“遥感数字影像处理”实验课教学改革初探

陈锋锐

摘  要： 实验教学是遥感数字影像处理课程的重要组成部分，针对其特点，从实验环境、教学内容、教学方法以及实验考核等方面进行一系列改革。实践结果表明，这些改革措施可以有效帮助学生对知识的理解和掌握，达到了预期的教学效果。

关键词： 教学改革; 实验教学; 遥感数字影像处理; 遥感; 地理信息系统

中图分类号：TN911.72          文献标志码：A     文章编号：1006-8228（2014）12-50-03

Preliminary discussion on teaching reform of experimental course

of remote sensing digital image processing

Chen Fengrui

（College of Environment and Planning， Henan university， Kaifeng， Henan 475004， China）

Abstract： Remote sensing digital image processing is a course based on experimental teaching. Considering the characteristics of its experiment course， a series of reform measures are proposed to mobilize the students' interest in learning and deepen their understanding of knowledge， from the aspects of experimental environment， teaching content， teaching method and experiment examination. The practice results show that these measures can effectively help students to understand knowledge and achieve the expected teaching effect.

Key words： teaching reform; experimental teaching; remote sensing digital image processing; remote sensing; geographic information system

0 引言

遥感是20世纪60年代发展起来的一门新兴技术，随着美国陆地资源卫星（Landsat）系列的成功发射，特别是21世纪以来以IKONOS为代表的高空间分辨率影像、以MODIS为代表的高时间分辨率影像、以Hyperion为代表的高光谱影像和以Radarsat为代表的雷达遥感影像的普及，遥感已广泛应用于国土测绘、灾害应急管理、资源调查、全球气候变化、生态环境、地质分析等社会经济服务的各方面，遥感对地观测技术已经成为研究的热点[1-2]。在我国，随着国产风云系列、资源系列和环境减灾小卫星的发射成功，遥感也已大量应用于自然灾害监测、环境调查以及国土测绘等诸多方面。与此同时，我国针对遥感科学的教育也逐步跟进，目前国内已经有140多所高校开设遥感相关课程，面向本科生和研究生传授遥感原理和遥感应用等方面的知识[3]。在遥感科学的诸多课程之中，相比于遥感概论、遥感地学分析等，遥感数字影像处理能够直观地反映遥感图像的表达、操作和应用，具有较强的实用性。遥感数字影像处理课程设置一般分为理论课和实践课两部分。理论课主要在课堂上讲授遥感相关理论知识，如遥感影像预处理、影像增强、影像分类、影像融合、影像变化检测等。实践课是指学生在教师的指导下采用遥感图像处理软件（ENVI、ERDAS等）通过动手从而理解和掌握遥感图像处理的原理和应用。遥感数字影像处理实验教学是理论教学与实践相结合的重要环节，是激发学生学习兴趣和动力，提高学生分析问题和独立解决问题能力，培养创新意识的重要途径。因此，探讨该课程的实验环境、教学内容、教学方法和实验考核等具有十分重要的意义。

当前遥感数字影像处理的实验课程往往是针对单一知识点的，无法顾及算法间的逻辑关系，导致图像处理技术与遥感影像间无法有机整合，难以调动和提高学生的积极性和学习兴趣。因此，在深入分析该课程特点的基础上，本文从实验环境、教学内容、教学方法以及实验考核等方面进行一系列改革，以适应高等院校教育改革和推进素质教育的要求。

1 实验教学改革方案

1.1 实验环境

学生虽然在学习遥感数字影像处理之前已经修过C语言和数据结构等课程，但直接采用C或者C++语言进行遥感数字影像处理编程，会使学生的大量精力放在程序上而不是算法研究上;此外，并非所有学生都能熟练掌握好C或C++编程。所以实验很难达到预期的教学目标和效果。考虑到遥感数字影像处理实验教学的特点以及本科生的具体情况，我们采用MATLAB和ENVI相结合的实验环境方案。

针对遥感数字影像处理中偏重算法的实验内容，主要采用MATLAB进行教学。MATLAB具有强大的图像图形处理分析能力，几乎涵盖图像处理的各个内容。它还具有语法简单、易学易用的特点，其丰富的函数使开发者无需重复编程，通常在C语言里需要几十甚至上百行语句才能完成的功能在MATLAB里只用一两个函数就可实现。通过编写程序进行遥感影像处理不仅可以提高学生独立解决问题能力和编程能力，还可以使学生进一步理解和掌握算法。例如：通过MATLAB编程来实现遥感影像点运算增强实验，不仅要求学生掌握遥感影像的存储和显示特性，还要求设计算法对每个像元进行线性或非线性变换，并用程序来描述算法，这些最终可让学生深入领会到遥感影像点运算增强的实质。

对于一些侧重处理流程的遥感数字影像处理实验，我们采用ENVI软件来实现。ENVI是基于IDL语言开发的一套功能强大的遥感图像处理软件，它具有强大的影像显示、处理和分析功能，包括常规处理、几何校正、定标、多光谱分析、高光谱分析、雷达分析、地形地貌分析、正射影象图生成、三维图像生成等。该类实验的特点是需要频繁的人机交互，正确的参数设置要求学生对实验内容有一个全面认识和整体把握。例如影像的几何精校正包含影像坐标系建立、选择控制点、选择畸变模型、重采样、输出影像以及精度分析等六个步骤，且步骤间存在严格的逻辑关系。该实验不仅要求学生了解研究区的情况以及待校正遥感影像的特点，而且要深刻理解控制点的个数和空间布局、畸变模型类型等对几何校正精度的影响作用，通过这些实验可进一步增强学生对遥感数字影像处理的认识。

