地质类专业遥感与地理信息系统一体化综合实践教学改革探索

2018-07-05刘桂萍蔡宏明杨焱青张莹莹

中国地质教育 2018年2期

陈川，刘桂萍，蔡宏明，杨焱青，张莹莹

新疆大学地质与矿业工程学院，新疆乌鲁木齐 830046

遥感(RS)是矿产资源勘查的一个重要数据源，能提供各种分辨率的遥感影像进行岩性、构造的解译和蚀变信息的提取[1]。地理信息系统(GIS)是计算机辅助系统，能够输入、存储、检索、分析和显示与地理位置有关的各种特征信息[2]。通过把各种相关的空间(地图、遥感影像、DEM等)或非空间信息输入GIS进行管理[3-5]。随着遥感技术、地理信息技术和地质行业的飞速发展，很多高校地质类专业开设了与RS和GIS相关课程，如新疆大学资源勘查工程专业就已开设了RS和GIS课程。但从目前的这两门课程的实践课程来看，实践教学内容和组织存在前后割裂的缺陷，主要表现在学生实际操作和应用方面的能力较差，

学生缺乏协同使用RS与GIS技术解决实际专业问题的能力。如何教会学生协同使用RS与GIS技术解决矿产资源勘查过程中遇到的问题，实现矿产资源勘查全程计算机辅助化，使数据在各道工序间流转顺畅、充分共享，已成为资源勘查专业教学研究与实践的重要课题[6-7]。因此，要从RS和GIS课程的承接关系、实践内容的有机结合和学生综合能力的培养等方面着手，对这两门课程的实践教学进行多方面的改进[8-10]。本文研究的问题就是根据目前资源勘查工程专业的RS、GIS实践教学面临的问题，提出解决问题的思路与方案。

一、存在问题

我校资源勘查工程专业分学期开设了RS、GIS课程，这两门课程讲述的是遥感技术和地理信息系统技术在地质行业的应用理论和技术方法[11]，相应的实践教学主要以教授学生使用RS和GIS相关软件为主，但实践教学效果不佳，学生积极性不高，教学过程中存在着一些明显的问题，主要问题如下。

（1）实践环节重结果，轻过程和原理。

在RS、GIS实践教学中，一般学生都能按照实验指导书，使用RS和GIS相关软件完成实验的步骤操作、截图并提交实验报告，但往往课后仍有许多学生不知其所以然。通过观察和调查发现，学生即使不理解内容也能按照带有详尽实验步骤和截图的指导书完成实验，这样会养成学生的学习惰性，把实验指导书当作是操作手册，最终减弱学生主动解决问题和独立解决问题的意识。

（2）实践内容体系和教学培养目标与实际应用需求脱节。

资源勘查工程专业的RS实践教学，普遍做法是培养学生学会使用遥感图像处理软件并对遥感影像进行图像增强处理，从而在此基础上进行三大岩类（岩浆岩、沉积岩、变质岩）的目视解译并编制遥感解译图。然而，实验数据大多采用年代较久远、分辨率较低的Landsat7 ETM+遥感影像，很难引起学生的学习兴趣。因此，对于资源勘查专业使用高分辨率和高光谱遥感影像进行构造解译和岩性识别更有应用空间。另外，对于资源勘查工程专业的GIS实验课程，主要以使用MapGIS做一幅美观的地质图为普遍应用目的，主要包括图形校正、图形输入、图形编辑、图形剪裁、图形输出等内容。

从我校RS和GIS这两门课的实践教学内容来看，主要偏重于培养学生遥感地质解译方法和地理信息系统制图方面的应用，但忽略了学生地学空间思维以及协同运用RS和GIS分析成矿背景和成矿规律、进行成矿预测方面的应用。资源勘查专业的RS和GIS实践教学应该突出使用RS和GIS 技术辅助找矿的需求，RS和GIS 是对地质矿产信息的管理与分析的有效手段。因此，对资源勘查工程专业实施RS和GIS的实践设计并构建教学框架时，必须抓住这个关键，深入研究专业特点，提出适合专业的实践内容和课时安排。

