PIE系列遙感軟件在測繪類專業體驗式教學中的應用

張成業 李 軍 趙恒謙 劉東升 任 芳 王宏鵬

（1.中國礦業大學（北京）地球科學與測繪工程學院，北京 100083；2.中國礦業大學（北京）煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京 100083；3.航天宏圖信息技術股份有限公司，北京 100195）

0 引言

近年來，隨著航空航天、計算機、光電成像、傳感器制造等技術的快速發展，遙感技術無論是在數據、算法、算力，還是應用上都取得了長足的進步，目前已經廣泛應用于農業、林業、水利、交通、地質、生態環境、防災減災、軍事偵察、城市建設等各個行業領域［1-6］，在國民經濟和社會生產中發揮了越來越多的作用，與此同時也受到了美國、英國、法國、俄羅斯等世界主要大國的廣泛重視。

然而長期以來，我國各類高等院校、科研院所、工程應用單位在遙感數據處理任務中絕大多數使用國外版權的軟件，為國產遙感技術的獨立自主發展和國家地理信息安全埋下了一定的隱患。其主要原因之一，就是現階段高校測繪類專業實踐課程教學長期依賴國外版權的遙感軟件，國產遙感軟件的實踐教學內容涉及較少。根據教育部公布的“普通高等學校本科專業目錄（2020 年版）”，高校測繪類專業包括測繪工程、遙感科學與技術、導航工程、地理國情監測、地理空間信息工程等，是向社會輸送各層次遙感人才的重要源頭。如果單純使用國外版權的軟件進行遙感實踐教學，必然導致學生后續無論是讀研深造還是從事遙感一線應用工作，都習慣于依賴國外版權的遙感軟件完成數據處理任務。為了從源頭上減輕對國外版權軟件的依賴，有必要開展國產遙感軟件在測繪類專業實踐教學中的應用研究，推動國產遙感軟件在高校的使用和發展。

像素專家（pixel information expert，PIE）系列遙感軟件由航天宏圖信息技術股份有限公司研發，具有國產完全自主知識產權，目前已經在國內的氣象、農業、林業、水利、國土、環境保護等多個行業開展了廣泛應用，發表了一系列的成果［7-12］。然而，相對于PIE系列遙感軟件在國內迅速發展應用的現狀來說，PIE 相關的本科教學研究尚處在起步階段。2021 年，PIE 軟件的系列實踐教材相繼出版，分別為《PIE 遙感圖像處理基礎教程》［13］《PIE 遙感圖像處理專題實踐》［14］《PIE 遙感圖像處理二次開發教程》［15］。三本教材分別從基礎操作、專題操作、二次開發這三個方面按照教學需求層層遞進的思路為PIE本科實踐教學提供了基礎資料。然而，教材只是實踐教學實施過程中的工具之一，PIE 真正走進高校課堂還需要教學大綱、教案、教學視頻等一系列教學素材。尤其是國產遙感軟件功能是否適合測繪類本科實踐教學的特點、是否能夠滿足本科教學的需求，值得進一步分析探討以及案例試驗。然而，經文獻檢索發現，尚未有公開的論文對PIE 系列遙感軟件進行教學方面的研究。

測繪工程、遙感科學與技術等測繪類本科專業對工程實踐的要求具有復雜性、嚴謹性以及一定程度的機械重復性。學生在實踐操作中容易滋生“興趣低、不愿學”的負面情緒［16-18］。體驗式教學是通過各類型的情境教學來幫助學生認識事物與學習知識，能夠使學生以親身體驗的方式完全參與學習過程，使學生由被動角色轉變為真正的主角，充分激發學生的學習興趣［19-21］。基于體驗式教學理念進行實踐教學方案設計，能夠讓PIE 系列遙感軟件在測繪類專業實踐教學中寓教于樂——讓學生既能體會到實踐課程的樂趣，又能掌握專業技能。

本文從測繪類本科專業遙感實踐課程教學的角度出發，分析PIE 系列遙感軟件在教學應用中的必要性和適用性，充分利用體驗式教學理念和翻轉課堂，設計教學案例并在本科教學實踐中進行試驗，以期為PIE 在測繪類專業體驗式實踐教學中的推廣應用提供借鑒，推動國產遙感軟件實踐教學的發展。

1 PIE軟件體系

PIE 系列遙感軟件主要面向國內外主流的遙感影像數據提供圖像預處理、信息解譯與提取、參數反演、專題制圖等多種功能［22-23］。自2008 年以來，PIE 從1.0 版本發展到目前廣泛使用的6.0版本。以PIE 二次開發工具（PIE-SDK）為支持，主要工具軟件包括：遙感圖像基礎處理軟件（PIE-Basic）、衛星影像測繪處理軟件（PIEOrtho）、雷達影像數據處理軟件（PIE-SAR）、高光譜影像數據處理軟件（PIE-Hyp）、無人機影像數據處理軟件（PIE-UAV）、尺度集影像分析軟件（PIE-SIAS）、遙感圖像智能處理軟件（PIE-AI）、地理信息系統軟件（PIE-MAP），主界面如圖1所示。此外，還包括遙感云服務平臺PIE-Engine。

