開源軟件輔助下“微波遙感”實(shí)踐教學(xué)改革與探索

王志勇

(1. 山東科技大學(xué)測繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590;2. 山東科技大學(xué)測繪工程國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，山東 青島 266590)

開源軟件輔助下“微波遙感”實(shí)踐教學(xué)改革與探索

王志勇1,2

(1. 山東科技大學(xué)測繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590;2. 山東科技大學(xué)測繪工程國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，山東 青島 266590)

針對“微波遙感”教學(xué)中存在的學(xué)生動手能力差、實(shí)踐能力培養(yǎng)欠缺等問題，探索利用開源軟件進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)輔助的教學(xué)改革。分析了開源軟件在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)缺點(diǎn)，介紹了微波遙感中常用的開源軟件及主要功能。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一套開源軟件輔助下的“微波遙感”實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目，建立了標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集，編寫了實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)材料，并通過百度云盤等方式實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)共享。通過教學(xué)改革，拓展了學(xué)生的實(shí)踐教學(xué)途徑，提高了學(xué)生的實(shí)踐動手能力及微波遙感數(shù)據(jù)處理能力。

微波遙感；實(shí)踐教學(xué)；開源軟件；教學(xué)改革

微波遙感是遙感科學(xué)技術(shù)的一個重要分支，主要利用微波傳感器接收地面各種地物反射或散射的微波信號，借以識別、分析地物，提取所需的信息[1]。微波傳感器主要包括合成孔徑雷達(dá)(SAR)、散射計、高度計、輻射計等。由于微波遙感的全天候、全天時等優(yōu)勢，已經(jīng)在測繪、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、海洋等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。

為了培養(yǎng)高素質(zhì)的微波遙感領(lǐng)域人才，目前國內(nèi)多所高校在遙感科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)開設(shè)了“微波遙感”課程[2- 4]，但在“微波遙感”的實(shí)踐教學(xué)中還存在很多問題：

(1) 沒有專門的商業(yè)軟件系統(tǒng)。微波遙感發(fā)展迅速，近年來雖然也推出了一些商業(yè)軟件，如GAMMA、Earthview InSAR、SARScape等，但這些軟件價格比較昂貴，并且主要是為了滿足某一方面的需求而研發(fā)的，軟件功能有一定的局限，還沒有專門服務(wù)于“微波遙感”實(shí)踐教學(xué)的商業(yè)軟件。

(2) 經(jīng)費(fèi)投入不足。學(xué)生數(shù)量較多，一般需要70～80套軟件才能滿足正常的實(shí)踐教學(xué)需求，而目前本科教學(xué)中普遍存在教學(xué)經(jīng)費(fèi)不足的問題。

(3) 缺少針對性訓(xùn)練，學(xué)生動手能力差。目前，在“微波遙感”教學(xué)中一般是安排36學(xué)時的課堂教學(xué)，缺少專門的、針對性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，致使學(xué)生的動手能力普遍較差，對“微波遙感”的基本理論理解得也不夠深入。而“微波遙感”是一門實(shí)踐性和應(yīng)用性都很強(qiáng)的學(xué)科[2]，必須加強(qiáng)“微波遙感”實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)，使實(shí)踐環(huán)節(jié)與課堂理論教學(xué)緊密聯(lián)系起來，切實(shí)提高學(xué)生的動手實(shí)踐能力及創(chuàng)新能力。

(4) 編程開發(fā)能力較差，創(chuàng)新能力培養(yǎng)欠缺。雖然面向遙感科學(xué)與技術(shù)的本科生開設(shè)了多門程序設(shè)計的課程，但從目前的教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生的編程開發(fā)能力普遍較差，對“微波遙感”中的一些關(guān)鍵算法難以編程實(shí)現(xiàn)，這主要是缺少專門的專業(yè)編程訓(xùn)練所致。

