应用ENVI软件构建新型GISS高中地理课堂的尝试——以“城市化及城市土地利用”教学为例

贾立明李依铭

（1. 厦门市湖滨中学, 福建 厦门 361004; 2. 厦门市教育科学研究院, 福建 厦门 361004）

应用ENVI软件构建新型GISS高中地理课堂的尝试
——以“城市化及城市土地利用”教学为例

贾立明1李依铭2

（1. 厦门市湖滨中学, 福建 厦门 361004; 2. 厦门市教育科学研究院, 福建 厦门 361004）

ENVI是由遥感领域的科学家采用IDL开发的一套功能强大的遥感影像处理软件。中学地理教学可以通过试用获得。官方网站是http://www.esrichina-bj.cn/ softwareproduct/EI。课堂教学构建所用数据可以从“中国国际科学数据平台”下载。该平台免费提供美国Landsat 陆地探测卫星TM和ETM (http://datamirror.csdb. cn/)等多种传感器的卫星数据。同时也可以到USGS美国地质调查局网站（http://glovis.usgs.gov/）及美国航空航天局（NASA）网站下载。应用时，我们可以根据地理教学需要，运用ENVI将下载到的遥感数据合成多波段影像，再对遥感影像进行处理，包括投影转换、镶嵌、校正、裁剪、拉伸增强等。

本文以城市化及城市土地利用（城市形态变化及城市化）的校本化教学为例，展现新型GIS高中地理课堂构建中的教学应用。

一、基于ENVI构建“城市化及城市土地利用” 校本化教学实例

1.遥感影像预处理

本次分别选取1994年、2001年、2006年和2010年的厦门地区LADSAT卫星数据，提取教学影像。如图 1所示，首先根据教学需要提取研究区域，进行预处理，包括坐标转换、裁剪、增强等。

图1 研究区域（厦门岛）卫星数据的提取

影像在几何校正和增强之后，运用ENVI中提供的裁剪工具将研究区域分离。具体步骤为：

⑴打开裁剪后的厦门TM影像 Band 以6、4、3合成多光谱影像，并以RGB形式显示在DISPLAY中。

⑵通过目视判读将地物分为林地 、裸地、建筑、草地、水体5类。

⑶建立ROI采集训练样本，计算不同地物的光谱特征值。

2.教学设计与实施

为了满足教学需要，提供课堂观察区域的城市化过程，需要对研究区域地物进行分类并进行动态监测。如图2所示，可利用的分类比较工具主要包括 Change Detection Statics 工具和Thematic Change 工具。具体操作步骤为：

⑴在ENVI 主菜单中，选择 Basic Tool ＞ Change Detection＞ Change Detection Statics。

⑵在Select the Initial State Image 对话框和 Select the Final State Image对话框中分别选择 1994年和2000年的分类结果。

⑶在 Define Equivalent Class 对话框中，手动选择使1994年的分类结果和2000年的分类结果相对应。

应用ENVI可迅速计算出区域各类土地类型的转化关系并实现定量分析报表（图3）。

图2 研究区域（厦门岛）分类处理

图3 1994～2010年厦门市城市土地利用状况

通过分类后影像的比对并结合数据报表的分析，学生可以直观地观察到1994年到2006年间，厦门市林地和草地转化为建筑用地区域、大小范围和速度。1994年到2010年这16年时间里厦门市建筑面积呈不断增加的趋势，城市化过程具有由厦门岛西南部逐步向东北、北部扩展的趋势。这种探究式的学习过程，学生通过观察、推断、分析和综合，最大程度上实现知识与技能、过程与方法和情感态度价值观三方面的同步增长，教学效果好，效率高，效益全面。

