《遙感概論》研究性實驗的設計與實施

孫芳蒂 陳忠元 張靈 沈繼偉

(廣州大學地理科學與遙感學院 廣東廣州 510006)

目前，遙感課程的實驗教學各環節往往針對相應的理論知識點進行獨立練習，零散性的實驗不能形成完整的應用。學生僅僅根據實驗步驟按部就班地處理數據，過度依賴操作視頻等輔助材料，缺乏獨立思考，不能深刻地理解數據處理背后的原理，也不能對數據處理結果進行深入分析。該文在《遙感概論》的實驗課程中，引入研究性課題，以鄱陽湖近20 年干濕季水域面積的變化為例，引導學生開展實驗。一方面，可以促使學生在一個完整的遙感應用實例中進行遙感技術的各種操作；另一方面，促使學生綜合運用所學的地理科學知識，根據實驗的研究結果，認識地理現象，分析地理問題，并對地理現象背后的原因進行解釋，做到“知其然”和“知其所以然”。

1 研究性實驗的設計與實施

1.1 研究性實驗的設計

1.1.1 研究性實驗的教學目標

基于近20年的月尺度遙感影像，研究典型內陸水體，中國第一大淡水湖——鄱陽湖的年際時空變化特征和年內干濕季的波動情況，并結合氣候、土地利用數據對該變化特征進行驅動力分析。

1.1.2 研究性實驗的教學內容

該研究性實驗主要包含以下5部分內容。

（1）水體指數方面，在已學理論知識的基礎上，結合水體的光譜特征，理解水體指數設計的原理及適用情況，熟悉多種水體指數。

（2）掌握利用ENVI 軟件計算水體指數，基于多期遙感數據，實現鄱陽湖近20年干濕季水域范圍的自動提取。

（3）針對水體指數自動提取的水域范圍，通過目視解譯進行修正。

式中，是經伸縮變換后的K（·）核密度，h是帶寬，wi是質點i的歸一化權重。相比而言，Kh（θ）則對應于常規質點濾波方法中的狄拉克δ函數δ（θ）。核密度函數的設計需要特別注意，以確保近似分布和實際分布之間的殘差最小。假設所有質點都是等權重的，且密度是高斯型的，那么最優的核為Epanechnikov核（Musso et al，2001）。

（4）分析鄱陽湖近20 年干濕季水域面積的變化特征。

（5）驅動力分析方面，組織學生搜集數據，結合氣候、土地利用數據，分析鄱陽湖近20 年干濕季水域面積變化的影響因素。

1.2 研究性實驗的實施

1.2.1 選取研究性案例

《遙感概論》的實驗課程所涉及的數據處理內容一般包含數據前期預處理、幾何校正、鑲嵌拼接、自動分類，專題類型的提取，目視解譯等內容。在研究性課題或者案例選取方面，只要可以將上述數據處理環節綜合，能讓學生利用所學的地理學知識分析數據結果，從而獲取新的知識，均可以作為研究性實驗的案例。

該文以鄱陽湖為研究對象，利用遙感技術分析其近20 年來干濕季的水域范圍波動情況。鄱陽湖的坐落范圍為28°11'N～29°51'N，115°49'E～116°46'E，是中國最大的淡水湖，與長江相連，其水域范圍從濕季到干季經歷較大的變化，有“豐水成面，枯水呈線”的說法[2]。鄱陽湖面通常從南往北傾斜，湖水從南往北流入長江[2]。每年11月至次年2月是鄱陽湖的干季，面積可低至500 km2，每年6～9月份是鄱陽湖的濕季，面積一般大于2 500 km2。濕季湖泊流入長江的水量平均為14.36 km3/yr，干季湖泊流域長江的水量為4.96 km3/yr。鄱陽湖流域的氣候屬于亞熱帶季風氣候，流域內降水有明顯的季節性差異，年均降水量約1 500 mm，降水主要發生在每年的4～6 月，占全年降水量的45%。流域內平均氣溫為16.5 ℃～17.8 ℃，夏季氣溫介于28.4 ℃～30.0 ℃，冬季氣溫介于4.2 ℃～7.2 ℃[3]。三峽水庫工程的運行影響長江—鄱陽湖的水量交互，造成鄱陽湖對長江的補給增加，進而影響鄱陽湖的水域范圍。有研究指出，2000—2010年，鄱陽湖水域面積以每年30 km2的速度在萎縮，導致流域內南磯山濕地保護區的植被面積擴張了30%[4]。因此，研究鄱陽湖水域范圍的干濕季變化特征有利于了解其與長江之間的水量交互，有利于研究流域內的水量平衡關系，對流域的水文和生態環境具有非常重要的意義。

