融入GIS应用的数字图像处理课程教学改革研究

都娥娥 张会影 圣文顺

【摘要】以“数字图像处理”课程为例，探讨当前教学模式中存在的问题与弊端，提出了对教学内容、教学方法及教学体系进行全面改革的研究策略，同时将地理信息系统的实际工程案例引入课堂进行案例教学和实践教学。改革后的教学实践取得了良好的教学效果，整体教学质量得到大幅度提高，学生的学习积极性和内驱力得到有效激发。

【关键词】数字图像处理  GIS  教学改革

【基金项目】2021年度江苏省高校教育信息化研究课题（2021JSETKT058， 2021JSETKT027）;2020年度南京工业大学浦江学院教育教学改革课题（2020JG010Y， 2021JG003Z）。

【中图分类号】G642   【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2022）08-0070-03

1.引言

随着计算机技术和数字信号处理技术的日益成熟，数字图像处理技术得到了飞速的发展，应用领域愈加广泛，研究范围从空间也已渗透到微观，逐渐成为多个科学技术领域中不可或缺的一项重要工具，已发展为最主要的现代科学应用技术之一。

数字图像处理课程是通信工程、电子信息、测绘、遥感科学与技术等专业必修的专业基础课之一，主要讲授数字图像处理方面的基本原理和关键技术，既有很强的理论性和系统性，又有很强的工程性和实践性。学生通过数字图像处理的学习，能掌握图像处理的基本理论、概念、方法和技术，培养和增强学生创新意识和创新思维，提高实际动手能力和创新能力，可以应用数字图像处理相关知识和技术解决自然科学、工程技术和实际生活中遇到的问题。

结合学校的应用型人才培养理念，在数字图像处理课程教学中需要将数字图像处理技术与实际应用相结合，并且引入数字图像处理技术在各行业的典型案例来进行授课。但是通过参与教学实践后，发现该课程在教学中存在一些问题，注重理论输入，实验单一，缺乏应用支撑，学生由于理解困难而缺乏兴趣，这与学校定位的培养目标产生了部分背离。

因此，为了改善这种教学模式，提出了对该课程进行教学改革，从教学内容、教学方法、实践设计等方面进行研究，将数字图像处理技术知识与GIS行业相关应用相结合的方式进行授课，引导学生加强知识点的理解，提高学习兴趣。

2.数字图像处理教学中存在的问题

2.1教学内容难、学时数少

南京工业大学浦江学院通信工程专业人才培养方案中，将数字图像处理列为专业选修课，2个学分，总共授课32课时，理论课与实践课授课比例为3：1。由于这门课的专业性，对数学要求比较高，课程难度大，知识点较多，限制于当前教学模式下学时数的限制，除去实验8课时，理论课仅剩24课时，要将基本常用的数字图像处理相关技术的知识点讲授完而且要讲透，目前的课时数基本无法满足。在这种情况下，老师只能对知识点的覆盖和原理的通透方面选择其一，鉴于这门课对数学知识要求较高，如果一味地追求讲透某个知识点，对于数学功底较弱的学生，即使花费大量的精力，也只能达到只懂概念不懂原理的层面。所以大部分情况下，老师都选择对相关图像处理技术涉及的知识点进行浅显易懂的讲解，再结合实验进行理想情况下的验证，以让学生在学时数有限的情况下，能掌握更多的技术，将来碰到相关的实际问题懂得选取对应的技术进行处理。

2.2教学方法单一

参与当前数字图像处理教学后，发现目前的教学仍旧采用的是传统的教学过程，而且该课开设在大四上学期，学生大部分心思在考研和找工作上，因此整节课只有老师的讲授，无学生反馈信息，教学气氛沉闷、僵化。同时，由于该课程原理性强，数学推理演算公式较多，对于很大部分同学来说理解较为困难，如果老师只是一味的照本宣科式地讲授，缺乏根据学生的个性特征去启迪学生，缺乏从学生的认知特点去实施教学活动，仅仅是让学生去适应教师的教学方式，就会让学生更加缺乏兴趣，缺乏探索，这门课程也就背离了当初最基本的教学目标。我们不仅仅给学生传授知识，而是希望这门课程涉及的基本知识点能化为技术，为学生将来的工作学习提供帮助。