針對以上問題，在分析“微波遙感”實(shí)踐教學(xué)中存在問題的基礎(chǔ)上，以“微波遙感”課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，提出基于開源軟件輔助的實(shí)踐教學(xué)，構(gòu)建基于開源軟件的實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目，拓寬學(xué)生課下自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的渠道，進(jìn)而提高學(xué)生的實(shí)踐動手能力、綜合分析問題能力、科學(xué)研究能力和創(chuàng)新意識。

1 開源軟件及優(yōu)勢

雖然針對SAR數(shù)據(jù)處理推出了商業(yè)軟件，如GAMMA、Earthview InSAR等[11]，但更多的研究人員在使用開源軟件，開源軟件在科學(xué)研究及實(shí)驗(yàn)教學(xué)中都有不可替代的地位。

1.1 什么是開源軟件

開源軟件指的是開放源代碼(open source)的軟件，其源代碼可被公眾使用，并且軟件的使用、修改和分發(fā)也不受許可證的限制[5- 6]。即源代碼公開、可以免費(fèi)使用及擴(kuò)充的軟件。開源軟件一般在Unix/Linux操作系統(tǒng)下運(yùn)行得比較多，最初大多是在Linux操作系統(tǒng)上開發(fā)的，后來有一些也移植到Windows操作系統(tǒng)下。

1.2 開源軟件的優(yōu)勢及劣勢

免費(fèi)是開源軟件的最大優(yōu)勢，這正好可以彌補(bǔ)在實(shí)踐教學(xué)中經(jīng)費(fèi)投入不足的問題，可以方便學(xué)生學(xué)習(xí)使用。另外一個比較大的優(yōu)勢是可以方便地擴(kuò)展功能，由于軟件的源代碼已經(jīng)開放共享，學(xué)生可以在這個基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步的開發(fā)設(shè)計，擴(kuò)充一些數(shù)據(jù)處理功能。

但是因其是由非營利性組織或個人開發(fā)的，難免會存在一些問題，如軟件系統(tǒng)存在穩(wěn)定性差、沒有免費(fèi)的技術(shù)支持、缺少相應(yīng)的技術(shù)指導(dǎo)材料等，這就需要對開源軟件進(jìn)行深入研究，解決軟件運(yùn)行中存在的問題，建立專門的指導(dǎo)材料及使用說明等。

1.3 微波遙感中主要的開源軟件

在微波遙感數(shù)據(jù)處理中，科研人員針對某一方面的研究及應(yīng)用推出了一系列的開源軟件，如歐空局研發(fā)的NEST、荷蘭代夫特大學(xué)研發(fā)的Doris等，表1列出了一些微波遙感數(shù)據(jù)處理中常用的開源軟件。

表1 常用的微波遙感數(shù)據(jù)處理的開源軟件

2 開源軟件主要功能介紹

2.1 Doris軟件

Doris軟件是荷蘭代夫特大學(xué)radar小組開發(fā)的一款專門用于雷達(dá)干涉測量處理的開源軟件，能完成從原始SAR復(fù)影像讀取、配準(zhǔn)、重采樣、干涉圖生成、去平地效應(yīng)、相位解纏(需借助SNAPHU開源軟件)、地理編碼等功能，能滿足InSAR數(shù)據(jù)處理的需要，目前可支持的星載SAR傳感器有：ERS- 1/2、ASAR、PALSAR、TerraSAR等。該軟件只能運(yùn)行在Linux環(huán)境下，建議使用者安裝雙操作系統(tǒng)(Windows+Linux)或工作在Cygwin下，Cygwin是一個在Windows平臺上運(yùn)行的類Unix模擬環(huán)境。

