“遙感基礎(chǔ)與應(yīng)用技術(shù)”啟發(fā)式教學(xué)探索

郭宇龍，馮新偉，石凌飛

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450002）

引言

“遙感基礎(chǔ)與應(yīng)用技術(shù)”是人文地理與城鄉(xiāng)規(guī)劃、土地資源管理、土地整治工程等專業(yè)的基礎(chǔ)課程，熟練掌握遙感技術(shù)基本原理及遙感數(shù)字圖像的處理，能為相關(guān)專業(yè)學(xué)習(xí)提供基礎(chǔ)資料，無(wú)論在學(xué)生就業(yè)或是讀研深造過(guò)程中，都是一項(xiàng)重要技能。在當(dāng)前的政策背景下，對(duì)城市發(fā)展［1］、鄉(xiāng)村振興過(guò)程中的生態(tài)與環(huán)境監(jiān)測(cè)［2］提出了新的要求。對(duì)遙感技術(shù)更加全面、深入地掌握也逐漸成為相關(guān)行業(yè)不可或缺的技能。但筆者在教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，遙感領(lǐng)域的很多基本概念比較深?yuàn)W難懂，對(duì)不同專業(yè)背景學(xué)生的理解造成很大困難。前期教學(xué)過(guò)程結(jié)束之后，經(jīng)常出現(xiàn)學(xué)生一知半解，實(shí)踐課程中雖然也能完整地進(jìn)行操作，但對(duì)數(shù)據(jù)的理解較為困難，只會(huì)根據(jù)現(xiàn)有流程處理現(xiàn)有數(shù)據(jù)。一旦研究對(duì)象發(fā)生變更，就很難再利用學(xué)過(guò)的理論知識(shí)對(duì)實(shí)踐任務(wù)進(jìn)行指導(dǎo)。究其原因，主要是因?yàn)閷?duì)理論知識(shí)不理解、不熟悉，掌握得不牢靠。

如何更有效地進(jìn)行遙感教學(xué)，長(zhǎng)期以來(lái)受到諸多一線教師的關(guān)注［3］。針對(duì)上述問(wèn)題，筆者近幾年以啟發(fā)式教學(xué)為基礎(chǔ)，進(jìn)行了一系列嘗試，取得了比較好的效果。從課堂互動(dòng)、理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)三方面進(jìn)行總結(jié)。

一、課堂互動(dòng)

（一）課前回顧部分

以往通常是教師提問(wèn)、學(xué)生回答的模式。這種模式雖然也可以對(duì)上節(jié)課知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行回顧，但很難調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。通過(guò)探索，在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中采用“搶答”的方式進(jìn)行課前回顧。不設(shè)置問(wèn)題，學(xué)生只需要對(duì)上節(jié)課講授內(nèi)容中自己印象比較深刻、理解比較透徹的點(diǎn)進(jìn)行講述。盡量把一個(gè)知識(shí)點(diǎn)講清楚，而不是大而全的“背課本”。根據(jù)表述內(nèi)容，計(jì)入平時(shí)成績(jī)，納入期末考核。這種方式可以在考查學(xué)生是否真實(shí)掌握了相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的同時(shí)，鍛煉其語(yǔ)言組織能力和表達(dá)能力。只有對(duì)知識(shí)點(diǎn)有深入的理解才能講清楚。這也是一個(gè)更加客觀的考查方法。

在教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在接受教育的過(guò)程中，更多還是以輸入為主。更擅長(zhǎng)被動(dòng)地接受知識(shí)點(diǎn)，不擅長(zhǎng)將知識(shí)點(diǎn)或者觀點(diǎn)用自己的話表達(dá)出來(lái)。這無(wú)論對(duì)就業(yè)還是繼續(xù)深造，都是不利因素。通過(guò)“搶答”的方式，激勵(lì)學(xué)生主動(dòng)回顧知識(shí)點(diǎn)，主動(dòng)組織語(yǔ)言，最后復(fù)述出來(lái)。通過(guò)教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，經(jīng)常有學(xué)生信心滿滿地開始，但并不能完整地描述出來(lái)。這種教學(xué)模式可以讓學(xué)生更加準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)自己的知識(shí)盲區(qū)或者理解不深刻的點(diǎn)。在此環(huán)節(jié)結(jié)束之后，教師根據(jù)學(xué)生的復(fù)述情況，對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)講解。既能有針對(duì)性地幫助學(xué)生理解重難點(diǎn)，也能整體回顧上節(jié)課的內(nèi)容。