二、ENVI应用于中学地理教学的可行性分析

ENVI具有界面简洁，可操作性强的特点，在教师的指导下学生均可以在课堂上用于地理过程、地理规律有关的观察、比较、分析综合等探究性学习。

例如ENVI地形分析模块能够提取区域地形特征，分析坡度、坡向与植被指数，聚落分布、水土流失等自然地理要素的关系。

动态监测模块可用于城市化、城市空间结构、土地利用类型转化、环境污染等方面的教学。

大气监测模块可用于大气环境污染、雾霾天气、城市热岛效应、城市风等方面的教学。

ENVI快速制图模块可用于地球地图、比例尺、经纬网等相关知识的教学。

图像剖面工具可迅速提取区域地形起伏状况，可用于等高线、水土流失等知识的教学。

量测模块可以迅速获得区域的面积，周长的测量可用于区域、区域的工业化、城市化等问题的教学。

此外，利用LADSAT 提取水体浊度可用于水土流失、自然环境整体性与差异性的教学。结合MODIS等卫星数据还可以实现对海洋表面温度变化的监测，可以用于洋流、厄尔尼诺等知识的教学。

通过近年来的教学实践摸索，ENVI在以下中学地理教学应用具有可行性和实用性：

1.应用ENVI遥感影像对比，有利于探究地理要素间的关系

通过ENVI对不同时相遥感影像的对比有助于认识地理事物间的因果、联系及转化规律。通过遥感影像对比可以培养学生分析地理空间关系的能力。地理教学中，应当注重运用不同时期和时相的遥感影像，对比不同空间现象之间的异同，让学生在视觉上验证对比过程和效应。例如本文在分析厦门市城市化的过程中就是从时间尺度上分析地理要素的空间变换，直观具体。

2.实现二维与三维地理图像转换，增强空间认知能力

传统的地图表征以二维为主，用抽象的符号表示复杂的地理事象，这是造成学生感知理解地图困难的主要原因之一。ENVI可将平面二维图像转换成立体图像，可以增强地理事物的直观性与形象性，从而有助于学生对地理问题的理解和应用。教学中，可利用数字高程模型(DEM)，与遥感影像配准校正，并在空间叠置操作的基础上进行可视化表达处理，建立三维地理模型，建立地理事物的虚拟现实，能够有效构建学生的空间思维。

3.运用空间数据定量表达，为定性认识地理问题本质的课堂探究提供数据支持

使用ENVI进行地理辅助教学的过程中培养了学生探究问题和解决问题的能力，学生获取科学数据和数据处理的能力，使学生在基础教育阶段就能亲身体会到科学研究的乐趣，激发了学生运用空间数据解决地理问题的能力。能够迅速使地理问题数字化，并能够帮助学生在海量空间数据中提取有用数据，实现了量化分析，提升解决地理问题的能力。

三、运用ENVI设计培养地理空间认知能力的教学尝试

在利用ENVI进行教学过程中，一般可采取三种方式：

1.地理实验方式

结合所教内容设计地理实验，如在进行城市化的教学过程中可在课前为学生设计实验方案。方案包括实验目的、数据准备、应用模块和工具、数据分析、结论和分析等内容。教师在教学过程中变主导为引导，帮助学生达成实验目的，引导学生掌握相关的地理知识。例如在城市化的实验中，学生可以直观地感受城市化的过程中农村耕地不断转化为城市建筑用地的一个过程。

2.导学案结合遥感数据分析方式

本模式可以在推行生本课堂实验的学校进行。该模式下的教学，遥感数据的呈现在课堂上主要以成果的形式展现，由学生介绍数据的采集处理过程。课堂上主要由教师引导学生对数据进行分析，也可针对某一地理问题结合学生获取的数据进行分析。该模式的遥感数据处理过程一般在课前由教师指导学生完成。

3.传统教学方式同ENVI的结合方式

ENVI的某些模块可以直接应用于某些地理问题的教学。例如在分析地形部位特征的教学中，教师就可以直接利用3D分析模块，直观演示，从而建立平面地图与空间现实之间的联系，便于学生的理解和掌握。在进行环境污染效应的教学过程中，可以利用MODIS数据直接反演厦门地区气溶胶的光学分布特征，从而引导学生建立大气污染与工业区分布、人类活动、植被指数之间的联系。