Doris軟件的官方下載網(wǎng)址為：http:∥doris.tudelft.nl/。

2.2 NEST軟件

NEST軟件是 Next ESA SAR Toolbox的簡寫，是歐空局基于GUN GPL協(xié)議發(fā)布的一款用于SAR數(shù)據(jù)的讀取、處理、分析與顯示的開源軟件[12]，主要功能包括輻射校正、斑點(diǎn)噪聲濾除、多視處理、配準(zhǔn)、幾何校正、雷達(dá)干涉測量數(shù)據(jù)處理、溢油監(jiān)測、風(fēng)速場反演等，目前可支持的星載SAR傳感器有：ERS- 1/2、JERS- 1、ENVISAT ASAR、ALOS PALSAR、TerraSAR- X、 Radarsat 1/2、 COSMO- SkyMed、Sentinel- 1A等。

NEST軟件的官方下載網(wǎng)址為：https:∥earth.esa.int/web/nest/home。

2.3 PolSARPro軟件

PolSARPro軟件是The Polarimetric SAR Data Processing and Educational Tool的簡寫，是歐空局推出的專門用于極化SAR教育教學(xué)的一款軟件[13]，可以完成極化SAR數(shù)據(jù)的讀取、極化SAR濾波、極化SAR目標(biāo)分解、極化SAR分類等功能，目前可支持的星載SAR傳感器主要有：SIR- C、ASAR、PALSAR、Radarsat- 2、TerraSAR等。

PolSARPro軟件的官方下載網(wǎng)址為：https:∥earth.esa.int/web/polsarpro。

2.4 BRAT軟件

BRAT是Basic Radar Altimetry Toolbox的簡寫，是歐空局和法國CNES推出的用于高度計數(shù)據(jù)處理的工具，主要功能包括波形分析、高度重跟蹤、海洋表面高度SSH解算等，支持的高度計系統(tǒng)主要有：RA1、RA2、T/P、Jason- 1、Jason- 2、Cryosat- 2等。

BRAT軟件的官方下載網(wǎng)址為：http:∥www.altimetry.info/toolbox/。

3 開源軟件輔助下的“微波遙感”實(shí)踐教學(xué)

3.1 基于開源軟件的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計

根據(jù)“微波遙感”課程教學(xué)體系，結(jié)合現(xiàn)有的開源軟件，構(gòu)建了10個專題的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，具體見表2，實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的建立一方面考慮了基礎(chǔ)性，另一方面突出了微波遙感技術(shù)的應(yīng)用及最新發(fā)展技術(shù)。根據(jù)培養(yǎng)的需要，將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分為必做與選做，必做實(shí)驗(yàn)是為完成基本的數(shù)據(jù)處理能力培養(yǎng)而設(shè)計的，選做實(shí)驗(yàn)是考慮到學(xué)生能力的差異，為了進(jìn)一步提高學(xué)生的綜合分析問題和創(chuàng)新意識而設(shè)計的。

表2 建立的10個專題的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目

創(chuàng)新能力、創(chuàng)新意識的培養(yǎng)是當(dāng)前本科教學(xué)改革的一個重點(diǎn)[7- 9,14- 15]，為了加強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)，可以選拔部分優(yōu)秀的學(xué)生，基于開源軟件進(jìn)行程序設(shè)計與軟件開發(fā)方面的培養(yǎng)，特別是通過開放的源代碼學(xué)習(xí)關(guān)鍵的數(shù)據(jù)處理算法，在此基礎(chǔ)上，再編寫微波遙感數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵算法的代碼，實(shí)現(xiàn)微波遙感數(shù)據(jù)處理中的某項(xiàng)功能，進(jìn)而提高學(xué)生的編程開發(fā)能力及創(chuàng)新意識。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集及實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)材料的構(gòu)建

根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置，收集相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集，建立了一批標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集，主要包括星載SAR數(shù)據(jù)、高度計數(shù)據(jù)。SAR數(shù)據(jù)方面包括了主流的星載系統(tǒng)，如ERS- 1/2、ENVISAT ASAR、Radarsat- 1/2、ALOS PALSAR、TerraSAR等，包括了不同空間分辨率(100 m、30 m、10 m、3 m、1 m)、不同極化方式(單極化、交叉極化、全極化)、不同視角、不同時相的遙感數(shù)據(jù)；高度計數(shù)據(jù)主要以T/P衛(wèi)星、Jason- 2、Cryosat- 2為主。學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，可以掌握對主流微波傳感器的數(shù)據(jù)處理方法。

