統計原理

2．4、遙感時空尺度圖8 學生自制飛行器和航空攝影測量圖像相比衛星航天遙感的圖像，無人機航空遙感的比例尺大多了，能輕松達到厘米級空間分辨率。現在你能再計算一下操場的面積嗎？數點數不過來了吧！當然，空間分辨率越高精度會越高，像素也會越多，單純依靠數點統計，令人崩潰，這時就要借助計算機系統強大的自動處理功能了。雖說用無人機研究學校比較好，但是如果要研究石景山、北京市、全國甚至全世界的植被覆蓋情況，我們的無人機能滿足要求嗎？不能。所以在實際工作中大區域的研究用衛星航天遙感，小區域的研究用飛機航空遙感，他們是互為補充的。其實，遙感能做的事情遠不止這些，如果動態來看，這項技術的意義更大。（就像數字星球正在演示的一樣）1972年Landsat系列第一顆衛星發射升空，40多年來Landsat系列衛星每16天就會掃描地球一遍，像人類的天眼一樣在太空中俯瞰著這顆藍色星球，獲取了大量地表數據。（播放視頻地球資源衛星觀測地球40年變遷）通過這些數據我們能夠洞察城市的變遷、農業的發展、雨林的縮減……圖9 巴西朗多尼亞州杰莫里河上塞繆爾水壩的地球資源衛星照片。左圖是1984年情景，右圖是2011年情景。也許只有從上帝的視角，人類才會被雨林的破壞程度所震撼，提高對地理環境的認識，隨著認識程度的加深，反思人類可以多大程度改變地球的面貌，重新思考人地關系。思考遙感監測中的時空尺度（展示全球30米地表覆蓋）網址：http://www．globeland30．org/Chinese/GLC30Download/index．aspx為了研究這種全球的變化，我國科學家利用這些數據歷時四年，研制了全球30米分辨率的地表覆蓋信息平臺，并且作為中國贈與聯合國氣候峰會的禮物，分享給全人類使用。不同類型覆蓋可以分類提取，并精確計算出面積，告訴你哪個地區地表水最豐富，哪個地方的森林覆蓋率最高，哪里的耕地最多。不僅如此，通過2000年和2010年兩個年份數據的對比，你將看到世界每個角落這十年的變遷。

* 本文系北京市教育科學“十三五”規劃2016年度青年專項課題“中學跨學科教學實踐基地的開發研究——以八大處及其附近地區為例”（課題編號：CCDA16115）的研究性成果。