“遥感基础与应用技术”启发式教学探索

［摘 要］ “遥感基础与应用技术”是一门本科核心课程，通过教授基本的遥感影像处理技术，并进行实验部分的讲解与操作，旨在培养学生的理论—实践结合能力。根据课程特点，结合教学经验，提出启发式教学模式。从课堂互动、理论教学和实践教学部分，详细阐述了该模式的开展形式及内容设置。通过在教学工作中不断完善，以期为相关教学工作提供参考。

［关键词］ 高等学校；遥感基础与应用技术；启发式教学

［基金项目］ 2018年度自然科学基金委，国家自然科学基金“基于生物光学空间细节信息的陆地—水色遥感影像融合研究”（41701422）

［作者简介］ 郭宇龙（1988—），男，河南开封人，博士，河南农业大学资源与环境学院讲师，硕士生导师（通信作者），主要从事环境遥感研究；冯新伟（1978—），男，河南襄城人，硕士，河南农业大学资源与环境学院副教授，硕士生导师，主要从事土地遥感研究；石凌飞（1990—），女，河南焦作人，博士，河南农业大学资源与环境学院讲师，主要从事城市遥感研究。

［中图分类号］ G640 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2022）48-0098-04 ［收稿日期］ 2021-09-30

引言

“遥感基础与应用技术”是人文地理与城乡规划、土地资源管理、土地整治工程等专业的基础课程，熟练掌握遥感技术基本原理及遥感数字图像的处理，能为相关专业学习提供基础资料，无论在学生就业或是读研深造过程中，都是一项重要技能。在当前的政策背景下，对城市发展［1］、乡村振兴过程中的生态与环境监测［2］提出了新的要求。对遥感技术更加全面、深入地掌握也逐渐成为相关行业不可或缺的技能。但笔者在教学过程中发现，遥感领域的很多基本概念比较深奥难懂，对不同专业背景学生的理解造成很大困难。前期教学过程结束之后，经常出现学生一知半解，实践课程中虽然也能完整地进行操作，但对数据的理解较为困难，只会根据现有流程处理现有数据。一旦研究对象发生变更，就很难再利用学过的理论知识对实践任务进行指导。究其原因，主要是因为对理论知识不理解、不熟悉，掌握得不牢靠。

如何更有效地进行遥感教学，长期以来受到诸多一线教师的关注［3］。针对上述问题，笔者近几年以启发式教学为基础，进行了一系列尝试，取得了比较好的效果。从课堂互动、理论教学和实践教学三方面进行总结。

一、课堂互动

（一）课前回顾部分

以往通常是教师提问、学生回答的模式。这种模式虽然也可以对上节课知识点进行回顾，但很难调动学生的积极性。通过探索，在实际教学过程中采用“抢答”的方式进行课前回顾。不设置问题，学生只需要对上节课讲授内容中自己印象比较深刻、理解比较透彻的点进行讲述。尽量把一个知识点讲清楚，而不是大而全的“背课本”。根据表述内容，计入平时成绩，纳入期末考核。这种方式可以在考查学生是否真实掌握了相关知识点的同时，锻炼其语言组织能力和表达能力。只有对知识点有深入的理解才能讲清楚。这也是一个更加客观的考查方法。

在教学过程中发现，学生在接受教育的过程中，更多还是以输入为主。更擅长被动地接受知识点，不擅长将知识点或者观点用自己的话表达出来。这无论对就业还是继续深造，都是不利因素。通过“抢答”的方式，激励学生主动回顾知识点，主动组织语言，最后复述出来。通过教学实践发现，经常有学生信心满满地开始，但并不能完整地描述出来。这种教学模式可以让学生更加准确地发现自己的知识盲区或者理解不深刻的点。在此环节结束之后，教师根据学生的复述情况，对相关知识点进行重复讲解。既能有针对性地帮助学生理解重难点，也能整体回顾上节课的内容。

（二）课后复习部分

利用超星学习通平台，把本节课的重要知识点录成短视频，上传至平台，以任务点的形式让学生重点复习。这种形式在平时上课时，便于回顾课上的重点知识；在期末复习中，便于学生梳理整门课的知识点，发挥了良好的作用。通过教学实践检验，这种课堂互动方式可以很好地把整体知识点与重难点的回顾相结合，有效地激活课堂，同时锻炼学生的语言组织与表达能力。在疫情管控期间也可以发挥比较理想的教学效果。