2.3实践缺乏创新

目前的教学模式下，数字图像处理课程实践环节使用Matlab进行编程以达到对图像的处理，实验内容主要包含傅里叶变换功能和离散余弦变换、直方图修正和平滑处理实现、图像复原和噪声添加、图像分割和边缘监测等。每次实验两课时，使用的数据是典型的人物（lena）图片，图像复原使用的是NBA的一个镜头照片，对于不同内容的实验，通過调用Matlab中的函数，都可以快速地对图片进行相应的处理，也能如期达到理想的效果。但是这种实践设计，只是让学生对相关函数和图像处理流程方面有初步的掌握，也许在实际生活中对于稍微复杂点的场景，就不能灵活地使用所学过的技术，比如在雾霾环境下拍摄的运动车辆照片如何提取图片信息等实际应用。

针对现阶段该课程教学存在的问题，应该在教学内容、教学方法、实践环节及教学体系方面进行改革尝试。

3.数字图像处理课程教学改革研究

3.1数字图像处理概述

自然界中，对于客观存在的事物，人眼接收到其反射或透射的光能量还有发光物体散发的光能量，经过视神经在大脑中重现出该物体的视觉信息，形成最原始的图像，即模拟图像，这类图像是连续的。随着计算机的发展，人类需要对这些模拟图像进行处理，以达到某种预期的目的，由于计算机无法处理这种空间和亮度连续分布的图像，这时候就出现了数字图像处理技术。

数字图像处理，就是指用数字计算机及其他相关的数字技术，对数字图像施加某种或某些运算和处理，从而达到某种预期的处理目的。将一幅图像从模拟形式转为数字形式的过程称为数字化，经过数字化或离散化后的图像就是数字图像，组成数字图像的基本单位是像素，每个像素都具有行列坐标和灰度值，用整数表示[1]。数字图像的产生过程如图1所示：

3.2教学模式改革

针对传统教学过程中教学方法单一、教学手段落后、缺乏实践创新等存在的问题，本文从课程设计、教学方法、实践设计等进行教学模式改革。整体教学模式改革如图2所示：

3.2.1课程设计改进

在开课之前，参考人培方案明确该课程目标，根据学时数和目标合理规划内容，进行章节划分，确定每周的内容及教学目标，进而组织每周的教学活动设计，制定课程的考核设计。在宏观上，从知识、素质、能力等方面进行整体课程目标规划，根据学生对知识点的接受能力、相关技术的实用性确定课程内容，按照周次梳理出每周的知识点、重点、难点，并按照知识的维度（事实性、概念性、程序性等）进行知识分类。根据这些内容输出课程大纲，完善各教学内容的教学活动、授课学时及教学方法等形成基本的教学日历。通过这一整套流程完成课程设计的整个过程，并依据该设计在后期的实验教学中根据出现的问题进行改进。

3.2.2教学活动设计

通过课程设计中的教学目标来确定教学活动，教学活动的设计与教学目标、教学内容需要紧密结合，主要包含教学方法、实践设计方面的改进，也是需要多次设计、实践、反思、调整的地方。

（1）教学方法改进。完成了课程内容中知识的分类和课程目标，进行教学活动的设计，知识部分强调记忆与理解，能力部分强调操作与实践，按照实际情况将记忆、理解、应用等学习方法相结合。在每周的教学中，不单单是教，更要将学转用，提高学生对知识掌握后的使用能力，可以阶段性地对学习结果进行考核，考核从知识、能力两方面来衡量。知识部分满足多讲少练、多考少查，能力部分要少讲多练、少考多指导。在教学方法上，不能生搬硬套，要因材施教，不断反思与调整，总结出适合该门课程的教学方法。

（2）实践设计勇于创新。数字图像处理课程基本知识点较为完善，常用技术成熟，在平常的教学中使用Matlab编程调用库函数进行图像处理，待处理图像为课本示例，整体来说仅仅是理想状况下的实现，从理论上进行了图片处理，实践课整体来说枯燥乏味。而在日常的工作生活中，数字图像处理相关的技术使用较为广泛，但是相关的应用并没有引入实践课程中，所以为了激发学习的学习兴趣，让学生懂得如何学以致用，在锻炼学生的动手能力和应用能力的实践课上必须要进行相应的创新，可以引入与生活息息相关的例子进行实验，提高学生对知识的掌握程度和自己解决问题的能力。

