融入GIS應(yīng)用的數(shù)字圖像處理課程教學(xué)改革研究

都娥娥 張會影 圣文順

【摘要】以“數(shù)字圖像處理”課程為例，探討當(dāng)前教學(xué)模式中存在的問題與弊端，提出了對教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法及教學(xué)體系進行全面改革的研究策略，同時將地理信息系統(tǒng)的實際工程案例引入課堂進行案例教學(xué)和實踐教學(xué)。改革后的教學(xué)實踐取得了良好的教學(xué)效果，整體教學(xué)質(zhì)量得到大幅度提高，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和內(nèi)驅(qū)力得到有效激發(fā)。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字圖像處理? GIS? 教學(xué)改革

【基金項目】2021年度江蘇省高校教育信息化研究課題（2021JSETKT058， 2021JSETKT027）;2020年度南京工業(yè)大學(xué)浦江學(xué)院教育教學(xué)改革課題（2020JG010Y， 2021JG003Z）。

【中圖分類號】G642 ? 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2022）08-0070-03

1.引言

隨著計算機技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)的日益成熟，數(shù)字圖像處理技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域愈加廣泛，研究范圍從空間也已滲透到微觀，逐漸成為多個科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中不可或缺的一項重要工具，已發(fā)展為最主要的現(xiàn)代科學(xué)應(yīng)用技術(shù)之一。

數(shù)字圖像處理課程是通信工程、電子信息、測繪、遙感科學(xué)與技術(shù)等專業(yè)必修的專業(yè)基礎(chǔ)課之一，主要講授數(shù)字圖像處理方面的基本原理和關(guān)鍵技術(shù)，既有很強的理論性和系統(tǒng)性，又有很強的工程性和實踐性。學(xué)生通過數(shù)字圖像處理的學(xué)習(xí)，能掌握圖像處理的基本理論、概念、方法和技術(shù)，培養(yǎng)和增強學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維，提高實際動手能力和創(chuàng)新能力，可以應(yīng)用數(shù)字圖像處理相關(guān)知識和技術(shù)解決自然科學(xué)、工程技術(shù)和實際生活中遇到的問題。

結(jié)合學(xué)校的應(yīng)用型人才培養(yǎng)理念，在數(shù)字圖像處理課程教學(xué)中需要將數(shù)字圖像處理技術(shù)與實際應(yīng)用相結(jié)合，并且引入數(shù)字圖像處理技術(shù)在各行業(yè)的典型案例來進行授課。但是通過參與教學(xué)實踐后，發(fā)現(xiàn)該課程在教學(xué)中存在一些問題，注重理論輸入，實驗單一，缺乏應(yīng)用支撐，學(xué)生由于理解困難而缺乏興趣，這與學(xué)校定位的培養(yǎng)目標產(chǎn)生了部分背離。

因此，為了改善這種教學(xué)模式，提出了對該課程進行教學(xué)改革，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、實踐設(shè)計等方面進行研究，將數(shù)字圖像處理技術(shù)知識與GIS行業(yè)相關(guān)應(yīng)用相結(jié)合的方式進行授課，引導(dǎo)學(xué)生加強知識點的理解，提高學(xué)習(xí)興趣。

2.數(shù)字圖像處理教學(xué)中存在的問題

2.1教學(xué)內(nèi)容難、學(xué)時數(shù)少

南京工業(yè)大學(xué)浦江學(xué)院通信工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案中，將數(shù)字圖像處理列為專業(yè)選修課，2個學(xué)分，總共授課32課時，理論課與實踐課授課比例為3：1。由于這門課的專業(yè)性，對數(shù)學(xué)要求比較高，課程難度大，知識點較多，限制于當(dāng)前教學(xué)模式下學(xué)時數(shù)的限制，除去實驗8課時，理論課僅剩24課時，要將基本常用的數(shù)字圖像處理相關(guān)技術(shù)的知識點講授完而且要講透，目前的課時數(shù)基本無法滿足。在這種情況下，老師只能對知識點的覆蓋和原理的通透方面選擇其一，鑒于這門課對數(shù)學(xué)知識要求較高，如果一味地追求講透某個知識點，對于數(shù)學(xué)功底較弱的學(xué)生，即使花費大量的精力，也只能達到只懂概念不懂原理的層面。所以大部分情況下，老師都選擇對相關(guān)圖像處理技術(shù)涉及的知識點進行淺顯易懂的講解，再結(jié)合實驗進行理想情況下的驗證，以讓學(xué)生在學(xué)時數(shù)有限的情況下，能掌握更多的技術(shù)，將來碰到相關(guān)的實際問題懂得選取對應(yīng)的技術(shù)進行處理。

