涉海類地方高校遙感實踐課程教學改革研究

田義超，張強，陶進，張亞麗，楊永偉，林俊良

（1. 北部灣大學 資源與環境學院，廣西 欽州；2. 北部灣大學 海洋地理信息資源開發利用重點實驗室，廣西 欽州）

一 引言

作為我國唯一與東盟國家陸海相鄰的地區，廣西北部灣沿海地區是西部陸海新通道的陸海交匯要沖，也是有機銜接“一帶一路”倡議的重要門戶。隨著中國- 東盟自由貿易區建設進程的快速發展，廣西在落實中央“三大定位”[1]的同時，將加大海洋資源的采集、開發、建設及其海洋生態環境應用研究的力度。而遙感技術具有短周期、大范圍、可重復觀測等特性，已經在海洋資源以及海洋生態環境監測中發揮著非常重要的作用[2-4]。

北部灣大學地理信息科學專業的前身是地理科學（地理信息系統方向），2004 年開始招生地理信息系統專科學生，2006 年設置地理信息系統本科方向，于2014 年正式設立地理信息科學本科專業并開始招生，2016 年被確定為自治區級創新創業教育改革示范專業，2018 年確定為廣西本科高校特色專業及實驗實訓教學基地（中心）建設專業，2020 年獲批廣西自治區級一流本科建設專業。該專業圍繞“地方性、海洋性、應用型、國際化”辦學特色，以北部灣海陸過渡帶及“一帶一路”各類地理信息的空間化集成為目標，堅持“產教融合、校企合作”辦學原則，培養具備良好的職業素養和堅實的專業理論知識，具有地理信息系統與地圖學、遙感、測繪等方面的基本理論、技術研究與應用開發能力，服務地方社會經濟發展的高層次應用型人才。遙感技術課程作為地理信息科學專業一門重要的專業必修課，是地理信息科學專業的核心課程，目前該課程的相關技術已經在陸地、海洋、海陸過渡帶以及海洋等領域得到了廣泛的應用[5]。

二 我校遙感課程開設存在的問題

（一） 野外調查實訓實驗環節缺失

遙感課程是一門實踐性非常強的課程，我校地理信息科學專業自設立以來，均將遙感課程作為地理信息科學專業的核心課程。然而該課程在開設過程中，任課教師主要以遙感的基本原理和基本概念講述為主，缺乏野外實踐環節，例如以遙感概論課程中涉及到遙感圖像解譯與圖像分類知識點，該知識點中的監督分類樣本需要學生根據野外實測樣本數據建立目標地物的分類特征。然而，我院任課老師在上課的過程中大多以學生家鄉的TM 衛星遙感數據為數據源，根據遙感圖像中的特征選擇分類樣本，但是通過這種方法分類的土地利用圖有可能存在著誤判的現象。為此需要根據課程的教學目標，帶學生去野外調查和實習考察才能獲取真實地物的分類樣本。野外實習和樣地調查對于學生認識和熟悉典型地物之間的分類特征、判讀和理解遙感圖像解譯過程以及提高學生的實踐動手能力都非常重要，但是目前這方面的工作遙感概論課程目前尚未開展。

（二） 遙感涉海類教學內容不明顯

由于我校屬于地方性海洋類院校，我院遙感課程的開設應該從“海- 陸- 空”三個層面入手，利用高空衛星、低空無人機遙感以及相關高新遙感技術對北部灣海岸帶國土資源進行調查、開發和利用，探明海陸交錯地帶中的資源環境演變規律，為政府部門決策及服務提供科技支撐。但是，目前該課程涉及的相關實驗教學主要以土地利用解譯、土地利用分類以及遙感圖像矯正等基礎知識講述和操作為主，大部分的實驗素材都是TM 數據，實驗類課程報告也主要以圖像分類結果制圖為主，缺乏海岸帶以及海洋遙感參數反演方面的遙感應用。

