“遙感數字圖像處理”應用型課程改革研究*

殷學永，李京忠

（許昌學院城鄉規劃與園林學院，河南 許昌 461000）

1 “遙感數字圖像處理”課程概述

“遙感數字圖像處理”是地理信息科學專業的一門專業基礎課，注重學生實踐能力的培養。該課程是隨著計算機技術發展起來的新興交叉學科，遙感數字圖像處理技術的興起和發展，為人們進行土地資源開發、研究環境狀況、研究全球變化提供了新的認識途徑。許昌學院從2002年招生地理信息技術專科開始設置本課程為專業基礎課，很多學生已通過該課程的訓練進入了遙感圖像處理的行業。許昌學院升本以后，分別于2006年和2009年增設了地理信息系統（2013年改名為地理信息學科學）和測繪工程兩個專業，“遙感數字圖像處理”作為專業基礎課程在這兩個專業里開設。這門課程主要是使學習者了解遙感圖像處理的基本原理，獲得利用數字圖像進行數據分析、處理和應用的基本技能。通過本課程的學習，學生應了解和掌握遙感圖像校正處理、遙感圖像頻域變換、數字圖像增強、計算機分類以及精度分析的原理、方法和技術流程，了解和掌握當前遙感圖像處理軟件的基本功能，培養學生能夠在遙感圖像處理分析、圖像輻射校正和增強、信息提取等方面從事相關技術工作和研究的探索。

隨著應用型辦學思路的確定，地理信息科學專業在該思路的指導下，逐步進行核心課程的改革，“遙感數字圖像處理”課程組老師也進行了積極的探索，在學校教務處的大力支持下，依托校級教研項目“遙感教學實習與精準農業相結合的框架研究”和“基于項目驅動式的遙感圖像處理教學研究”取得了一些應用型案例成果，并把相關研究成果應用在課堂教學中，獲得了多屆學生的好評。隨著畢業生的增加，根據從事遙感圖像處理方面畢業生的反饋信息，以及與各個相關行業公司進行積極接洽，課題組從2016年開始推動實踐教學與產業項目相融合，打造理論與實踐一體化的教學模式，在傳統教學的基礎上，增加了單項技能訓練、綜合技能訓練和生產項目實訓等教學環節。為使學生能夠從事遙感圖像獲取、遙感圖像預處理、遙感信息提取等相關工作，圍繞遙感信息提取生產過程重構了教學項目，根據教學項目開展課程教學。按照學院重技能、重實踐、拿證書的要求，課程組根據全國大學生GIS 應用技能大賽、全國信息化工程師等考核要求，歸納總結了核心知識考點和關鍵技能，并在教學過程中展開針對性的專項訓練。

2 “遙感數字圖像處理”課程開發與設計思路

2.1 課程開發

課程開發的核心是重構理論和實踐模塊，以項目為整體打造理論學習與實踐操作一體化的課程單元體系[1]。在此思想指導下，課題組成員聯合企業工程師進行多次研討，就課程內容體系的知識深度和寬度與行業人才需求進行解析，將學生的理論知識學習與職業能力培養融為一體，打造教學任務目標[2]。遙感圖像處理的相關工作首先要根據項目需求選擇合適的數據源，并根據所選擇數據源確定數據處理的方法和信息提取技術，完成遙感信息的識別提取，并形成專題地圖制圖輸出，在專題圖上進行相關信息統計。

課程組成員在合作企業工程技術人員的協作下，將遙感圖像處理的工作過程總結為以下4 個環節：影像的準備→預處理→遙感信息識別→遙感信息提取。

1）影像的準備：結合項目需求選擇合適數據，根據數據確定處理方法以及所需工具，進行總體設計和制定遙感圖像處理過程，并形成指導文件，指導遙感圖像處理和信息提取的整個流程。

2）預處理：根據影像類別和成像條件，有選擇性地進行圖像拉伸、輻射校正和幾何校正，并根據圖像質量選擇圖像變換或濾波處理來增強圖像信息，為遙感信息提取提供較好質量的遙感影像。

3）遙感信息識別：利用圖像分割、圖像分類或面向對象的提取方法對地物信息進行遙感識別，為下一步遙感信息提取提供基礎圖斑。

4）遙感信息提取：根據基礎圖斑和遙感影像覆蓋地區地物類型特征確定地物信息并形成統計數據，然后形成遙感信息專題圖。

2.2 課程設計理念

基于“工作過程”進行課程開發，培養學生實踐動手的能力，把理論知識與實踐技能融入工作過程，將學生培養成為一名合格的遙感圖像處理工程師[3]。核心設計理念主要在以下4 個方面。

