遙感數(shù)字圖像分析與應(yīng)用課程虛擬仿真在線實驗教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

朱瑜馨 張錦宗

[摘 要]遙感數(shù)字圖像分析與應(yīng)用是高校地理信息科學(xué)專業(yè)的核心課程，實驗教學(xué)是該課程教學(xué)過程中的重要環(huán)節(jié)。針對傳統(tǒng)的實驗教學(xué)過程中存在的理論抽象、算法復(fù)雜、教學(xué)過程講解困難等問題，將虛擬仿真在線實驗教學(xué)引入傳統(tǒng)實驗教學(xué)，“虛”“實”有機結(jié)合，充分調(diào)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性與創(chuàng)造性。虛擬仿真在線實驗教學(xué)采用演示模式與自主實驗?zāi)Ｊ剑匀S動畫方式，引導(dǎo)學(xué)生完成并掌握遙感圖像成像原理、大氣衰減及圖像處理技術(shù)與相關(guān)算法實驗，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計及分析綜合實驗?zāi)芰Γ瑸檫b感圖像綜合應(yīng)用儲備知識技能。

[關(guān)鍵詞]遙感數(shù)字圖像分析與應(yīng)用;虛擬仿真;在線實驗教學(xué)

[項目資助]2016年江蘇省在線開放虛擬仿真實驗教學(xué)項目培育項目“高分辨率遙感動態(tài)監(jiān)測與虛擬仿真”;2019年教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目“高分辨率遙感分類虛擬仿真實驗教學(xué)”（201901039025）

[作者簡介]朱瑜馨（1976—），女，山東聊城人，博士，淮陰師范學(xué)院城市與環(huán)境學(xué)院副教授，主要從事遙感時空統(tǒng)計與不確定性研究;張錦宗（1972—），男，甘肅張家川人，博士，淮陰師范學(xué)院城市與環(huán)境學(xué)院副教授（通信作者），主要從事城市與區(qū)域發(fā)展研究。

[中圖分類號] G642.0[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A[文章編號] 1674-9324（2020）32-0386-03[收稿日期] 2019-12-31

遙感數(shù)字圖像分析與應(yīng)用是高校地理信息科學(xué)專業(yè)的核心課程，遙感圖像處理技術(shù)是該專業(yè)學(xué)生必須具備的技術(shù)之一。隨著全球及區(qū)域尺度遙感應(yīng)用領(lǐng)域的迅速擴(kuò)展，高校非地理信息科學(xué)專業(yè)的學(xué)生對遙感圖像處理技術(shù)的需求也越來越大。該課程不僅理論抽象，而且圖像運算的算法多且難以理解。傳統(tǒng)的教學(xué)模式通常是教師課堂進(jìn)行理論講授，同時進(jìn)行操作演示，在配套的上機實踐課上學(xué)生上機模擬練習(xí)，教師進(jìn)行課堂監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)問題一一進(jìn)行指導(dǎo)，這種教學(xué)模式課堂效率較低，學(xué)生上機操作絕大多數(shù)是按照老師的操作流程機械地完成，缺乏主動思考過程，教師難以逐一監(jiān)控。而非地理信息科學(xué)專業(yè)學(xué)生則很少有機會上機操作得到教師的指導(dǎo)。針對傳統(tǒng)教學(xué)中存在的弊端，將虛擬仿真技術(shù)引入遙感數(shù)字圖像分析與應(yīng)用的課堂教學(xué)中，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中隨時隨地體驗、學(xué)習(xí)并掌握遙感數(shù)字圖像處理的理論、算法、解譯技術(shù)，在線交流實時發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，既方便了學(xué)生的課堂預(yù)習(xí)、課后復(fù)習(xí)鞏固，又方便教師及時把控教學(xué)過程、評價教學(xué)效果，解決了大量學(xué)生不能身臨其境學(xué)習(xí)實踐的問題，將課本抽象的知識真實化、形象化，加深學(xué)生對遙感原理及圖像處理過程的認(rèn)知程度，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和理論聯(lián)系實際的能力，對現(xiàn)代課堂教學(xué)的優(yōu)化具有重要的現(xiàn)實意義。