二、理论课“两张图”启发式教学模式

（一）遥感过程示意图

遥感过程示意图是“两张图”模式的第一张图。这张图在大量遥感相关教材及报告中都有体现。教学中，不能简单地把这张图理解为遥感过程这一简单概念。可以利用联想和启发，把大量知识点与遥感过程示意图联系起来。在实际教学过程中发现，这种方式能更好地促进学生理解遥感的很多基本概念。遥感过程包括太阳辐射过程、地表反射过程及传感器记录过程三个部分。下面对三个部分通过启发—关联知识点的方式展开。

1.遥感过程中包含的第一个过程就是太阳辐射能量到达地表的过程。在这个过程中，可以有如下设问及关联知识点：（1）太阳辐射的电磁波能量有哪几种？关联知识点有电磁波谱、黑体辐射、太阳辐射特征等。（2）为什么晴朗的天空呈现蓝色，而阴雨天气的天空是灰色的？这里关联的知识点有大气成分、光在大气中的传播、瑞利散射、米散射和非选择性散射等。这些实例可以拉近学生与遥感中陌生名词之间的距离，对概念理解有重要作用。

2.第二个过程是太阳光到达地表之后，地表反射的能量。在这个过程中，可以有如下设问及关联知识点：（1）视觉信息是如何产生的？关联的知识点有图像中物体形状和颜色的关联、视觉信息的本质等。（2）为什么清澈的水体呈现深蓝色，而黄河水体是黄色？关联的知识点有典型地物反射率光谱特性、光谱反射率与地物颜色之间的关系等。（3）疫情期间商场门口会有红外测温仪，是什么原理？关联的知识点有发射率、黑体辐射、地表温度反演等。

3.第三个过程是搭载于卫星的传感器记录地表信息，即遥感影像，并传输到服务器中，形成现在网络上公开下载数据的过程。这个部分可以有如下设问及关联知识点：（1）为什么遥感卫星要有不同的平台？这里关联的知识点有遥感的发展历史、传感器成像机理、遥感平台的类型等。（2）为什么不同的传感器参数会有这么大的差异？为什么不设置一套国际标准，规定所有的遥感影像具有统一的分辨率？涉及的知识点有传感器特征、遥感应用，以及遥感影像信噪比这一重要概念。（3）遥感传感器拍摄地表影像，与我们出去旅游拍摄风景照的过程看似相同，但这里面有什么本质区别？涉及的知识点有遥感卫星的重访周期、图像的时间分辨率、遥感影像的空-地传输等。

这些知识点都是理论课的基础概念，但如果抛开遥感过程，独立地对每个概念进行讲解，学生很难深入理解。如果对遥感基本原理和地物属性不理解，在实践课中盲目地对图像进行处理，在实际应用中会造成大量事实性错误。所以遥感技术的教学绝不应该以技术流程的掌握为目的，而是要更多地注重对遥感机理的理解。在进行处理时，对影像有充分的了解，就可以避免盲目的流程化操作。

（二）遥感数据—遥感图像—遥感反射率光谱的关系图

地物反射率曲线和遥感图像之间的关联无论在理论上，还是在实践中，都有非常重要的地位。然而，在遥感部分教学过程中发现学生对二者之间的关联理解得一直不透彻。理论课上听得一知半解，导致在实践课上只能跟着既定流程走。最典型的例子是在进行大气校正之后，不知道如何判断校正结果是否准确、不知道如何根据反射率曲线形状判断地物在图像上应该呈现的颜色。第二张图就是以遥感数据—遥感图像—遥感光谱反射率之间的关系为基础（见图1），概括图像处理基础相关的知识点。

1.首先强调遥感数据是三维立方体。地物的反射率信息被传感器记录下来，形成三维立方体。三个维度分别是两个空间维度（XY）和一个光谱维度（Z）。引导问题：为什么遥感影像要存储成三维立方体？从成像原理的角度，可以这样解释：地物的反射能量在空间方向和光谱方向都有差别，所以遥感数据本质上就是三维数据。光场在水平空间方向上的量化存储，构成了XY维度的信息，在光谱方向上的量化存储，构成了Z维度的信息。但是，在借助显示器等输出设备显示时，由于显示设备是平面，只能精确地显示两个维度的信息，所以有了遥感图像和遥感反射率光谱曲线这两种遥感数据的表示方法。这其中包含的知识点有：遥感图像的特征、遥感数字图像的本质、反射率光谱。

2.在遥感图像维度，引导问题：为什么要有像标准真彩色合成和标准假彩色合成这样不同的图像合成模式？涉及显示器的成像原理，需要挑选RGB三个通道对应的波段，这里不同的选择会对应不同的图像特点。如标准真彩色合成和标准假彩色合成就是因为通道选择不同产生的。这里涉及的知识点有：遥感图像的彩色合成、显示器成像原理、加色法等。