（三） 遙感課程公式抽象難以理解

遙感原理中涉及大量的數學公式和大學物理基礎，學生在理解遙感原理和遙感中的輻射傳輸模型時，對于很多物理模型無法理解。加之遙感原理中涉及很多遙感圖像處理和計算機方面的專業公式和算法，如果在學習的過程中沒有讓學生開展實踐教學環節，學生對于遙感專業知識的學習很難得到提升。

（四） 遙感課程中科學研究思維較弱

我院遙感課程在教學過程中，缺少對學生科學研究素養的培養。按照國家教育部對遙感方向的人才培養目標，明確指出要培養三類人才，分別是拔尖創新型人才、復合應用型人才和國際化人才[6]。其中拔尖創新型人才著重培養學生的創新能力，而創新能力的培養筆者認為可以通過參加老師的遙感類科研項目得到提升，這類科研項目可以是橫向也可以是指導老師的縱向項目，例如國家自然科學基金以及省部級基金等科學研究項目。

三 遙感課程改革的理念

筆者認為，在我校開展遙感概論以及遙感圖像處理課程首先必須緊扣我校的辦學目標和辦學定位，以海岸帶的生態環境變化以及生態系統過程為研究內容，教學過程中融入海岸帶生態環境及其變化的相關教學內容，同時結合北部灣大學資源與環境學院的激光雷達、多光譜無人機、五鏡頭無人機等教學設備獲取的多源遙感數據，在野外調研和實訓實踐的基礎上開展案例教學。案例教學過程中以遙感概論的基本理論知識為基礎，以海岸帶實際典型案例項目為支撐，融入基礎科學研究思維，將理論和野外實踐相結合，注重學生動手能力和實踐操作能力的培養[7]。通過案例教學，既提高了學生的科學研究思維素養，也提高了學生的實踐動手能力。

四 遙感課程案例教學實證研究

遙感領域中的前沿知識融入到本科生的教學過程中，有助于本科生全面系統的了解遙感的最新處理技術和處理方法，也有助于使本科生來了解遙感領域的最新傳感器和數據處理的方法和模型，通過讓學生積極參與科研項目和執行科研項目，不斷提升學生遙感數據采集、處理和分析等方面的能力，不斷錘煉學生的創新能力。

我校北部灣大學處于西部陸海新通道的關鍵節點，北部灣大學是廣西唯一擁有涉海類專業的本科高校，學校依海而建。海邊有大量的濕地資源，包括紅樹林、海草床、茳芏以及互花米草等濕地資源。前期項目主持人田義超在紅樹林領域獲得了2 項省級基金項目，其中廣西科技計劃項目“近海岸雙頻激光LiDAR 探測儀產品開發與應用示范”項目中我們承擔了激光雷達數據應用與示范子課題，子課題的名稱為“基于雙頻LiDAR 技術的紅樹林群落對地貌過程的響應研究”，而項目主持人田義超承擔的另外一個項目是“廣西欽州灣紅樹林島群生態系統健康評價及應用示范”，這兩個項目都與紅樹林生態系統過程有關。項目的執行過程中涉及紅樹林的種類分類，而傳統的遙感圖像分類的方法主要有監督分類和非監督分類方法，分類的原理主要依據圖像像元之間的相似性進行判斷。而項目主持人承擔這兩個項目中都用到了激光雷達遙感技術，這種技術可以獲得地物的三維XYZ 點云信息，將激光點云信息融合到無人機低空遙感圖像中可以顯著提高分類的精度。為此，筆者將一個真實的科研項目成果應用到本科生的遙感圖像分類實踐教學中。圖1 為案例教學的技術流程，該技術流程主要包括紅樹林無人機激光點云數據航拍、野外數據的調查、解譯標志的建立、激光點云數據和無人機光譜數據的融合、機器學習算法的選擇，最后生成了區域的紅樹林分類結果。