（二）課后復(fù)習(xí)部分

利用超星學(xué)習(xí)通平臺(tái)，把本節(jié)課的重要知識(shí)點(diǎn)錄成短視頻，上傳至平臺(tái)，以任務(wù)點(diǎn)的形式讓學(xué)生重點(diǎn)復(fù)習(xí)。這種形式在平時(shí)上課時(shí)，便于回顧課上的重點(diǎn)知識(shí)；在期末復(fù)習(xí)中，便于學(xué)生梳理整門課的知識(shí)點(diǎn)，發(fā)揮了良好的作用。通過(guò)教學(xué)實(shí)踐檢驗(yàn)，這種課堂互動(dòng)方式可以很好地把整體知識(shí)點(diǎn)與重難點(diǎn)的回顧相結(jié)合，有效地激活課堂，同時(shí)鍛煉學(xué)生的語(yǔ)言組織與表達(dá)能力。在疫情管控期間也可以發(fā)揮比較理想的教學(xué)效果。

二、理論課“兩張圖”啟發(fā)式教學(xué)模式

（一）遙感過(guò)程示意圖

遙感過(guò)程示意圖是“兩張圖”模式的第一張圖。這張圖在大量遙感相關(guān)教材及報(bào)告中都有體現(xiàn)。教學(xué)中，不能簡(jiǎn)單地把這張圖理解為遙感過(guò)程這一簡(jiǎn)單概念?？梢岳寐?lián)想和啟發(fā)，把大量知識(shí)點(diǎn)與遙感過(guò)程示意圖聯(lián)系起來(lái)。在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，這種方式能更好地促進(jìn)學(xué)生理解遙感的很多基本概念。遙感過(guò)程包括太陽(yáng)輻射過(guò)程、地表反射過(guò)程及傳感器記錄過(guò)程三個(gè)部分。下面對(duì)三個(gè)部分通過(guò)啟發(fā)—關(guān)聯(lián)知識(shí)點(diǎn)的方式展開。

1.遙感過(guò)程中包含的第一個(gè)過(guò)程就是太陽(yáng)輻射能量到達(dá)地表的過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，可以有如下設(shè)問(wèn)及關(guān)聯(lián)知識(shí)點(diǎn)：（1）太陽(yáng)輻射的電磁波能量有哪幾種？關(guān)聯(lián)知識(shí)點(diǎn)有電磁波譜、黑體輻射、太陽(yáng)輻射特征等。（2）為什么晴朗的天空呈現(xiàn)藍(lán)色，而陰雨天氣的天空是灰色的？這里關(guān)聯(lián)的知識(shí)點(diǎn)有大氣成分、光在大氣中的傳播、瑞利散射、米散射和非選擇性散射等。這些實(shí)例可以拉近學(xué)生與遙感中陌生名詞之間的距離，對(duì)概念理解有重要作用。

2.第二個(gè)過(guò)程是太陽(yáng)光到達(dá)地表之后，地表反射的能量。在這個(gè)過(guò)程中，可以有如下設(shè)問(wèn)及關(guān)聯(lián)知識(shí)點(diǎn)：（1）視覺信息是如何產(chǎn)生的？關(guān)聯(lián)的知識(shí)點(diǎn)有圖像中物體形狀和顏色的關(guān)聯(lián)、視覺信息的本質(zhì)等。（2）為什么清澈的水體呈現(xiàn)深藍(lán)色，而黃河水體是黃色？關(guān)聯(lián)的知識(shí)點(diǎn)有典型地物反射率光譜特性、光譜反射率與地物顏色之間的關(guān)系等。（3）疫情期間商場(chǎng)門口會(huì)有紅外測(cè)溫儀，是什么原理？關(guān)聯(lián)的知識(shí)點(diǎn)有發(fā)射率、黑體輻射、地表溫度反演等。