2.2教學(xué)方法單一

參與當(dāng)前數(shù)字圖像處理教學(xué)后，發(fā)現(xiàn)目前的教學(xué)仍舊采用的是傳統(tǒng)的教學(xué)過程，而且該課開設(shè)在大四上學(xué)期，學(xué)生大部分心思在考研和找工作上，因此整節(jié)課只有老師的講授，無學(xué)生反饋信息，教學(xué)氣氛沉悶、僵化。同時，由于該課程原理性強，數(shù)學(xué)推理演算公式較多，對于很大部分同學(xué)來說理解較為困難，如果老師只是一味的照本宣科式地講授，缺乏根據(jù)學(xué)生的個性特征去啟迪學(xué)生，缺乏從學(xué)生的認知特點去實施教學(xué)活動，僅僅是讓學(xué)生去適應(yīng)教師的教學(xué)方式，就會讓學(xué)生更加缺乏興趣，缺乏探索，這門課程也就背離了當(dāng)初最基本的教學(xué)目標。我們不僅僅給學(xué)生傳授知識，而是希望這門課程涉及的基本知識點能化為技術(shù)，為學(xué)生將來的工作學(xué)習(xí)提供幫助。

2.3實踐缺乏創(chuàng)新

目前的教學(xué)模式下，數(shù)字圖像處理課程實踐環(huán)節(jié)使用Matlab進行編程以達到對圖像的處理，實驗內(nèi)容主要包含傅里葉變換功能和離散余弦變換、直方圖修正和平滑處理實現(xiàn)、圖像復(fù)原和噪聲添加、圖像分割和邊緣監(jiān)測等。每次實驗兩課時，使用的數(shù)據(jù)是典型的人物（lena）圖片，圖像復(fù)原使用的是NBA的一個鏡頭照片，對于不同內(nèi)容的實驗，通過調(diào)用Matlab中的函數(shù)，都可以快速地對圖片進行相應(yīng)的處理，也能如期達到理想的效果。但是這種實踐設(shè)計，只是讓學(xué)生對相關(guān)函數(shù)和圖像處理流程方面有初步的掌握，也許在實際生活中對于稍微復(fù)雜點的場景，就不能靈活地使用所學(xué)過的技術(shù)，比如在霧霾環(huán)境下拍攝的運動車輛照片如何提取圖片信息等實際應(yīng)用。

針對現(xiàn)階段該課程教學(xué)存在的問題，應(yīng)該在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、實踐環(huán)節(jié)及教學(xué)體系方面進行改革嘗試。

3.數(shù)字圖像處理課程教學(xué)改革研究

3.1數(shù)字圖像處理概述

自然界中，對于客觀存在的事物，人眼接收到其反射或透射的光能量還有發(fā)光物體散發(fā)的光能量，經(jīng)過視神經(jīng)在大腦中重現(xiàn)出該物體的視覺信息，形成最原始的圖像，即模擬圖像，這類圖像是連續(xù)的。隨著計算機的發(fā)展，人類需要對這些模擬圖像進行處理，以達到某種預(yù)期的目的，由于計算機無法處理這種空間和亮度連續(xù)分布的圖像，這時候就出現(xiàn)了數(shù)字圖像處理技術(shù)。

數(shù)字圖像處理，就是指用數(shù)字計算機及其他相關(guān)的數(shù)字技術(shù)，對數(shù)字圖像施加某種或某些運算和處理，從而達到某種預(yù)期的處理目的。將一幅圖像從模擬形式轉(zhuǎn)為數(shù)字形式的過程稱為數(shù)字化，經(jīng)過數(shù)字化或離散化后的圖像就是數(shù)字圖像，組成數(shù)字圖像的基本單位是像素，每個像素都具有行列坐標和灰度值，用整數(shù)表示[1]。數(shù)字圖像的產(chǎn)生過程如圖1所示：