圖1 基于無人機激光雷達的紅樹林分類技術流程

（一） 無人機激光遙感和光譜數據航拍

用DJI M600 PRO 無人機所搭載的普通數碼相機和以及HS40P 激光傳感器（a）對位于廣西茅尾海康熙嶺片區紅樹林試驗區進行低空控制飛行試驗與數據采集(c，e)，其硬件系統集成了激光雷達掃描儀、GNSS(b) 以及IMU 定位存儲器，還配備了一個數碼相機光學鏡頭。由于紅樹林在不同季節受到潮水淹沒的程度不一樣，為了實現紅樹林的低潮監測，于2018 年的12 月11 日下午3 點在當地潮位最低時進行拍攝，拍攝時首先對樣區進行航線規劃及其航拍參數的設置，其中拍攝的高度約70～100 m，垂直拍攝，設置航向及旁向重疊度為80%，選擇天氣晴朗、地面無持續風向且風力＜2 級的時段，確保所獲得的影像不受到大氣因素的影響。

（二） 紅樹林野外調查與解譯標志的建立

選取廣西茅尾海康熙嶺片區的紅樹林進行樣地調查，調查之前首先對研究區的紅樹林進行野外實地勘察，主要涉及紅樹林的樹種、栽種模式以及當地潮位信息，再通過樣方調查方法對紅樹林進行調查。由調查結果可知，研究區中有兩種紅樹林樹種，分別是無瓣海桑和桐花樹，其中研究區北部地區的無瓣海桑是通過人工種植，而南部的桐花樹群落則是當地的樹種。采用RTK 儀器得到樣區內每棵樹的X 坐標和Y 坐標位置，隨后采用ArcGIS10.5 將其放入到數據庫中。圖3 為本團隊學生參加科研項目時設計的樣地調查記錄表，野外調查雖然簡單，但是對于學生來說意義非常重大，學生通過參與野外實地調查，使學生學會了基本的紅樹林樹種的識別以及紅樹林植被覆蓋度的估算方法，更重要的是學生掌握了不同樹種在無人機遙感圖像上的具體特征。

圖3 紅樹林遙感地面調查表記錄

圖2 無人機系統組成

圖4 紅樹林地物野外調查

（三） 紅樹林激光點云的處理和生成

利用Novatel Intertial Ecplorer 軟件結合IMU 數據以及GNSS 對原始的紅樹林回波信息進行解算，可以得到研究區的三維激光點云信息，激光點云數據可以很容易地反映紅樹林、地表以及灘涂的分層結構，圖5 為典型地區紅樹林激光點云的數據三維結構。

圖5 典型地區紅樹林激光點云數據

（四） 紅樹林激光點云數據和RGB 數據融合

原始的無人機低空遙感數據具有典型的RGB波段信息，采用原始的監督分類方法無法對高分辨率的無人機圖像進行分類，為此，學生在室內開展實驗時，可以將激光點云生成的強度信息或者高度信息作為單獨的波段融合到RBG 數據中，因此將Pix4d 得到的RGB 光譜信息、非監督分類ISO 數據以及激光點云的強度/高度信息進行組合，基于分類與回歸樹CART 方法[9]、EML 機器學習[10]、SVM 支持向量機[11]、RBF 神經網絡[12]等機器學習算法對融合后的數據進行分類。本文選擇了CART 方法對紅樹林樹種進行了分類，分類精度為85.42%，可用于研究區不同紅樹林樹種的生物量反演，圖6 為CART方法得到的無瓣海桑和桐花樹空間分布狀況。

圖6 原始RGB 無人機影像和分類結果

五 結語

本文總結了北部灣大學遙感概論課程教學過程中存在的問題，在我校辦學目標和辦學定位的基礎上，提出了涉海類地方高校遙感實踐課程教學改革研究的方向，將遙感技術中的激光點云前沿技術應用到本科遙感課程的教學內容中。針對課程設計方案，提出了案例教學的思想，在案例教學過程中以遙感概論的基本理論知識為基礎，以海岸帶實際典型案例項目為支撐，融入基礎科學研究思維，將理論和野外實踐相結合，注重學生動手能力和實踐操作能力的提升。通過海岸帶紅樹林分類典型案例教學實踐，既提高了學生的科學研究思維素養，更重要的是學生掌握了激光點云前沿技術，能夠將所學知識應用到海岸帶紅樹林濕地的分類中，提高了學生解決問題的能力。