圖1 PIE 6.0版本主界面

PIE-Basic 主要面向國內外主流的常規遙感載荷數據，實現輻射校正、幾何校正、波段運算、專題制圖等常見的遙感圖像處理基礎功能。PIE-Ortho 主要側重于控制點生成、影像自動匹配、聯合平差等衛星影像幾何處理功能。PIESAR 主要提供相位提取、相干性計算、相位解纏、極化分解等合成孔徑雷達（synthetic aperture radar，SAR）數據常見的處理功能。PIE-Hyp 主要側重于光譜庫建立、光譜瀏覽、端元數目估算、端元提取、混合像元分解等高光譜影像數據常見的處理功能。PIE-UAV 支持多種框幅式數碼相機拍攝、任意航跡的無人機影像自動處理等。PIESIAS主要側重于尺度集分割、人工樣本選擇、自動樣本選擇等面向對象分類所需的功能。PIE-AI主要支持基于深度學習的遙感影像自動化和智能化分類與目標識別。PIE-MAP主要提供空間數據管理、查詢分析、地理標繪、矢量編輯、二維及三維動態可視化等地理信息系統（geographic information system，GIS）數據處理功能。PIE-Engine 主要提供在線可編程的遙感圖像數據處理服務。

綜上所述，PIE 系列各個軟件面向的遙感數據、處理功能各有側重，優勢互補，這為走進測繪類專業實踐教學課堂奠定了基礎。

2 教學應用的必要性分析

在測繪類專業的遙感實踐課程中大量增加國產遙感軟件教學內容是一種需要付出大量人力、物力、財力的教學改革。本文從維護國家地理信息安全、支持國產遙感衛星事業發展、服務于課程思政教育這三個方面對國產遙感軟件教學應用的必要性進行分析。

2.1 維護國家地理信息安全

國家地理信息安全是國家核心利益的基礎，事關國家的主權、安全和發展［24］。國外遙感軟件無法長期保障國民經濟重要行業和事關國家安全的關鍵領域對遙感數據處理的需求，一旦國外軟件停止服務，將會造成一定時期內無法有效處理遙感數據的尷尬局面。此外，遙感圖像處理軟件直接關系到遙感數據的信息安全，對一些國外軟件在線服務功能的使用，具有地理信息數據泄露的風險。國產遙感軟件走入課堂教學有助于提升學生對國產軟件的操作技能，從長遠來看，可以保證緊急情況下大量遙感數據能夠得到及時有效的處理，支撐國家各行業部門對遙感數據處理的應用需求，維護國家地理信息安全。

2.2 支持國產遙感衛星事業發展

發展國產遙感衛星是《國家民用空間基礎設施中長期發展規劃（2015—2025 年）》的重要要求。經過多年發展，先后建設了資源系列、測繪系列、環境減災系列、高分專項系列、自然資源業務星座等民用陸地觀測衛星，以及風云系列、海洋系列等氣象和海洋衛星，獲取了海量衛星遙感影像數據，為各行業社會建設作出了巨大貢獻［25-28］。然而，國產遙感衛星事業的發展仍然需要繼續深挖現有海量數據的潛在應用價值。對國產高分系列、資源系列、風云系列等主流多源遙感影像數據兼容性和針對性處理，是PIE 國產遙感數據處理軟件相較于國外軟件的特色優勢。國產遙感軟件走入課堂教學能夠促進學生更多地使用國產遙感衛星數據，進一步發掘國產遙感衛星數據在各行業領域的應用價值，支持國產遙感衛星事業發展。

2.3 服務于思政教育

課程思政是將思想政治教育元素融入各門課程中去，對學生產生潛移默化的影響。2020年，教育部印發《高等學校課程思政建設指導綱要》，要求全面推進高校課程思政建設，發揮好每門課程的育人作用。專業基礎課是課程思政建設的難點［29］：如何發揮好遙感實踐類課程在課程思政建設中的作用是高校測繪類專業共同面臨的難題。2020年，美國政府發布了一系列關于GIS、物聯網（Internet of things，IoT）類、MATLAB 等軟件限制出口中國的條例。在此背景下，PIE國產遙感數據處理軟件（圖1）對標國外一流的遙感軟件和遙感云服務平臺，掌握遙感軟件的國產完全自主知識產權，為在遙感實踐類課程中融入思政教育提供了很好的素材和切入點，有利于推進測繪類專業的課程思政教育發展。

3 教學應用的適用性分析

3.1 知識覆蓋性

PIE 系列遙感軟件具有豐富而強大的圖像處理功能、高度的遙感/地理信息系統集成功能、先進的圖像處理技術以及面向廣闊應用領域的產品模塊，功能涵蓋現有遙感相關課程的主要內容，難、易知識點均充分考慮。以《遙感數字圖像處理》課程為例，PIE 系列遙感軟件覆蓋課程主干知識，針對課程主要內容均有對應的功能模塊，如表1所示。