（3）实践教学安排上，忽视了课程和实验项目间逻辑上的紧密联系、内容上的承接关系和互补作用。

RS和GIS虽然是两个相互独立发展起来的技术领域，但它们存在着密切的联系[12]，一方面，RS是GIS的重要信息源和数据更新手段。RS能够快速、实时、动态地获取空间信息，它不但能够为GIS提供及时、准确、综合和大范围的各种资源与环境数据，还可以及时更新GIS的数据库[13-14]。另一方面，GIS是遥感信息提取分析的重要手段[15]。RS在研究区域地质背景时具有明显的优势，但是仅仅将岩性、构造解译和蚀变信息提取出来，对解决地质问题是远远不够的，还需要利用GIS信息集成技术，对发现的规律和现象进行延伸研究，促进遥感信息的深化应用，真正发挥遥感技术在地质找矿中的优势。RS实践教学所使用和处理的地质数据需要利用GIS进行空间数据的存储、管理、分析和决策；GIS需要利用RS技术来快速获取和更新数据。但是现有的实践教学安排在两门课程的承接关系和内容组合方面缺少考虑，难以体现RS是GIS的重要数据来源，也难以体现GIS挖掘地理空间数据的效果。另外，在教学过程中，对专业实际领域问题的解决往往不是RS或GIS单独就能完成的，往往要协同使用RS和GIS技术才能解决问题。如在遥感蚀变信息提取过程中，不仅需要遥感图像处理软件提取矿化蚀变异常信息，而且需要GIS对矿化蚀变信息进行处理与分级；在综合信息成矿预测方面，更是要求在GIS平台上，分析和处理遥感、地球化学、地球物理和地质数据，构建空间数据库，建立成矿预测模型，进行成矿远景区的圈定。然而，现有的两门课程的实践教学往往都是单独开设，两门课程的课程内和课程间的实验项目也相对独立，缺乏联系（例如图形输入使用的是一组数据，图形编辑使用的又是另一组数据），这样学生不理解实验之间的关系，会导致学生学习兴趣的缺乏和知识的碎片化，从而影响学生综合能力和创新思维的培养。

二、一体化实验教学改革

（一）优化实验教学内容体系

针对RS和GIS实践教学存在的问题，有必要对这两门课的实践内容和组织进行整体考虑，实施一体化的教学。我校于2016年重新制定了本科生培养方案，笔者有幸参与了地质与矿业工程学院新版本科生培养计划的制定工作。根据学生在实习单位的体会和反馈以及毕业生的需求反馈，RS教学软件由原来的ERDAS调整为ENVI软件，GIS的教学软件由原来的MapInfo，改为当今主流的地理信息系统软件ArcGIS；新版本科生培养计划将RS、GIS实验课程整合为“地质软件技能综合训练”课程，由专任教师根据专业需求编制实习指导书，强调基础理论—技术方法—实践应用间的系统性，实践课时分配从原来的42课时增加到90课时，课程集中安排在资源勘查专业大学三年级第二学期，这个阶段的学生已经开展了地质学基础、结晶学与矿物学、岩石学、构造地质学、矿床学、RS、GIS等课程的理论学习，具备了一定的地质、RS和GIS相关知识背景，通过地质软件技能综合训练，势必会加强学生的实践动手能力和解决地质行业相关问题的综合能力。

1.RS实验内容设计

选择岩石裸露、山体植被覆盖稀少、可解度较高的新疆阿图什市西克尔地区作为典型区，使用该区的高分二号和Landsat8遥感影像为实验数据，设计了遥感地质解译和蚀变异常信息提取的综合性实验。遥感地质解译实验以高分二号影像为数据源，蚀变异常信息的提取以Landsat8影像为数据源，主要设置以下三大部分的实践教学内容。

