ENVI軟件開發競賽促進遙感專業教學的實例研究

王乾龍 張英

【摘要】：遙感技術目前在我國農林漁業等諸多領域應用非常廣泛且深入，因此許多高校的非遙感專業也紛紛開設遙感課程。通過多年遙感教學實踐探索，對無測繪學科背景的非遙感專業本科生，如何有效提高學生學習遙感的積極性和掌握專業術語的理解力，是本教學改革研究的關鍵內容。本文以西藏大學15級地理科學班和西藏農牧學院15級自然地理與資源環境班為例，分析當前遙感教學中存在的共性問題，提出適合于非遙感專業本科生的教學改革措施并在兩所大學進行實踐，有效提高遙感教學質量。

【關鍵詞】：遙感 教學 改革 ENVI

遙感技術作為地理空間信息科學的核心技術，其在農業、林業、漁業、國土資源、城鄉建設以及測繪等方面都得到了廣泛的應用。近幾年其社會實用價值和學術價值因遙感技術的成熟快速發展得以顯著提升，并展示出廣闊的應用前景，許多領域急需遙感專業性人才來推動遙感技術的應用。目前我國已有一百多所高校順應社會潮流紛紛開設遙感專業課程。但與傳統地理學專業不同的是，按照教育部發布的《普通高等學校本科專業目錄（2012）》，遙感科學與技術專業屬于工學測繪類。一些高校在開設遙感課程時，因本科生相關專業方向偏向人文地理學、地理師范等非測繪類學科，并未考慮到測繪工程、大地測量學等相關專業課程的同步開設，導致學生在無測繪背景知識的前提下學習遙感課程，專業術語理解費時費力，不知道教師課堂所云，知識點理解片面化，很難形成屬于自己的知識網絡體系。而與遙感應用相關的課程范圍較廣，涉及面也較大，面面俱到顯然不現實。本文根據上述情況，結合筆者近幾年對非測繪遙感專業本科生的教學經驗及改革方案的實施情況，以西藏大學15級地理師范班41位本科生和西藏農牧學院15級自然地理與資源環境班32位本科生為例，論述ENVI遙感軟件開發競賽及實例操作應用對學生學習遙感課程的促進作用。

1、非遙感專業本科生遙感教學中存在的共性問題

1.1 學生對遙感課本中許多名詞感到陌生，無法理解

從不同班級多次遙感教學情況來看，學生相關基礎知識匱乏是理解遙感課本中專業名詞困難、無法在頭腦中形成具體可感知的形象的重要原因之一。學生往往表現出對概念的理解感到抽象模糊，知識斷層不連貫，知識點支離破碎無法整合在一起，繼而造成學生課堂聽講效率低下，課下更不愿意主動學習的惡性循環情況的發生。

遙感課程涉及到的學科廣泛，內容交叉。相關基礎知識主要有測繪工程中的地理投影基本原理、地面控制點等基本知識，物理學中的電磁學部分內容，天文學中衛星運動軌道等內容，高等數學中數理統計、卷積運算計算機科學中的圖像識別、數據存儲格式等方面。因此，學生背景知識的匱乏造成其想理解透徹所學內容并非易事，往往知其然而不知其所以然。如電磁波譜的概念，在遙感課程中不僅要求對電磁學有所掌握，而且還要理解不同波長電磁波在遙感探測應用中的不同作用，這與波譜中不同波長的波段功能密切相關，又能進一步關聯到像元亮度值、大氣窗口等概念。學生不理解電磁波譜是什么，就無法對遙感知識進行前后關聯，所學也就一盤散沙，僅僅知道有這么一個名詞而已。

1.2 課堂缺乏遙感教學主線，僅按照課本章節進度教學

教師按照自己的教學進度有條不紊的進行遙感每一章節的依次教學，本身并沒有問題。問題在于學生每一章節都有很多難以理解消化的知識點，并且對前后內容無法關聯理解，知識點破碎無法整合。因此學生學習過程中并不知遙感的具體應用價值是什么，有種“不識廬山真面目，只緣身在此山中”的感覺。

教學主線的缺失導致課堂教學內容形而上，并非一種有機統一的整體。學生學習過程中非常想知道這一章節在某些遙感具體應用中有什么用，為什么要學習這個知識點。如果教師能夠抓住遙感在社會生產某領域中具體應用這一主線，在每節課中首先詳細介紹這節課知識點在遙感應用中具體發揮什么作用，學生能夠對遙感知識結構提前思路清晰，就能積極調動學生學習的興趣，從而帶動遙感教學的連貫性，讓學生清清楚楚認識到自己今天所學的內容在遙感實際應用中能夠發揮怎樣的價值。

2、遙感教學改革措施：

2.1ENVI遙感軟件實例操作促進遙感理論學習

遙感教材中的許多專業術語如果僅僅靠教師逐步解釋、學生識記的方式，是很難做到連貫學習、網絡化遙感專業知識。因為學生對專業術語難以有直觀的、可視化的感知和理解，造成學習的知識具有離散性、碎片性、易遺忘等特點。因此，必須有能夠縱觀遙感教材內容并且可以實踐操作的具象事物，如利用遙感影像對森林火災面積提取和火災等級分析，通過這個具體可感知的操作來使學生明白整體操作過程中所涉及到遙感課本中哪些章節哪些知識點，加深學生的直觀印象，提高學生學習遙感的學科興趣。