一、在線實驗教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

（一）系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

如圖1所示，支撐系統(tǒng)運行的平臺及系統(tǒng)運行的架構(gòu)共分為五層，每一層都為其上層提供服務(wù)。

①數(shù)據(jù)層：實驗項目涉及多種類型虛擬實驗組件及數(shù)據(jù)，這里分別設(shè)置虛擬實驗的基礎(chǔ)元件庫、實驗課程庫、典型實驗庫、標(biāo)準(zhǔn)答案庫、規(guī)則庫、實驗數(shù)據(jù)、用戶信息等來實現(xiàn)對相應(yīng)數(shù)據(jù)的存放和管理。②支撐層：支撐層是虛擬仿真實驗教學(xué)與開放共享平臺的核心，是實驗項目正常開放運行的基礎(chǔ)，負(fù)責(zé)整個基礎(chǔ)系統(tǒng)的運行、維護(hù)和管理。包括以下幾個功能子系統(tǒng)：安全管理、服務(wù)容器、數(shù)據(jù)管理、資源管理與監(jiān)控、域管理、域間信息服務(wù)等。③通用服務(wù)層：通用服務(wù)層即開放式虛擬仿真實驗教學(xué)管理平臺，提供虛擬實驗教學(xué)環(huán)境的一些通用支持組件，以便學(xué)生能夠快速在虛擬實驗環(huán)境完成虛擬仿真實驗。通用服務(wù)包括：實驗教務(wù)管理、實驗教學(xué)管理、理論知識學(xué)習(xí)、實驗資源管理、智能指導(dǎo)、互動交流、實驗結(jié)果自動批改、實驗報告管理、教學(xué)效果評價、項目開放與共享等，同時提供相應(yīng)集成接口工具，以便該平臺能夠方便集成第三方的虛擬實驗軟件進(jìn)入統(tǒng)一管理。④仿真層：仿真層主要針對項目進(jìn)行相應(yīng)的器材建模、實驗場景構(gòu)建、虛擬儀器開發(fā)、提供通用的仿真器，最后為上層提供實驗結(jié)果數(shù)據(jù)的格式化輸出。⑤應(yīng)用層：基于底層的服務(wù)，最終遙感數(shù)字圖像處理與應(yīng)用虛擬仿真實驗項目教學(xué)與開放共享。該框架的應(yīng)用層具有良好的擴(kuò)展性，實驗教師可根據(jù)教學(xué)需要，利用服務(wù)層提供的各種工具和仿真層提供的相應(yīng)的器材模型，設(shè)計各種典型實驗實例，最后面向?qū)W校開展實驗教學(xué)應(yīng)用。

（二）系統(tǒng)實驗內(nèi)容設(shè)計

遙感數(shù)字圖像分析與應(yīng)用虛擬仿真實驗在線教學(xué)，面向地理信息科學(xué)專業(yè)及有遙感圖像處理技術(shù)需

求的所有其他專業(yè)的學(xué)生。為了能體現(xiàn)專業(yè)優(yōu)勢、拓展學(xué)生的專業(yè)興趣并滿足學(xué)生的個性化發(fā)展需要，虛擬實驗教學(xué)采用開放在線教學(xué)模式，以學(xué)生為中心，學(xué)生主導(dǎo)實驗過程，操作實驗裝置，指導(dǎo)教師講解實驗方法和實驗步驟，并對整個實驗前、中、后全過程加以指導(dǎo)和引導(dǎo)，啟發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。實驗中，教師通過做題、考核方式激發(fā)學(xué)生充分發(fā)揮想象，發(fā)掘?qū)W生的創(chuàng)造潛能，提高解決實際問題的綜合能力。該虛擬實驗仿真教學(xué)內(nèi)容主要包括以下幾大部分：

1.演示模式教學(xué)。根據(jù)課程的教學(xué)目標(biāo)設(shè)計以下教學(xué)原理基礎(chǔ)實驗及綜合實驗的虛擬仿真：遙感成像過程、大氣衰減原理、圖像顯示、圖像校正、圖像變換、圖像濾波、圖像分類等基礎(chǔ)實驗;土地利用變化遙感監(jiān)測與分析綜合實驗。圖像校正實驗，將向?qū)W生重點展示兩個核心環(huán)節(jié)—像素坐標(biāo)的變換及坐標(biāo)變換后的像素亮度值的重采樣。圖像增強實驗，將從輻射增強、光譜增強、空間域增強、頻率增強等方面為學(xué)生展示增強處理技術(shù)，把ENVI的Enhance模塊下的交互式直方圖調(diào)整、直方圖匹配、波段比計算、主成分變換、獨立成分變換、最小噪聲分離變換、彩色變換、卷積濾波、邊緣檢測、紋理分析、傅立葉變換等方法細(xì)節(jié)及實驗效果一一展示。