（1）遥感影像预处理。

对高分二号影像进行直方图均衡化、滤波处理、彩色增强等图像增强处理，得到了研究所需的具有丰富地质和地貌特征的影像信息；对Landset8遥感影像的辐射定标、波段组合、几何校正、大气校正、图像掩膜、图像裁剪等进行预处理，便于后续的地质解译和蚀变异常信息的提取工作。在影像预处理过程中，让学生充分了解遥感图像结构、数字图像处理原理、内容、方法和影响图像处理效果的影响因素。

（2）遥感地质解译。

包括岩性解译和构造解译。岩性解译要求熟练掌握三大岩类（岩浆岩、沉积岩、变质岩）和构造（断层、褶皱）解译标志。对岩性的解译，首先要能根据影像特征划分出三大岩性的界限，然后进行岩性大类划分，最后确定岩性小类。构造解译要求熟练掌握褶皱和断裂构造解译标志。在褶皱构造的遥感解译过程中，要能辨别出褶皱的存在，然后判断及分析褶皱构造类型；在断层的解译过程中，需要从空间分布位置、性质及相互关系等方面对断层进行识别与断定。在整个遥感地质解译过程中，让学生掌握侵入岩、喷出岩、第四纪松散沉积物、沉积岩、主要变质岩、断裂、褶皱的影像特征并进行识别。掌握地层单位和地层划分以及各种地层接触关系的判别方法。

（3）蚀变异常信息的提取。

采用主成分分析法对经过预处理后的新疆阿图什市西克尔地区遥感蚀变异常图进行处理。在蚀变异常信息提取实验中，让学生掌握矿体露头、围岩蚀变等找矿标志的影像特征，了解主成分分析的原理，掌握遥感图像蚀变信息提取的方法。

2.GIS实习内容设计

利用上述RS的遥感影像的处理结果，进行遥感综合解译地质图的编制，并结合西克尔地区的遥感数据、地质数据、物探数据、化探数据，进行综合信息成矿预测分析。主要设置以下两大部分的实践教学内容。

（1）遥感综合解译地质图。

对遥感解译结果进行整理，按照岩性和构造的类别在ArcGIS下建立空间数据库。在数据库建立过程中，学生充分认识到数据类型、数据结构规范的重要性。然后要求学生根据国家标准图幅的制图标准进行新疆阿图什市西克尔地区遥感综合解译地质图的编制。涉及内容包括空间数据库的设计与建立、图像配准、数据输入、图形编辑、制图输出等GIS操作的各方面和相关地学知识。通过实验，让学生掌握使用ArcGIS进行空间数据库的设计与建立，掌握地层、岩浆岩、变质岩、断层、褶皱等地质图层的矢量化、符号化和设色方法，完成设置纸张大小后，加图名、指北针、比例尺、坐标网格和图例等一系列整饰过程，最后输出图片文件。

（2）综合信息成矿预测。

整理和分析遥感蚀变异常信息，按照数倍标准差方法对遥感蚀变异常信息进行分级，基于GIS平台，结合新疆阿图什市西克尔地区地、物、化信息进行综合信息成矿预测。通过实验，让学生掌握使用GIS处理和分析遥感数据、地质数据、物探数据、化探数据，建立综合成矿预测模型，提取预测信息的工作思路和方法，掌握在综合信息成矿预测中，使用GIS进行资料收集、各类数据的准备和数据库的建立、控矿因素分析、建立找矿预测模型、空间检索与分析、特征提取与合并、地质解释、预测成果的输出的方法和步骤。具体实验项目和内容见表1。

表1 RS与GIS一体化综合实践课程实验项目和内容

（二）多种教学方法相结合

改变以往RS和GIS实践环节存在的问题，围绕实践教学内容，探索将立体式、案例式并将科研成果应用于实践教学的多种教学方法。

1.立体式教学

实践教学以提高教学效果为原则，采用多媒体演示、分组讨论、网络和计算机辅助教学等形式。实践课程内容的学习和讲解宜采用多媒体进行，主要用于实验原理、内容、要点、难点的讲解，课件应条理清晰、利于更新；另外，上机实验应广泛采用网络等现代教育技术，在网上公布所有教学资源，包括相关实验课件、实验指导书、实验数据等，充分体现“互动教学”的特点；课堂上采用教师、学生和小组相结合的方式，教师主体作用由教变为引导，学生由学习变为动手操作解决实际专业问题，充分让师生之间及时反馈教学信息，促进教学质量的提高。