實例操作必然依靠功能強大的遙感軟件來實施完成。ENVI（The Environment for Visualizing Images）是由遙感領域的科學家采用交互式數據語言IDL（Interactive Data Language）開發的一套功能強大的遙感圖像處理軟件。以利用遙感影像對森林火災面積提取和火災等級分析實例操作促進學生學習遙感專業知識為例。首先要讓學生明白如何下載遙感影像數據，下載到的不同衛星不同波段類型的遙感影像數據有什么區別，利用ENVI軟件進行遙感影像文件的衛星信息、存儲格式等信息讀取。這就涉及到了遙感教材中遙感的特點、大氣窗口、不同遙感衛星的特點、遙感影像存儲方式等知識點。其次對遙感影像進行裁剪、幾何輻射校正等操作。對應于遙感教材中幾何校正、輻射校正等知識點，可以讓學生一目了然為何要進行幾何輻射校正，校正前后兩幅遙感影像的差異可視化展現在學生面前，讓學生對遙感教材中的章節知識點有了直觀感受。最后的遙感影像增強處理和火險等級分析，涉及遙感教材中對比度和空間特征處理、歸一化植被指數、監督非監督分類、密度分割、圖像時間序列分析等內容。完整實例操作演示，學生能夠整體把握遙感教材中的不同章節知識內容，它們是統一的有機整體，絕不是分裂孤立存在于每頁中。

筆者認為遙感教師教學過程中，尤其是對背景知識薄弱的非遙感專業學生教學，應該主動打破遙感教材中章節按部就班的編寫模式，通過幾個實例分析的操作，邊操作邊與課本知識內容對應著介紹，能夠有效促進學生理解陌生的專業術語，同時提高學生學習遙感知識的興趣，化抽象為具體，變文字為可視。同時每個章節內容具體講解過程中，找到對應的實例多次操作演示，學生動手能力提高同時也真正學會了遙感知識。

2.2ENVI二次開發的功能實現促進遙感教學主線靈活多樣

操作ENVI軟件實現遙感經典實例對促進遙感教材基本內容教學有顯著幫助，但對遙感知識的精通掌握以及靈活應用還缺乏創新性。基于IDL語言的ENVI軟件二次開發，能夠實現許多自定義函數功能，從而完成一些ENVI菜單無法操作的、自定義的遙感分析實例。

筆者于2018年開始指導15級地理科學班幾位感興趣的學生參加ESRI杯中國大學生ENVI軟件二次開發競賽，雖然第一年參賽沒有按時完成作品，但幾位學生在遙感專業上的思維能力都顯著提高，在探討問題時能夠提出許多專業性強的、具有一定挑戰難度的問題，并能夠主動在課下查閱資料，自主尋找問題答案。學生們結合身邊遇到的環境問題，提出利用ENVI軟件二次開發實現拉薩河水質監測反演，預期實現利用多時相遙感影像分析拉薩河水質污染情況快速分析的功能，并能生成基于遙感影像的水體污染分類等級圖。

雖然一個班級只有少數學生最終參加ENVI二次開發競賽，但學生在班級中的學習氛圍影響力要高于教師短暫的課堂教學。學生們能夠帶動周圍學生的遙感學習熱情，主動幫助其他學生探索問題的答案，使短暫的課堂熱度延伸到宿舍，延伸到學生自習時間。潛移默化中提高了遙感教學的覆蓋范圍和時間效率。

ENVI二次開發實現具體功能，使得遙感教材里分散的原理和術語被學生們在需要的時候翻閱查找出來，直接轉化為實用的指導信息，同時還能不拘泥于一個教材，從圖書館、網絡中尋找相關信息。這樣靈活多樣的遙感學習方式讓學生自己發散思維，自主尋找答案，不僅印象深刻，而且能透徹應用。

3. 結束語

為提高非遙感專業學生遙感教學質量，結合近幾年給不同非遙感專業班級遙感教學過程中遇到的困難及共性問題，以西藏大學15級地理科學班41位本科生和西藏農牧學院15級自然地理與資源環境班32位本科生為教學改革研究對象，實施ENVI軟件實例操作指導遙感教材專業理論學習、參與ENVI二次開發競賽的教學改革方法，探討該方法在遙感教學中的實際效果。對兩所學校兩個班級共73位學生2018年7月遙感期末考試成績分析，發現兩個學校的兩個班級學生成績都有明顯提高，尤其是對開放性題目的作答，不完全拘泥于教材內容，有學生自主思考的部分。

遙感教材僅作為參考，學習目的是為了解決實際問題。通過教師和學生的應用實踐，學習遙感成為學生們感興趣的事。同時要培養能夠將理論與實踐相結合、具有解決應用領域實際問題能力的人才，保證他們就業所需的基本技能[6]。遙感教學是一項涉及多門學科交叉，專業性極強，與地理信息系統和GPS衛星定位等課程緊密結合的工作，如何針對不同學習能力的學生設計多元化、差異化教學模式，對培養遙感專業技術人才、滿足社會單位用人需求至關重要，也是今后教學過程中不斷探索和研究的內容。

【參考文獻】

【1】 吳學睿. 高校遙感課程教學改革的探索與思考[J]. 赤峰學院學報（自然科學版），2013，29（10）：247-248.

【2】 王橋，楊一鵬，黃家柱. 環境遙感[M]. 北京：科學出版社，2005.

【3】 陳文波. 非遙感專業遙感課程教學面臨的問題與解決途徑[J]. 實驗科學與技術，2016，14（4）：117-120.

【4】 劉沛. 遙感實踐教學方法探討[J]. 中國地質教育，2014，1：76-79.

【5】 鄧書斌，陳秋錦，杜會建，等. ENVI遙感圖像處理方法[M]. 北京：高等教育出版社，2014.

【6】 閔愛蓮，項磊. 《遙感原理與應用》實驗教學改革探索[J]. 地理空間信息，2015，13（6）：175-176.

基金項目：西藏大學2017年教學研究與改革項目（XZDXJXYJ201712）；2015年中西部高校綜合實力提升項目（遙感原理應用課程提升）