每一實驗的虛擬仿真通過動畫、視頻相結(jié)合的方式，簡單直觀地將枯燥抽象的原理在線顯示給學(xué)生，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并通過設(shè)疑教學(xué)方法引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考，訓(xùn)練他們的邏輯思維能力。通過演練模式，學(xué)生自主選擇所要演示的圖像處理原理，以簡單直觀的方式將課程枯燥抽象的原理在線給學(xué)生，并能使學(xué)生隨時隨地進(jìn)行學(xué)習(xí)。同時系統(tǒng)提供有每一部分教學(xué)的電子教案、CAI課件供學(xué)生補充學(xué)習(xí)，從而獲得最佳的學(xué)習(xí)效果。

2.自主實驗?zāi)Ｊ健Ｔ谠撃Ｊ较拢瑢W(xué)生自主選擇數(shù)據(jù)庫中的影像資源，根據(jù)演練模式下提供的數(shù)據(jù)處理教學(xué)內(nèi)容，自主完成任意一個數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用試驗。首先學(xué)生根據(jù)每一個自主實驗的實驗?zāi)康摹⒁蠹叭蝿?wù)，選擇數(shù)據(jù)庫中某類型的影像，并通過系統(tǒng)帶有的數(shù)據(jù)庫中影像資源類型的全面介紹，詳細(xì)了解圖像信息，為下一步的圖像處理做理論鋪墊。然后以對話框的方式一步一步完成實驗操作，在完成實驗操作的過程中，對關(guān)鍵的知識點及技術(shù)點，系統(tǒng)將會以問答的方式幫助學(xué)生復(fù)習(xí)鞏固并記憶知識點。對抽象的圖像運算算法，系統(tǒng)在前臺在線顯示，顯示方式有文檔、問答式習(xí)題、三維動畫模擬等。

3.在線交流與評價模式。在線交流提供BBS論壇，能夠?qū)⒓訉嶒瀸W(xué)生的全過程進(jìn)行記錄，并能夠隨時進(jìn)行實驗指導(dǎo)，對于學(xué)生預(yù)習(xí)效果、實驗步驟以及實驗成績評價都具備完善的評價標(biāo)準(zhǔn)。在該模式下，學(xué)生與學(xué)生之間以及學(xué)生與教師之間可以對實驗心得、實驗經(jīng)驗進(jìn)行充分的交流溝通，而不受時空的限制。通過平臺完善的反饋機制，對參加實驗學(xué)生各方面的建議、評價與反饋信息，進(jìn)行全面系統(tǒng)的統(tǒng)計分析，幫助教師及時了解學(xué)生實驗過程中存在的問題，并根據(jù)反饋的問題信息及時微調(diào)實驗教學(xué)內(nèi)容及進(jìn)度。

二、開發(fā)技術(shù)

本在線實驗平臺基于公有云服務(wù)器、局域網(wǎng)服務(wù)器部署，分別需要5M—10M、10M—50M寬帶，支持1000個學(xué)生同時在線并發(fā)訪問和請求。如果單個實驗被占用，則對話框提示后面進(jìn)行在線等待，等待前面一個預(yù)約實驗結(jié)束后，進(jìn)入下一個預(yù)約隊列。實驗項目的開發(fā)工具包括unity3d、3DMax、Visual Studio、Photoshop，采用WebGL3D仿真建模技術(shù)，單場景模型總數(shù)：900000面;貼圖分辨率：1024×1024;顯示幀率：高于每秒30幀;刷新率：高于30Hz;正常分辨率：1920×1080。管理平臺采用Java開發(fā)語言，Eclipse開發(fā)工具，數(shù)據(jù)庫采用MySQL。