1）以企業需求為標桿。遙感數字圖像處理課程針對遙感圖像處理工程師、遙感圖像算法工程師和遙感圖像處理開發工程師崗位。本課程的培養目標是根據企業招聘需求，在圖像校正、圖像增強、遙感信息識別與提取等理論和技能的培養上重構教學內容，組織教學任務，實施教學過程。

2）緊扣“工作過程”。依據企業崗位需求設置職業能力培養目標，以合作企業提供的工作項目或任務為基礎，設計教學項目；按照遙感影像的準備→預處理→遙感信息識別→遙感信息提取進行教學情境設計；遵循認識和學習規律，從簡單到復雜組織課程教學。

3）以項目任務為載體。依托合作企業遙感圖像處理和信息提取的生產任務設置項目任務，并重構教學內容，實施教學任務，組織教學活動[4]。

4）教師領航，學生為體。在實施教學任務和組織教學活動的過程中，教師作為領航員積極引導學生的學習和實踐，同時要突出學生作為學習實踐主體的重要性，引導和鼓勵他們積極主動地學習。

2.3 課程設計目標

本課程的總體設計思路是將傳統的以課本章節體系知識為主線構建的學科型課程模式轉變為以能力為主線、以任務引領知識、以生產過程組織教學的應用型課程模式。

本課程以學生為主體，以就業為導向，以能力為本位，以崗位需要和職業標準為依據，滿足學生職業生涯發展需求，適應國土資源、城市規劃、房產、測繪、軍事等遙感數據獲取、遙感數據處理、遙感圖像增強、遙感信息識別與提取等崗位的需要。在邀請行業專家對遙感圖像處理行業所涵蓋的崗位群進行任務與職業能力分析的基礎上，以職業能力為依據設計整合課程內容，基于生產過程按序展示教學內容，邊學邊練，通過集中實訓方式強化教學內容，培養學生圖像獲取與處理、信息識別與提取的基本技能，達到遙感圖像處理各個崗位的技能要求。

基于工作流程進行課程開發，以提高學生綜合實踐能力為目標，以遙感影像處理為中心展開，將影像獲取與預處理流程、遙感圖像信息提取與分析流程貫穿于理論知識學習中[5]，培養能夠以認真負責的態度從事遙感圖像處理工作的一線工程技術人員。通過本課程的教學與實習，達到以下目標：一是能根據應用確定合適的影像數據；二是能對影像進行校正；三是能對影像進行增強顯示；四是能利用分割和分類的方法提取遙感信息；五是能進行影像專題圖制作和輸出。該課程的目標制定從理論知識、實踐技能和專業態度3 個方面保障了寬基礎、高技能、厚人品的學生培養要求。

3 “遙感數字圖像處理”課程教學內容設計

3.1 學習情境構建

根據本課程的教學內容，確定了3 個不同的學習情景：植被信息提取、水體信息提取和土地利用提取。遙感信息提取的目標不同，其所用數據源就不同，所涉及到的技術方法的難易程度也就不同。3 個情景所用數據量由少到多，技術難度逐漸增加；情景一植被信息提取所用數據為2 個波段，技術方法相對簡單些；情景二水體信息提取所用數據為4 個波段，技術方法在植被信息提取的基礎上又增加了一些難度；情景三梯度利用提取所用數據為7 個波段，技術方法覆蓋了遙感信息識別和提取的所有內容，因此，3 個情景是逐漸遞進的關系。

利用合作企業單位提供的項目對3 個不同的情景展開教學，相關內容如下所示：情景1 根據沈陽應用生態研究所的合作項目“東北地區植被覆蓋信息遙感提取與分析”，基于MODIS 數據和Landsat數據提取東北地區植被覆蓋信息；情景2 根據蘇中中科天啟遙感科技公司的合作項目“太湖水域面積遙感監測”，基于Landsat 數據提取太湖水體信息；情景3 根據中科宇圖科技公司河南分公司“鄭州市土地利用遙感解譯”，基于Landsat 數據提取鄭州市土地利用類型信息。

3.2 教學內容重構

根據工作過程，將原來的教學內容進行重構，知識的總量沒有發生改變，只是將知識分散到不同的教學情景中，見表1。

表1 教學內容重構

4 課程教學組織

課程教學組織活動緊緊圍繞遙感圖像處理的內容進行，課程設計包括課前準備階段、遙感信息識別與提取階段和成果評價階段3 個部分[6]。課前準備環節是否充分決定了這次課程教學質量的高低，只有充分的準備工作才能保障課程任務一體化訓練的順利完成。課程組老師根據班級學生的專業特點和前期支撐課程的學習情況，有針對性地設置理論學習計劃和實踐操作任務。