表1 遙感數字圖像處理課程主要內容及對應的PIE軟件模塊

3.2 數據兼容性

PIE 系列遙感軟件不僅支持對不同數據類型（柵格數據、矢量數據等）進行加載、顯示及處理，而且對資源系列、高分系列、環境系列、珠海系列等國產衛星數據的兼容性處理是其軟件特色功能。針對不同載荷、不同傳感器獲取的影像數據開發了相應的軟件包，幫助用戶快速、高效地提取有效信息。

3.3 人機交互性

PIE 系列遙感軟件采用微軟Ribbon 風格，界面簡潔友好，學生在使用過程中可根據自身需要快速找到所需功能。同時，PIE 軟件配套了操作視頻和使用手冊幫助學生上手操作。

以PIE-Basic軟件【圖像增強】工具中【彩色空間正變換】功能為例。用戶只需將進行彩色變換的影像文件路徑添加到【輸入文件】，然后根據輸入影像數據波段信息選擇對應的紅、綠、藍通道及輸出結果對應的色調、飽和度、亮度通道，再將變換后的結果文件存儲路徑及文件名添加到【輸出文件】。最后，點擊【確定】即完成彩色空間的轉換。

與現有遙感影像處理軟件相比，PIE 軟件具有高度的靈活性和可擴展性，借助二次開發組件包，該工具支持插件式和組件式兩種開發方式，學生在使用過程中可充分發揮其主觀能動性，全面鍛煉其遙感開發及創新能力。

4 體驗式教學案例設計與常見問題

本文以遙感數字圖像處理課程中輻射校正為例，在體驗式教學創新理念的引導下，結合PIE系列遙感軟件設計了1 個典型的實踐教學案例，如表2所示。

表2 《遙感數字圖像處理》課程體驗式教學案例

中國礦業大學（北京）測繪類專業課程教學實踐表明，基于體驗式教學模式的PIE 系列遙感軟件應用效果明顯。近五年，測繪類專業平均每5名學生發表1篇學術論文、獲得1項行業協會及以上級別的競賽獎勵。學生在課程實踐過程中，不僅夯實了遙感理論知識基礎，而且顯著提高了遙感圖像處理的動手實操能力，進而促進了大學生創新創業訓練計劃、畢業設計（論文）等培養環節的開展，形成了“新工科”背景下產學合作協同育人的有效模式。

5 結束語

（1）在教學應用的必要性方面。本文從維護國家地理信息安全、支持國產遙感衛星事業發展、服務于課程思政教育三個方面分析了國產遙感軟件教學應用的必要性。首先，從維護國家地理信息安全角度出發，將PIE 系列遙感軟件代替國外版權軟件作為課堂教學的一部分，有助于擺脫長期以來對國外版權軟件的依賴，有效避免地理數據處理過程中可能發生的信息泄露問題。其次，隨著我國遙感衛星事業的快速發展，國外版權軟件對于國產遙感數據的兼容性還有待改善，PIE 系列遙感軟件針對我國高分系列、資源系列、風云系列等主流遙感影像數據開發了相應的功能模塊，為進一步發掘國產遙感衛星數據的應用價值和支持國產遙感衛星事業發展奠定了基礎。第三，從服務于課程思政教育的角度出發，PIE 系列遙感軟件符合國家課程思政建設的方向，為思政教育建設提供了很好的素材和切入點，有利于推進我國測繪類專業的課程思政教育發展。

（2）在教學應用的適用性方面。作為國內首款國產遙感軟件，PIE 在知識覆蓋面、數據兼容性、人機交互性三個方面展現其特色優勢。在知識覆蓋方面，PIE 軟件功能覆蓋相關課程的主要內容，服務于課程實踐及相關科研活動。在數據兼容性方面，PIE 支持多種數據文件類型，并針對國產衛星數據做了兼容性處理，開發了專門的數據處理模塊。在人機交互性方面，PIE 界面簡潔，符合大眾審美，易于學生上手操作。此外，二次開發組件包為學生提供了良好的開發環境，便于激發學生學習興趣、提高學生遙感開發和創新能力。

（3）未來展望。PIE 從1.0 發展到6.0 版本，功能模塊不斷豐富完善，性能指標不斷提升，但還存在一些需要改進的地方。例如，PIE-Basic軟件（6.0 版本）在線地圖數據加載偶爾不夠流暢，有待進一步改善。同時，軟件在用戶數量、品牌影響力等方面均有待提升。此外，PIE 國產遙感軟件在教學中的應用還需進一步探討研究，盡管已有PIE 軟件相關的實踐教材出版，但只有少數高校將其列入教學指定教材展開應用。對于高校而言，需要結合PIE 系列遙感軟件特點，制定適合相關專業學生的標準化教案和教學視頻，推進國產遙感軟件在測繪類專業實踐教學中的應用。