3.第三個(gè)過(guò)程是搭載于衛(wèi)星的傳感器記錄地表信息，即遙感影像，并傳輸?shù)椒?wù)器中，形成現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)上公開下載數(shù)據(jù)的過(guò)程。這個(gè)部分可以有如下設(shè)問(wèn)及關(guān)聯(lián)知識(shí)點(diǎn)：（1）為什么遙感衛(wèi)星要有不同的平臺(tái)？這里關(guān)聯(lián)的知識(shí)點(diǎn)有遙感的發(fā)展歷史、傳感器成像機(jī)理、遙感平臺(tái)的類型等。（2）為什么不同的傳感器參數(shù)會(huì)有這么大的差異？為什么不設(shè)置一套國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定所有的遙感影像具有統(tǒng)一的分辨率？涉及的知識(shí)點(diǎn)有傳感器特征、遙感應(yīng)用，以及遙感影像信噪比這一重要概念。（3）遙感傳感器拍攝地表影像，與我們出去旅游拍攝風(fēng)景照的過(guò)程看似相同，但這里面有什么本質(zhì)區(qū)別？涉及的知識(shí)點(diǎn)有遙感衛(wèi)星的重訪周期、圖像的時(shí)間分辨率、遙感影像的空-地傳輸?shù)取?/p>

這些知識(shí)點(diǎn)都是理論課的基礎(chǔ)概念，但如果拋開遙感過(guò)程，獨(dú)立地對(duì)每個(gè)概念進(jìn)行講解，學(xué)生很難深入理解。如果對(duì)遙感基本原理和地物屬性不理解，在實(shí)踐課中盲目地對(duì)圖像進(jìn)行處理，在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)造成大量事實(shí)性錯(cuò)誤。所以遙感技術(shù)的教學(xué)絕不應(yīng)該以技術(shù)流程的掌握為目的，而是要更多地注重對(duì)遙感機(jī)理的理解。在進(jìn)行處理時(shí)，對(duì)影像有充分的了解，就可以避免盲目的流程化操作。

（二）遙感數(shù)據(jù)—遙感圖像—遙感反射率光譜的關(guān)系圖

地物反射率曲線和遙感圖像之間的關(guān)聯(lián)無(wú)論在理論上，還是在實(shí)踐中，都有非常重要的地位。然而，在遙感部分教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)二者之間的關(guān)聯(lián)理解得一直不透徹。理論課上聽得一知半解，導(dǎo)致在實(shí)踐課上只能跟著既定流程走。最典型的例子是在進(jìn)行大氣校正之后，不知道如何判斷校正結(jié)果是否準(zhǔn)確、不知道如何根據(jù)反射率曲線形狀判斷地物在圖像上應(yīng)該呈現(xiàn)的顏色。第二張圖就是以遙感數(shù)據(jù)—遙感圖像—遙感光譜反射率之間的關(guān)系為基礎(chǔ)（見圖1），概括圖像處理基礎(chǔ)相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)。

圖1 遙感數(shù)據(jù)—遙感圖像—地物反射率光譜曲線的關(guān)系圖

1.首先強(qiáng)調(diào)遙感數(shù)據(jù)是三維立方體。地物的反射率信息被傳感器記錄下來(lái)，形成三維立方體。三個(gè)維度分別是兩個(gè)空間維度（XY）和一個(gè)光譜維度（Z）。引導(dǎo)問(wèn)題：為什么遙感影像要存儲(chǔ)成三維立方體？從成像原理的角度，可以這樣解釋：地物的反射能量在空間方向和光譜方向都有差別，所以遙感數(shù)據(jù)本質(zhì)上就是三維數(shù)據(jù)。光場(chǎng)在水平空間方向上的量化存儲(chǔ)，構(gòu)成了XY維度的信息，在光譜方向上的量化存儲(chǔ)，構(gòu)成了Z維度的信息。但是，在借助顯示器等輸出設(shè)備顯示時(shí)，由于顯示設(shè)備是平面，只能精確地顯示兩個(gè)維度的信息，所以有了遙感圖像和遙感反射率光譜曲線這兩種遙感數(shù)據(jù)的表示方法。這其中包含的知識(shí)點(diǎn)有：遙感圖像的特征、遙感數(shù)字圖像的本質(zhì)、反射率光譜。