1.2 教学内容的确定

实验教学内容的选择是遥感数字影像处理实验教学的重要环节，遥感数字影像处理课程内容十分丰富，鉴于实验课程课时安排的限制，不可能对所有内容逐一实验，必须根据实际情况进行选择。在参考《遥感数字影像处理与地理特征提取》[4]、《遥感数字图像处理教程》[5]、《ENVI遥感图像处理方法》[6]、《数字图像处理》（MATLAB版）[7]等书的基础上，结合教学大纲与教学目标要求，我们选择遥感数字影像处理中最重要的实验作为教学内容，以问题为导向培养学生的学习兴趣。遥感数字影像处理实验课程设置为24个课时。

在设置教学内容时，不仅要考虑实验内容的整体性，同时兼顾它们之间的逻辑关系。例如：在进行遥感数字影像处理前，需让学生直观了解遥感影像的数字矩阵存储方式，针对遥感影像具有多个波段的特点，影像通常采用以波段为序（band sequential，BSQ）、以行为序（band interleaved by line）BIL、以像元为序（band interleaved by pixel，BIL）三种方式进行存储。实验内容大体分为两类：验证性实验和综合性实验。验证性实验内容目的是加深学生对遥感图像处理基本理论的认识，如影像预处理、影像增强等;综合性实验是验证性内容的强化和升华，它要求学生综合利用各种影像处理方法解决某一问题，如利用遥感影像研究某区域土地利用变化，该实验涉及影像预处理、增强以及分类等多种处理技术。

表1  遥感数字影像处理实验课程课时安排

1.3 教学方法

教学方法是影响教学质量的重要因素，针对遥感数字影像处理实验课的特点，教学方法的改革主要体现在以下三点。

⑴ 以问题为导向，激发学生的学习兴趣。让学生利用所学知识来解决实际问题，从而体会到知识的价值和重要性，激发他们主动学习课程的动力和兴趣。例如在做平滑滤波时，首先通过一个实例让学生明白为何要进行平滑滤波，图1是一幅遥感影像，由于传感器本身原因、大气、地形等因素的影响，致使影像上出现噪声，降低影像的可识别性;接下来引出平滑滤波的知识，指出该技术可以有效地降低噪声;最后通过一个实例来展示平滑滤波的降噪目的，并且对比不同平滑滤波的降噪效果，如图1所示。这样做不仅可以创造良好的教学情景，而且促使学生以目标为导向，在比较的过程中接受并消化知识。

⑵ 增加课程的互动性。为了让学生充分参与到课程的学习中来，在实验课前让学生对课程进行预习，做到有的放矢;课堂上采取老师示范与学生演示相结合的策略，不仅可对教学成果进行反馈，还可及时发现问题;实验结束后让学生进行总结，这样可以帮助他们回顾知识、加深理解，掌握重点、难点。

⑶ 培养学生独立解决问题的能力。自主实验内容即综合性实验，该部分实验由学生独立完成，老师仅在实验过程中给予指导。以自由结合的形式把学生分成几个科研小组，对每个小组指定一名负责人对项目进行组织管理。小组成员之间以团队形式分工合作，通过查阅资料、设计方案、研究讨论等各环节，完成项目的研究，并最终形成一篇完整的综合性研究报告。通过该方法可以锻炼学生的综合实验能力，更早地接触科研过程。

1.4 实验考核

实验考核是该课程重要的组成部分，通过考核一方面可以检验学生对实验的掌握程度，另一方面可以督促学生对课程的学习。实验考核以具体的实验为考核内容，要求学生在规定的时间内完成操作，并得到正确的实验结果。针对本实验课程采用两种实验环境，考核方式也分为两类，分别为MATLAB程序代码和ENVI软件操作。考核内容从实验内容中随机选择，每类选择两个，根据学生的操作情况过程进行成绩评定。MATLAB代码方式的考核要求代码在计算机上准确无误地运行，并获得正确的结果，否则相应扣分;对于ENVI软件操作的考核，要制定考核要点，根据考核要点的完成情况进行相应打分，如对遥感影像几何精校正实验内容的考核，主要分以下考核要点：①特征点的数目以及空间分布状况;②模型计算精度;③校正结果。这三个要点分别占该考核内容的30%，30%以及40%。这样既能促使学生认真对待每一个实验，又能比较全面地评定一个学生的水平。

2 结束语

本文针对遥感数字影像处理实验课的特点，结合以往的教学体会，从实验环境的建立、实验内容的选择、教学方法运用和实验考核等四个环节对该课程进行探讨与设计。在实验过程中，贯彻以学生为主体，以教师为主导的方针。实践证明，学生通过该课程的学习，不仅明确了学习目标，掌握了遥感数字影像处理的基本概念和方法，提高了学习和实践的积极性和主动性，而且培养了其综合运用专业知识和图像处理技术的能力和解决实际问题的能力，该教学改革达到了预期效果。

参考文献：

[1] 梅安新，彭望禄，秦其明等.遥感导论[M].高等教育出版社，2010.

[2] 孙家柄.遥感原理与应用[M].武汉大学出版社，2009.

[3] 秦其明.中国高校GIS专业核心课程设置问题的探讨[J].地理信息世

界，2003.1（4）：1-7

[4] 钱乐祥.遥感数字影像处理与地理特征提取[M].科学出版社，2004.

[5] 韦玉春.遥感数字图像处理教程[M].科学出版社，2007.

[6] 邓书斌.ENVI遥感图像处理方法[M].科学出版社，2011.

[7] R. C. Gonzalez， R.E.Woods.数字图像处理（MATLAB版）[M].电子工

业出版社，2008.