3.2教學(xué)模式改革

針對傳統(tǒng)教學(xué)過程中教學(xué)方法單一、教學(xué)手段落后、缺乏實踐創(chuàng)新等存在的問題，本文從課程設(shè)計、教學(xué)方法、實踐設(shè)計等進行教學(xué)模式改革。整體教學(xué)模式改革如圖2所示：

3.2.1課程設(shè)計改進

在開課之前，參考人培方案明確該課程目標，根據(jù)學(xué)時數(shù)和目標合理規(guī)劃內(nèi)容，進行章節(jié)劃分，確定每周的內(nèi)容及教學(xué)目標，進而組織每周的教學(xué)活動設(shè)計，制定課程的考核設(shè)計。在宏觀上，從知識、素質(zhì)、能力等方面進行整體課程目標規(guī)劃，根據(jù)學(xué)生對知識點的接受能力、相關(guān)技術(shù)的實用性確定課程內(nèi)容，按照周次梳理出每周的知識點、重點、難點，并按照知識的維度（事實性、概念性、程序性等）進行知識分類。根據(jù)這些內(nèi)容輸出課程大綱，完善各教學(xué)內(nèi)容的教學(xué)活動、授課學(xué)時及教學(xué)方法等形成基本的教學(xué)日歷。通過這一整套流程完成課程設(shè)計的整個過程，并依據(jù)該設(shè)計在后期的實驗教學(xué)中根據(jù)出現(xiàn)的問題進行改進。

3.2.2教學(xué)活動設(shè)計

通過課程設(shè)計中的教學(xué)目標來確定教學(xué)活動，教學(xué)活動的設(shè)計與教學(xué)目標、教學(xué)內(nèi)容需要緊密結(jié)合，主要包含教學(xué)方法、實踐設(shè)計方面的改進，也是需要多次設(shè)計、實踐、反思、調(diào)整的地方。

（1）教學(xué)方法改進。完成了課程內(nèi)容中知識的分類和課程目標，進行教學(xué)活動的設(shè)計，知識部分強調(diào)記憶與理解，能力部分強調(diào)操作與實踐，按照實際情況將記憶、理解、應(yīng)用等學(xué)習(xí)方法相結(jié)合。在每周的教學(xué)中，不單單是教，更要將學(xué)轉(zhuǎn)用，提高學(xué)生對知識掌握后的使用能力，可以階段性地對學(xué)習(xí)結(jié)果進行考核，考核從知識、能力兩方面來衡量。知識部分滿足多講少練、多考少查，能力部分要少講多練、少考多指導(dǎo)。在教學(xué)方法上，不能生搬硬套，要因材施教，不斷反思與調(diào)整，總結(jié)出適合該門課程的教學(xué)方法。

（2）實踐設(shè)計勇于創(chuàng)新。數(shù)字圖像處理課程基本知識點較為完善，常用技術(shù)成熟，在平常的教學(xué)中使用Matlab編程調(diào)用庫函數(shù)進行圖像處理，待處理圖像為課本示例，整體來說僅僅是理想狀況下的實現(xiàn)，從理論上進行了圖片處理，實踐課整體來說枯燥乏味。而在日常的工作生活中，數(shù)字圖像處理相關(guān)的技術(shù)使用較為廣泛，但是相關(guān)的應(yīng)用并沒有引入實踐課程中，所以為了激發(fā)學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生懂得如何學(xué)以致用，在鍛煉學(xué)生的動手能力和應(yīng)用能力的實踐課上必須要進行相應(yīng)的創(chuàng)新，可以引入與生活息息相關(guān)的例子進行實驗，提高學(xué)生對知識的掌握程度和自己解決問題的能力。

（3）教學(xué)與GIS應(yīng)用相結(jié)合。GIS（地理信息系統(tǒng)）是由計算機硬件、軟件和不同方法組成的系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計用來支持空間數(shù)據(jù)采集、管理、處理、分析、建模和顯示，以便解決復(fù)雜的規(guī)劃和管理問題。GIS作為一個新型學(xué)科，涉及行業(yè)廣泛，勢頭猛進，目前基本各行各業(yè)都或多或少涉及GIS的相關(guān)應(yīng)用，GIS在環(huán)境、工業(yè)園區(qū)安全管理、人工智能、車載導(dǎo)航等方面都得到了應(yīng)用，而且取得了豐碩的成果。