（3）教学与GIS应用相结合。GIS（地理信息系统）是由计算机硬件、软件和不同方法组成的系统，该系统设计用来支持空间数据采集、管理、处理、分析、建模和显示，以便解决复杂的规划和管理问题。GIS作为一个新型学科，涉及行业广泛，势头猛进，目前基本各行各业都或多或少涉及GIS的相关应用，GIS在环境、工业园区安全管理、人工智能、车载导航等方面都得到了应用，而且取得了丰硕的成果。

随着航空技术的飞速发展，遥感图像、地图数据深入我们生活的各个方面，这两种类型的数据是GIS行业的基本数据支撑。数字图像处理主要内容包括数字图像基本知识、图像变换、增强、复原、压缩编码、分割与分析，其中大部分相关技术是GIS功能的主要体现，是GIS的底层操作基础，如GIS中的数字化、编辑、查询、存储等都是运用数字图像处理的理论。

GIS的主要数据源是遥感图像，而数字图像处理正是遥感图像用于GIS研究的一项主要工作，GIS要实现动态分析离不开海量数据，对海量数据的处理就需要用数字图像技术进行压缩和编码。例如，在讲数字化技术时，使用GIS对遥感图像进行矢量化（即数字化）得到基础地理数据这一应用进行知识的讲解和实验展示;在讲授图像描述与分析时，可以引入基于遥感图像进行道路网自动识别的应用进行讲授，这一过程通过使用目标的统计特性进行纹理描述，整个过程不需要人工参与，可以自动检测路网信息，而且不受图像明暗程度限制，实现效果较好。数字图像处理中相关技术在GIS应用中的场景很多，可以根据所学知识选取相应的案例进行讲授。

新的教学模式下，将GIS应用与数字图像处理技术相结合，使用实际案例对本课复杂的理论知识进行讲解，这样在加深学生理解知识点的同时提高了学生学习的积极性和主观能动性，由于选取的应用更贴近实际生活，学生在课堂上可以根据自己实际的经验进行大胆的发言和讨论，活跃课堂氛围。

4.结束语

鉴于GIS应用的广泛性和与数字图像处理技术的密切相关性，在教学中引入和生活较为贴近的GIS相关的应用，加入GIS中常用的数据编辑、查询、压缩等涉及数字图像处理技术的知识进行讲授，将该课程的实践教学进行全面创新和改革，让学生了解该技术在生活中的实用性和如何应用，加深学生对相关技术的理解，激发学生的思维创新，从根本上改变这门课程原本的乏味枯燥的教学模式。

通过对数字图像课程进行一系列的教学改革实践后，教学模式从根本上得到了改善，教学实践也变得有趣味和可理解，这种将理论与实际应用相结合的教学，加深了學生对知识点的掌握，激发了学生浓厚的学习兴趣，提高了学生的实际动手能力，取得了较好的教学效果。

参考文献：

[1]张弘.数字图像处理与分析[M].北京：机械工业出版社，2013.

[2]夏旭，董秀青.数字图像处理的技术及其在GIS中的应用[J].通讯世界，2020，27（5）：45+47.

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[5]欧先锋，陈思源，何伟，涂兵.面向工程实践的“数字图像处理”课程教学改革[J].成都工业学院学报，2021，24（3）：99-101+109.

[6]刘力双，夏润秋，孟浩等.面向能力培养的数字图像处理实践体系设计[J].现代计算机，2020（36）：82-86.

[7]黄杏元，马劲松.地理信息系统概论[M].高等教育出版社，2008.

作者简介：

都娥娥，南京工业大学浦江学院讲师，硕士，研究方向为地理信息系统空间分析、人工智能。

张会影，南京工业大学浦江学院副教授，硕士，研究方向为机器学习。

圣文顺，南京工业大学浦江学院副教授，硕士，研究方向为模式识别、计算机视觉。