在此基礎(chǔ)上編寫了“微波遙感”實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱及詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)指導(dǎo)材料，每個專題的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)材料主要包括以下幾個方面的內(nèi)容，如圖1所示。

圖1 專題實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)材料內(nèi)容構(gòu)成

3.3 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的分發(fā)與網(wǎng)絡(luò)共享

借助于學(xué)校的資源共享平臺，可以將建立的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源進(jìn)行共享，學(xué)生可以方便下載學(xué)習(xí)，進(jìn)而可以在課下實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)，完成相關(guān)的實(shí)驗(yàn)任務(wù)。另外，由于雷達(dá)數(shù)據(jù)的存儲量一般都非常大，需要解決大數(shù)據(jù)的共享與快速下載問題，針對這一問題，借助于百度云盤等專用網(wǎng)絡(luò)共享軟件進(jìn)行資源的共享與發(fā)布，可實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)的快速下載，并且可實(shí)現(xiàn)向特定用戶的私密共享，保證了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及資源的相對安全[10]。

4 結(jié) 語

通過對“微波遙感”的實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行研究，形成了較完整的實(shí)踐教學(xué)體系，特別是基于開源軟件構(gòu)建了10個專題性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，建立了一套專門用于“微波遙感”實(shí)踐教學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集，編寫了配套的實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱及實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)材料，可以供遙感科學(xué)與技術(shù)、測繪工程等相關(guān)專業(yè)的學(xué)生課下實(shí)習(xí)實(shí)驗(yàn)使用。通過教學(xué)改革，拓寬了學(xué)生的實(shí)踐教學(xué)的空間，可以很好地彌補(bǔ)當(dāng)前“微波遙感”課程沒有專門的實(shí)踐教學(xué)的問題。通過實(shí)踐教學(xué)，提高了學(xué)生的微波遙感數(shù)據(jù)處理能力和創(chuàng)新意識。

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Reforming of the Practice Teaching in the Course of Microwave RemoteSensing Assisted by Open Source Software

WANG Zhiyong1,2

(1.College of Geomatics, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China; 2. National Demonstration Center for ExperimentalSurveying and Mapping Education(Shandong University of Science and Technology), Qingdao 266590, China )

In view of the problems existing in the teaching of microwave remote sensing, such as the lack of practical ability and the lack of data processing ability training, we reformed the practical teaching for the course of the microwave remote sensing assisted by open source software. Firstly, it analyzed the advantages and disadvantages of open source software in experimental teaching. Then, it introduced the open source software and their main functions in the course of the microwave remote sensing. Then, a set of practical teaching projects of microwave remote sensing assisted by open source software were constructed. The standard experimental data set were established and the guidebook materials for the experiments were compiled. The experimental data and materials were shared through the network, such as the Baidu cloud disk and other ways. Through the teaching reform, it can extend the ways to practical teaching for the students. And it can improve the students' practical ability and data processing ability for the microwave remote sensing.

microwave remote sensing; practice teaching; open sources software; teaching reform

2016- 03- 14；

2016- 06- 27

山東科技大學(xué)教育教學(xué)研究“群星計劃”項(xiàng)目(qx2013306)；山東科技大學(xué)優(yōu)秀教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)計劃(JXTD20160502) 作者簡介： 王志勇(1978—)，男，博士，副教授，從事微波遙感、數(shù)字?jǐn)z影測量等方面的研究。E- mail：wzywlp@163.com

王志勇.開源軟件輔助下“微波遙感”實(shí)踐教學(xué)改革與探索[J].測繪通報，2017(3)：137- 140.

10.13474/j.cnki.11- 2246.2017.0104.

G64

A

0494- 0911(2017)03- 0137- 04