2.在遙感圖像維度，引導(dǎo)問(wèn)題：為什么要有像標(biāo)準(zhǔn)真彩色合成和標(biāo)準(zhǔn)假彩色合成這樣不同的圖像合成模式？涉及顯示器的成像原理，需要挑選RGB三個(gè)通道對(duì)應(yīng)的波段，這里不同的選擇會(huì)對(duì)應(yīng)不同的圖像特點(diǎn)。如標(biāo)準(zhǔn)真彩色合成和標(biāo)準(zhǔn)假彩色合成就是因?yàn)橥ǖ肋x擇不同產(chǎn)生的。這里涉及的知識(shí)點(diǎn)有：遙感圖像的彩色合成、顯示器成像原理、加色法等。

3.在光譜維度，光譜曲線相對(duì)抽象，對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)相對(duì)陌生，很難找到一個(gè)很好的實(shí)例去對(duì)應(yīng)。這部分的引導(dǎo)問(wèn)題需要結(jié)合遙感圖像的顏色進(jìn)行，引導(dǎo)問(wèn)題：為什么標(biāo)準(zhǔn)假彩色合成的圖像中，植被會(huì)呈現(xiàn)紅色？需要結(jié)合圖像顏色和兩種彩色合成方式對(duì)反射率曲線和圖像顏色之間的關(guān)系進(jìn)行深入講解。如假彩色合成中植被呈現(xiàn)紅色，是因?yàn)镽通道采用近紅外波段的圖像，而近紅外波段恰好就是植被最顯著的一個(gè)反射峰。這里涉及的知識(shí)點(diǎn)有：地物的反射光譜曲線、圖像拉伸等。

以上知識(shí)點(diǎn)統(tǒng)一在遙感數(shù)據(jù)是三維數(shù)據(jù)這個(gè)大框架展開，通過(guò)信息獲取和信息表達(dá)方式的講解，更有利于學(xué)生理解反射率光譜曲線和遙感圖像的彩色合成。

三、實(shí)踐課

實(shí)踐課是“遙感基礎(chǔ)與應(yīng)用技術(shù)”課程中非常重要的部分。因?yàn)槔碚撜n部分包含大量抽象不易理解的知識(shí)點(diǎn)，比如卷積濾波、主成分變換、大氣校正等。學(xué)生對(duì)這些概念很難建立直觀的認(rèn)識(shí)。而實(shí)踐課的重要任務(wù)就是讓學(xué)生直觀地感受到這些處理的輸入、輸出分別是什么，以更加深入地理解遙感數(shù)字圖像處理的必要性，同時(shí)更好地理解理論知識(shí)。

實(shí)踐課包括兩部分，首先是穿插在理論課中的一些展示內(nèi)容，用ENVI軟件直觀地展示一些遙感的基本概念，輔助理解。重點(diǎn)是上機(jī)操作的部分，實(shí)踐課以掌握ENVI軟件為基本。主要講授常用遙感影像的下載、輻射定標(biāo)、大氣校正、幾何校正等預(yù)處理；直方圖拉伸、濾波等增強(qiáng)處理；監(jiān)督分類、非監(jiān)督分類等應(yīng)用。考查方式為提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。下面將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與理論課銜接的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行列舉。