1.2.2 課堂教學設計與實施

此次研究性實驗的教學組織如圖1 所示，分為課前、課中、課后這3個部分。

圖1 《遙感概論》研究性實驗的教學組織結構圖

（1）前置學習。教師的前置學習：①準備實驗所需的數據；②提前錄制好操作視頻。其中，教師預備的學習資料可以是多種形式，比如：網絡鏈接、課件、或者是附有主題詞關鍵詞的指導，以便鍛煉學生進行信息篩查、選取和檢索的能力。該次實驗共搜集2000—2020年每年濕季（6～9 月）、干季（每年11 月到次年2 月）共349景高質量的中分辨率成像光譜儀（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer，MODIS）影像來進行研究[4]，其中濕季有179 景，干季有170 景。MODIS 數據可以提供高時間頻率的可見光影像，能夠監測湖泊在短時間內的波動和多年變化趨勢[5]。

學生的前置學習：①查閱資料，了解鄱陽湖的氣候、水文特征；②下載類似案例論文進行學習，便于對該案例的研究思路、數據處理流程和驅動力分析方法有初步的認識。在前置學習中，通過閱讀其他論文，學生對于驅動力分析有了一定理解，可以根據數據處理的結果和教師提前預備的氣候、土地利用數據，對鄱陽湖水域的干濕季變化特征進行驅動因子分析[6]。

（2）課中。教師在課中需要全程指導學生的操作過程，并對學生在數據處理中遇到的疑惑進行解答。教師通過課堂上師生之間的互動交流，了解學生的疑惑，再將實驗中涉及的知識點進行補充穿插，使學生系統地掌握實驗思路，促進學生積極思考、反復訓練，進而提高學生分析問題、解決問題的能力，激發學生的探索欲[7]。

該實驗設置學生分組學習，以便提高學習效率，同時有利于學生之間不同思路的交流。課中學習任務包含以下幾個方面。

①利用ENVI軟件進行水體指數計算，并設定合適閾值，自動提取陸表水體。②針對自動提取的結果進行目視糾正。③對多期鄱陽湖干濕季的陸表水域面積結果進行統計。④分析鄱陽湖干濕季水域范圍的時空變化特征。⑤結合已有的氣候、土地利用數據，分析鄱陽湖水文特征變化的驅動力[8]。

（3）課后。課后，教師通過實驗課上師生之間的互動交流情況，及時對實驗中薄弱環節進行總結。學生課后需要對整個實驗過程、研究結果、結論進行總結，撰寫實驗報告并制作PPT，在理論課堂上進行內容展示和匯報，如圖2、圖3 所示。2000—2020 年有179 景濕季數據和170 景干季數據，因此濕季和干季水域的淹沒頻率分別介于1～179和1～170。

圖2 鄱陽湖2000—2020年干濕季水域淹沒強度

圖3 鄱陽湖干濕季面積與氣候因子波動對比

2 效果評價

針對該次研究性實驗的教學效果，設計了如表1所示的調查問卷。問卷從前置學習、課中數據操作處理、課后應用的角度去考察學生對這種教學方式的認可度，調查對象為46 名學生。結果顯示，學生對該次研究性實驗的接受度較高，除第9 項研究報告是否可以發表成文外，其余評價內容的認可度均高于90%，個別項目的認可度達到100%。說明學生認可這種課前學習、課中操作、課后應用的教學方法，同時提高了學生對《遙感概論》課程的學習興趣。

表1 學生對研究性實驗的認可度 n（%）

3 結語

傳統的《遙感概論》實驗課程，一般針對各理論知識進行零散性的實驗，沒有形成一個完整的應用流程；沒有聯系學生的專業背景，做到專業知識與實驗課程相結合。該文將鄱陽湖干濕季水域范圍時空變化的研究課題引入《遙感概論》的實驗課程，學生在一個完整的遙感應用實例中進行遙感軟件操作、遙感圖像處理、專題信息提取以及遙感圖像人機交互解譯等練習，學生可以理解水體指數的設計原理、如何選取合適的閾值進行水面的提取、如何進行豐枯水期水域面積的波動監測、如何分析水域面積波動的驅動力。學生能夠深刻地理解理論知識，并結合數據處理能力提升自身發現問題、解決問題的能力。該次研究性實驗，學生充分利用課余時間進行實驗前的預備和實驗后的總結，課堂中進行深入理解和實踐操作，有利于提升學生的科研思維，能夠提升學生對遙感技術類課程的吸引力。同時，研究性實驗的教學模式可以提升教師的專業水平。在研究性實驗課的教學模式下，教師要廣泛查閱文獻，掌握國內外研究熱點，搜集整理遙感技術應用案例。課上引導學生如何對案例進行實施，并在綜合性問題出現時尋找知識點來解決問題，實現把 “研究性案例”與課堂內容相融合，互為支撐與驗證。課后時間主要是客觀地評價學生作業。整個流程中，教師在不斷地拓展專業知識，不斷擴充遙感應用的知識面，這樣在教學的過程中也提升了教師的科研能力，促進了遙感學科的發展，為社會提供更多優秀的遙感應用人才。