4.1 課前準備階段

課前準備階段要求教師在實習課程開始前做好相關準備工作，包含兩項內容。

1）遙感信息提取任務設計。選取遙感信息提取任務時，要緊扣畢業要求，根據課程教材內容，結合生產任務需求，設計遙感信息提取任務。另外要根據工作區面積大小有針對性地選擇數據源，保證學生實踐課時量的同時還要考慮計算機對數據處理的承受能力，避免數據計算量超出計算機硬件或軟件的承受力而造成課題訓練效果差、學生等待時間長，達不到教學任務目標的結果。遙感信息提取任務設計的內容包括確定信息目標和所在區域、布置遙感數據預處理和信息提取內容、確定實習軟件和輔助工具等。

2）學習實踐任務分工。根據學生人數和工作量大小以及學習實踐任務的選擇情況，將學生按一定數量分成若干小組，為每個小組和小組的每個學生合理分配工作量。在分工過程中，要保持分工的合理性，并根據實際情況及時作出調整，保證每個學生都能得到鍛煉。課前準備階段內容見圖1。

4.2 遙感信息識別與提取階段

遙感信息識別與提取任務布置完成后，由教師指導學生申請遙感影像數據和工作區輔助數據及背景信息，并結合企業實際生產要求提出數據處理的規劃和質量標準，然后由學生以小組為單位自主上機進行遙感信息的識別和提取。對于在實習過程中遇到的問題，教師應引導學生查閱相關資料獨立解決，培養其自主學習能力。在遙感信息識別和提取階段，教師按照遙感數據獲取、輔助數據和信息收集、遙感影像預處理、信息識別和目標提取、檢查與評價、成果輸出的流程，逐步引導學生進行實踐操作。

圖1 課前準備階段內容

1）數據準備階段。根據目標地物提取的要求，確定遙感數據；根據確定的遙感數據，申請下載或者購買遙感數據，并通過遙感數據的頭文件或元數據制定預處理和信息識別方法。在這個過程中讓學生通過申請下載數據有獲得感，進一步激發學生對遙感目標地物信息提取的興趣。由教師引領學生收集工作區域的道路、地形、區劃、人口分布、統計年鑒、社會調查等相關的輔助數據和信息，進一步加深學生對影像的理解和認知，便于后期對目標地物的識別和提取。

2）遙感處理階段。學生根據影像質量，通過輻射校正、幾何校正、圖像增強完成數據預處理，為遙感信息識別提供空間坐標準確、圖像顯示清晰、目標地物明顯的遙感影像。根據分工完成信息識別和目標提取的任務，這個階段由學生獨立完成，學生之間可以相互討論和幫助，教師可以對大家遇到的共性問題進行指導。

3）檢查階段。學生完成各自的信息識別與提取任務后，教師應引導學生進行精度評價和質量檢查。一般通過PDF 打印機或者軟件自帶輸出工具形成專題圖，主要內容見圖2。

圖2 信息識別與提取主要內容

4.3 成果評價階段

在遙感信息識別提取完成之后，由學生將工作流程、實踐成果以及學習實踐體會與心得通過PPT進行匯報，由教師主持，全班同學參加，合作企業工程師參與聽取匯報并進行分析評價。在分析評價環節，采取開放式討論，鼓勵學生踴躍發言，特別是成果中的優點、缺點和不足以能夠提高和改進的方法進行討論，并在小組之間做出客觀公正的評價；參與工程師結合實際項目生產過程進行點評；最后由教師進行綜合分析和點評。課程結束后進行項目成績評定時，把學生工作結果、工作分工、討論發言的積極性都作為學生考核的主要依據。為了最大限度地實現公平性，調動學生的積極性，激發學生的學習信心，應當建立一套完整、合理的實習成績評分規則。具體操作內容見圖3。

圖3 成果評價具體操作內容

5 結束語

通過合作企業技術工程師的參與，將課程理論和實踐操作融入到實訓項目中，形成項目驅動下的理論實踐一體化的教育培養模式，將學生的理論學習、實踐技能培養、生產項目實習融為一體，打通學生—教師—技術工程師之間的理論技術壁壘，發揮各自特長，達到教師、學生和企業3 方共贏的局面，有效縮短畢業生的入職時間，大大降低企業的用人成本，進一步提高了學校的專業知名度。