3.在光谱维度，光谱曲线相对抽象，对学生来说相对陌生，很难找到一个很好的实例去对应。这部分的引导问题需要结合遥感图像的颜色进行，引导问题：为什么标准假彩色合成的图像中，植被会呈现红色？需要结合图像颜色和两种彩色合成方式对反射率曲线和图像颜色之间的关系进行深入讲解。如假彩色合成中植被呈现红色，是因为R通道采用近红外波段的图像，而近红外波段恰好就是植被最显著的一个反射峰。这里涉及的知识点有：地物的反射光谱曲线、图像拉伸等。

以上知识点统一在遥感数据是三维数据这个大框架展开，通过信息获取和信息表达方式的讲解，更有利于学生理解反射率光谱曲线和遥感图像的彩色合成。

三、实践课

实践课是“遥感基础与应用技术”课程中非常重要的部分。因为理论课部分包含大量抽象不易理解的知识点，比如卷积滤波、主成分变换、大气校正等。学生对这些概念很难建立直观的认识。而实践课的重要任务就是让学生直观地感受到这些处理的输入、输出分别是什么，以更加深入地理解遥感数字图像处理的必要性，同时更好地理解理论知识。

实践课包括两部分，首先是穿插在理论课中的一些展示内容，用ENVI软件直观地展示一些遥感的基本概念，辅助理解。重点是上机操作的部分，实践课以掌握ENVI软件为基本。主要讲授常用遥感影像的下载、辐射定标、大气校正、几何校正等预处理；直方图拉伸、滤波等增强处理；监督分类、非监督分类等应用。考查方式为提交实验报告。下面将实验内容与理论课衔接的知识点进行列举。

实验一主要进行ENVI软件操作逻辑的讲解。以ENVI经典界面为例，展示显示器显示一幅彩色图片的过程，以及磁盘—内存—显示器之间的配合关系。主要涉及的知识点有遥感数据的存储方式、加色法、彩色图像的显示原理、反射率光谱曲线等。实验二进行图像直方图拉伸。主要要求掌握彩色图片与各个波段直方图特征之间的对应关系，在当前图像视觉效果出现颜色问题时，可以准确地发现问题，定位需要调整的波段；同时了解ENVI软件中直方图调整的基本方法，完成异常图像颜色校正。难点主要是直方图与校正变换函数绘制在同一个坐标系统下的内涵。涉及的知识点有直方图、线性变换、非线性变换等。实验三进行图像几何校正。要求掌握地面控制点选取的原则、样点误差选取和控制的方法，以及几种重采样方式的适用范围。涉及的知识点有几何畸变、校正变换函数、重采样、地面控制点及其选取原则。实验四进行波段运算的学习。要求掌握波段运算的基本原理与自变量定义方法，了解数据类型对计算结果的影响。涉及的知识点有遥感数字图像、地物反射光谱特性等。实验五进行实际操作，完成影像数据的辐射定标和大气校正。以国产高分一号卫星影像为例，根据提供的资料进行辐射定标和大气校正处理。相关知识点有遥感影像的特征、大气对辐射传输的影响、地物反射率光谱曲线等。实验六进行遥感制图，主要介绍ENVI及ArcMAP软件进行专题图制作的基本思路和方法。

以实验报告的形式对上述实验过程进行考查，可以大体掌握学生对遥感图像各个层次相关处理的理解。但在以往的教学过程中发现，通常学生更容易把重点放在完成实验任务上，跟着教师一步步做好之后，实验报告简单写一写就结束。更在意结果，不注重过程。针对该问题，尝试交换实验报告的方式。把学生一一对应分成两组，分别完成不同的处理任务，并撰写实验报告，之后交换实验报告，按照对应的实验报告，完成对方的实验内容。这样，每个学生的成绩会受到实验报告内容详细程度和易读程度两个方面的制约。在评分时，会根据实验报告撰写者和阅读者两个部分打分。以达到对学生的实际操作能力及实验报告详细程度与理解难易进行全方位客观评价的目的。

结语

“遥感基础与应用技术”课程包含丰富的理论知识，同时有大量的实践需求。对学生的抽象思维、逻辑思维有一定的挑战，但同时也可以锻炼学生的这些能力。通过启发式教学，有机配合实践课内容，才能让学生更好地掌握遥感技术的理论知识及软件操作，提升学生利用遥感技术解决实际问题的能力，提高工作能力和科研能力。