2.案例式教学

在实践教学过程中，直接从GIS数据库获取遥感影像数据，使用ENVI浏览遥感影像，将遥感数据所能表达的信息直接传达给学生。如在遥感地质解译过程中，我们不再使用分辨率较低、年代较久远的遥感数据，而是直接使用真实的案例数据，如使用新疆阿图什市西克尔地区分辨率高、年代较新的高分二号遥感影像作为实验数据进行地质解译，将这些影像数据存储在GIS数据库中以便随时调用，在实验过程中，学生对高分辨率影像更有兴趣，而且加深了对RS和GIS相互关系的理解，不仅学会遥感图像处理与解译的原理和方法，而且学会了RS和GIS软件协同操作的方法。

3.将科研成果应用于实践教学，培养学生综合实践能力

教师的科研工作要服务于教学，只有将科研成果转化为教学内容才能要发挥其对教学的促进作用[16]。如我校将新疆阿图什市西克尔地区成矿规律和找矿方法研究等科研项目转化为实践教学内容，使得实验教学课堂气氛更加活跃，学生积极性更高，理论和实践效果更加有效。教师通过对项目实施的讲解，并做适当的示范，学生通过分组讨论、分工协作等方式掌握遥感图像蚀变异常信息提取的方法，并基于GIS平台，将地质、遥感、物探、化探等信息进行综合处理，建立综合信息成矿预测模型和提取预测信息的工作思路和方法，充分提升学生的学习兴趣和综合实践能力。

三、结语

RS与GIS技术综合应用是提高学生动手能力和解决本专业问题的重要手段[17-18]。为了适应现代空间信息科学的现状，满足资源勘查工程专业实际应用和服务的需求，有必要将RS、GIS实践教学内容和组织进行整体考虑，实施一体化的教学，根据需求精心设计实践教学体系，优化实践教学内容，探索将立体式、案例式和科研成果应用于实践的多种教学方法，避免无系统的实践教学方式，激发学生的学习兴趣，提升学生应用所学知识解决实际问题的综合能力，从而提高教学品质和效果。

[1]李家存，段福洲，邓磊.RS和GIS专业地质地貌学教学改革探索[J].科技教育， 2013（14）: 179-181.

[2]张晶香，杨胜天.运用RS/GIS辅助环境教育的课外实践教学[J].中国高校科技，2006（S3）:90-94.

[3]欧阳佳，董纬.RS与GIS在成矿预测中的应用[J].城市建设理论研究:电子版，2012（20）:1-5.

[4]施冬.资源勘查工程专业GIS课程教学探讨[J].长江大学学报：自然版，2010（3）:44-47.

[5]丁凤，范鹏宇.《遥感与GIS综合》课程教学改革与实践[J].测绘科学，2011，36（5）:240-242.

[6]吴冲龙，刘刚，田宜平，等.地矿勘查工作信息化的理论与方法问题[J].地球科学—中国地质大学学报，2005，30（3）:359-364.

[7]肖敏.地矿勘察信息化分析[J].世界华商经济年鉴…城乡建设，2012，19（8）：245-246.

[8]王庆国.测量学与 GIS 课程一体化教学的研究[J].测绘通报，2013（5）:108-110.

[9]王庆国，刘汉丽，朱晓宏.测量学与GIS课程一体化教学的构建[J].测绘通报，2016（11） :141-143.

[10]谢小魁，谢红霞，周清，等.非测绘专业RS和GIS一体化综合实习教学改革研究与实践—以湖南农业大学城规专业为例[J].测绘通报，2016（2）:147-150.

[11]刘汉湖，杨武年.高校地学专业遥感地质学精品课程教学改革[J].测绘科学，2013，38（6）:195-197.

[12]冯猛.遥感与地理信息系统集成的研究与实现[D].郑州：解放军信息工程大学，2004：5-58.