隨著航空技術(shù)的飛速發(fā)展，遙感圖像、地圖數(shù)據(jù)深入我們生活的各個方面，這兩種類型的數(shù)據(jù)是GIS行業(yè)的基本數(shù)據(jù)支撐。數(shù)字圖像處理主要內(nèi)容包括數(shù)字圖像基本知識、圖像變換、增強、復(fù)原、壓縮編碼、分割與分析，其中大部分相關(guān)技術(shù)是GIS功能的主要體現(xiàn)，是GIS的底層操作基礎(chǔ)，如GIS中的數(shù)字化、編輯、查詢、存儲等都是運用數(shù)字圖像處理的理論。

GIS的主要數(shù)據(jù)源是遙感圖像，而數(shù)字圖像處理正是遙感圖像用于GIS研究的一項主要工作，GIS要實現(xiàn)動態(tài)分析離不開海量數(shù)據(jù)，對海量數(shù)據(jù)的處理就需要用數(shù)字圖像技術(shù)進行壓縮和編碼。例如，在講數(shù)字化技術(shù)時，使用GIS對遙感圖像進行矢量化（即數(shù)字化）得到基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)這一應(yīng)用進行知識的講解和實驗展示;在講授圖像描述與分析時，可以引入基于遙感圖像進行道路網(wǎng)自動識別的應(yīng)用進行講授，這一過程通過使用目標的統(tǒng)計特性進行紋理描述，整個過程不需要人工參與，可以自動檢測路網(wǎng)信息，而且不受圖像明暗程度限制，實現(xiàn)效果較好。數(shù)字圖像處理中相關(guān)技術(shù)在GIS應(yīng)用中的場景很多，可以根據(jù)所學(xué)知識選取相應(yīng)的案例進行講授。

新的教學(xué)模式下，將GIS應(yīng)用與數(shù)字圖像處理技術(shù)相結(jié)合，使用實際案例對本課復(fù)雜的理論知識進行講解，這樣在加深學(xué)生理解知識點的同時提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主觀能動性，由于選取的應(yīng)用更貼近實際生活，學(xué)生在課堂上可以根據(jù)自己實際的經(jīng)驗進行大膽的發(fā)言和討論，活躍課堂氛圍。

4.結(jié)束語

鑒于GIS應(yīng)用的廣泛性和與數(shù)字圖像處理技術(shù)的密切相關(guān)性，在教學(xué)中引入和生活較為貼近的GIS相關(guān)的應(yīng)用，加入GIS中常用的數(shù)據(jù)編輯、查詢、壓縮等涉及數(shù)字圖像處理技術(shù)的知識進行講授，將該課程的實踐教學(xué)進行全面創(chuàng)新和改革，讓學(xué)生了解該技術(shù)在生活中的實用性和如何應(yīng)用，加深學(xué)生對相關(guān)技術(shù)的理解，激發(fā)學(xué)生的思維創(chuàng)新，從根本上改變這門課程原本的乏味枯燥的教學(xué)模式。

通過對數(shù)字圖像課程進行一系列的教學(xué)改革實踐后，教學(xué)模式從根本上得到了改善，教學(xué)實踐也變得有趣味和可理解，這種將理論與實際應(yīng)用相結(jié)合的教學(xué)，加深了學(xué)生對知識點的掌握，激發(fā)了學(xué)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的實際動手能力，取得了較好的教學(xué)效果。

參考文獻：

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[7]黃杏元，馬勁松.地理信息系統(tǒng)概論[M].高等教育出版社，2008.

作者簡介：

都娥娥，南京工業(yè)大學(xué)浦江學(xué)院講師，碩士，研究方向為地理信息系統(tǒng)空間分析、人工智能。

張會影，南京工業(yè)大學(xué)浦江學(xué)院副教授，碩士，研究方向為機器學(xué)習(xí)。

圣文順，南京工業(yè)大學(xué)浦江學(xué)院副教授，碩士，研究方向為模式識別、計算機視覺。