實(shí)驗(yàn)一主要進(jìn)行ENVI軟件操作邏輯的講解。以ENVI經(jīng)典界面為例，展示顯示器顯示一幅彩色圖片的過(guò)程，以及磁盤—內(nèi)存—顯示器之間的配合關(guān)系。主要涉及的知識(shí)點(diǎn)有遙感數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方式、加色法、彩色圖像的顯示原理、反射率光譜曲線等。實(shí)驗(yàn)二進(jìn)行圖像直方圖拉伸。主要要求掌握彩色圖片與各個(gè)波段直方圖特征之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在當(dāng)前圖像視覺效果出現(xiàn)顏色問(wèn)題時(shí)，可以準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，定位需要調(diào)整的波段；同時(shí)了解ENVI軟件中直方圖調(diào)整的基本方法，完成異常圖像顏色校正。難點(diǎn)主要是直方圖與校正變換函數(shù)繪制在同一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)下的內(nèi)涵。涉及的知識(shí)點(diǎn)有直方圖、線性變換、非線性變換等。實(shí)驗(yàn)三進(jìn)行圖像幾何校正。要求掌握地面控制點(diǎn)選取的原則、樣點(diǎn)誤差選取和控制的方法，以及幾種重采樣方式的適用范圍。涉及的知識(shí)點(diǎn)有幾何畸變、校正變換函數(shù)、重采樣、地面控制點(diǎn)及其選取原則。實(shí)驗(yàn)四進(jìn)行波段運(yùn)算的學(xué)習(xí)。要求掌握波段運(yùn)算的基本原理與自變量定義方法，了解數(shù)據(jù)類型對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。涉及的知識(shí)點(diǎn)有遙感數(shù)字圖像、地物反射光譜特性等。實(shí)驗(yàn)五進(jìn)行實(shí)際操作，完成影像數(shù)據(jù)的輻射定標(biāo)和大氣校正。以國(guó)產(chǎn)高分一號(hào)衛(wèi)星影像為例，根據(jù)提供的資料進(jìn)行輻射定標(biāo)和大氣校正處理。相關(guān)知識(shí)點(diǎn)有遙感影像的特征、大氣對(duì)輻射傳輸?shù)挠绊憽⒌匚锓瓷渎使庾V曲線等。實(shí)驗(yàn)六進(jìn)行遙感制圖，主要介紹ENVI及ArcMAP軟件進(jìn)行專題圖制作的基本思路和方法。

以實(shí)驗(yàn)報(bào)告的形式對(duì)上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行考查，可以大體掌握學(xué)生對(duì)遙感圖像各個(gè)層次相關(guān)處理的理解。但在以往的教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，通常學(xué)生更容易把重點(diǎn)放在完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)上，跟著教師一步步做好之后，實(shí)驗(yàn)報(bào)告簡(jiǎn)單寫一寫就結(jié)束。更在意結(jié)果，不注重過(guò)程。針對(duì)該問(wèn)題，嘗試交換實(shí)驗(yàn)報(bào)告的方式。把學(xué)生一一對(duì)應(yīng)分成兩組，分別完成不同的處理任務(wù)，并撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，之后交換實(shí)驗(yàn)報(bào)告，按照對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，完成對(duì)方的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。這樣，每個(gè)學(xué)生的成績(jī)會(huì)受到實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容詳細(xì)程度和易讀程度兩個(gè)方面的制約。在評(píng)分時(shí)，會(huì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫者和閱讀者兩個(gè)部分打分。以達(dá)到對(duì)學(xué)生的實(shí)際操作能力及實(shí)驗(yàn)報(bào)告詳細(xì)程度與理解難易進(jìn)行全方位客觀評(píng)價(jià)的目的。

結(jié)語(yǔ)

“遙感基礎(chǔ)與應(yīng)用技術(shù)”課程包含豐富的理論知識(shí)，同時(shí)有大量的實(shí)踐需求。對(duì)學(xué)生的抽象思維、邏輯思維有一定的挑戰(zhàn)，但同時(shí)也可以鍛煉學(xué)生的這些能力。通過(guò)啟發(fā)式教學(xué)，有機(jī)配合實(shí)踐課內(nèi)容，才能讓學(xué)生更好地掌握遙感技術(shù)的理論知識(shí)及軟件操作，提升學(xué)生利用遙感技術(shù)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，提高工作能力和科研能力。