（一）WebGL三維仿真建模

WebGL（Web Graphics Library）是一種3D繪圖協(xié)議，這種繪圖技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)允許把JavaScript和OpenGL ES 2.0結(jié)合在一起，通過增加OpenGL ES 2.0的一個JavaScript綁定，為HTML5 Canvas提供硬件3D加速渲染，使得Web開發(fā)人員借助系統(tǒng)顯卡來在瀏覽器里更流暢地展示3D場景和模型，并能創(chuàng)建復(fù)雜的導(dǎo)航和數(shù)據(jù)視覺化[1]。WebGL是一項可以在瀏覽器中繪制、顯示三維計算圖形并與之交互的技術(shù)[2-3]。WebGL程序可存在于網(wǎng)頁中并在瀏覽器中執(zhí)行，不需要安裝任何其他的插件和庫[4]。本系統(tǒng)最終打包WebGL場景發(fā)布。

（二）Unity3D

Unity是由Unity Technologies公司開發(fā)的高端跨平臺引擎，Unity除了用于游戲開發(fā)，還被廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事國防、工業(yè)仿真、教育培訓(xùn)、醫(yī)療模擬、建筑漫游等領(lǐng)域[5]（P58）[6]。Unity3D是具有跨平臺特點的虛擬現(xiàn)實開發(fā)工具，具有強大的圖形資源整合、實時渲染、物理仿真等功能[7]。本系統(tǒng)中的三維特效均在此工具下完成。

三、結(jié)束語

遙感數(shù)字圖像分析與應(yīng)用虛擬仿真實驗是傳統(tǒng)教學(xué)的延伸與拓展。系統(tǒng)不僅能夠單機穩(wěn)定可靠運行，并可置于基于Internet開放教學(xué)管理平臺上，可以為不同校區(qū)、不同專業(yè)的學(xué)生同時共享使用，并且項目建于B/S架構(gòu)可以提供授權(quán)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下開展實驗。系統(tǒng)有完善的加密機制，可以進(jìn)行日志管理、數(shù)據(jù)備份、系統(tǒng)監(jiān)控，保障網(wǎng)絡(luò)及信息安全保護(hù)功能。通過遙感數(shù)字圖像分析與應(yīng)用虛擬在線教學(xué)，學(xué)生可以從影像糾正、圖像增強、數(shù)據(jù)解譯等方面全方位掌握遙感圖像處理的原理與方法，掌握遙感影像解譯的技能;從宏觀了解遙感的應(yīng)用領(lǐng)域，增強學(xué)生對遙感科學(xué)技術(shù)重要性的認(rèn)識。學(xué)生在虛擬實驗平臺上不僅能完成遙感基礎(chǔ)應(yīng)用技能、遙感數(shù)據(jù)處理等基礎(chǔ)實踐教學(xué)內(nèi)容，并能從植被、土地覆被等方面進(jìn)行遙感動態(tài)監(jiān)測與模擬等綜合性實驗項目，提高實踐教學(xué)的層次，促進(jìn)學(xué)生對遙感影像解譯技能的掌握。在傳統(tǒng)實驗教學(xué)方式中引入虛擬仿真實驗，二者有機結(jié)合，有助于調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，激發(fā)學(xué)生主動思考的思維方式，全面培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新意識和實踐應(yīng)用能力，體現(xiàn)以學(xué)生為主體的教學(xué)思想。

參考文獻(xiàn)

[1]科普中國.WebGL[EB/OL].https：//baike.baidu.com/item/WebGL/592485？fr=Aladdin，2019-12-20.

[2]魏云申.基于WebGL的全景3D漫游系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].南京：南京大學(xué)，2016.

[3]張文娟，吳瓊，曹欣然.基于WebGL的三維落葉場景仿真[J].計算機技術(shù)與發(fā)展，2018，28（6）：165-169.

[4]頓儒源.基于WebGL的織物三維展示系統(tǒng)[D].杭州：浙江大學(xué)，2016.

[5]Technologies U.UNITY 4.X從入門到精通[M].北京：中國鐵道出版社，2013：58.

[6]岑洎濤.基于Unity3D的虛擬切削仿真系統(tǒng)的研究與開發(fā)[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2018，36（4）：169-170.

[7]孫本固，尹念東.基于Unity3d的虛擬柔性制造系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].湖北理工學(xué)院學(xué)報，2015，31（4）：12-16.