“遥感数字图像处理”教学改革初探*

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摘 要： 遥感数字图像处理是地理信息系统专业的核心课程，针对遥感数字图像处理的自身特点和目前该课程的教学现状，从优化教学内容、完善教学手段、激发学生兴趣、注重实验教学、提高学生动手能力等方面对该课程的教学进行了一系列改革。教学结果表明，这些措施可以有效促进学生的学习兴趣，并加深他们对知识的理解。

关键词： 教学改革； 遥感数字图像处理； 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（2013）06-67-02

Preliminary discussion on teaching reform of remote sensing digital image processing

Chen Fengrui， Qiao Jiajun， Yan Weiyang， Zhang Xiwang， Yang Ling

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

Abstract： Remote sensing digital image processing is one of the core courses of geographic information system specialty. Considering its characteristics and teaching status， a series of reform measures are presented in order to promote the students" interest in learning and deepen their understanding of knowledge. The measures are optimizing teaching contents， improving teaching method， stimulating study interest， and enhancing experimental teaching.

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

0 引言

随着遥感技术的快速发展，海量的遥感图像被获得，这些影像在社会生产和生活中发挥了越来越重要的作用。遥感图像已广泛应用于农业、林业、地质、海洋、气象、水文、军事、环保等领域，它不仅为这些行业提供基础数据；同时，伴随着电子地图、导航定位的出现和广泛使用，遥感图像已经成为人们生活的一部分，不断改变着人类对世界的认知。1997年教育部对我国高等教育专业目录进行修订，对部分专业进行压缩，但在地理学下却新增了地理信息系统本科专业，授予理学和工学学位。目前国内已有140多所高校开设了地理信息系统专业，遥感数字图像处理是该专业的核心课程。因此，探讨该门课程的教学内容、教学手段和方法，对提高遥感数字图像的处理水平有非常重要的意义。

遥感数字图像处理作为地理信息系统专业的核心课程，在学生的知识构建中起着重要的作用[1]。随着遥感数字图像处理内容的更新和学生对该课程要求的提高，需对教材、课程结构和内容、教学方法和实践教学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 教学内容改革

遥感数字图像处理是一门涉及地理学、计算机、数学、物理等多学科交叉、高度综合的技术学科。教学内容和课程体系改革是教学改革的核心内容，然而不同的教材侧重点不同，因此选择一本合适的教材并处理好教材内容，对优化教学内容起着举足轻重的作用。国内近些年的出版了一系列遥感数字图像处理方面教材，如钱乐祥编著，科学出版社出版的《遥感数字影像处理与地理特征提取》[2]；韦玉春等主编，科学出版社出版的《遥感数字图像处理教程》[3]等；通过对这些教材进行详细的内容对比和结构分析，我们选择了韦玉春主编的教材。与此同时，我们参考了国外的如John A. Richards[4]、John R. Jensen[5]和Robert A. Schowengerd [6]等的遥感数字图像处理著作，针对这些教程注重理论算法，对算法引导的不足，借鉴了冈萨雷斯等的《数字图像处理》 [7]教程，利用该教程翔实的实例，加快引导学生对遥感数字图形处理算法的理解。

河南大学环境与规划学院地理信息系统专业的学生在学习《遥感数字图像处理》之前已学习过《遥感技术导论》，这就使学生有了一定的基础。笔者针对学生的实际情况，结合教学大纲，对以上教程进行适当的合并和调整，把遥感数字图像处理安排为理论课48学时，实验课和编程课24学时，具体见表1。

此外，从近年来遥感科学的国内外研究进展来看，遥感数字图像处理方面的研究方兴未艾，不断有新的技术方法出现，现有教材中的部分知识已远远不能满足现代社会发展的需要，学生也有了解更多最新知识的迫切要求。因此，还要不断补充新知识新内容，将新近发表的、与遥感数字图像处理紧密相关的论文内容引用到教学过程中，充实教学内容。教师只有不断进行科研探索和学习才能把握最新的科研前沿问题，并将最新的前沿知识介绍给学生，激发学生探索知识的欲望。

表1 遥感数字图像处理理论课学时安排

[章 节＼&主要内容＼&课 时＼&1.概论＼&遥感图像的概念、遥感平台等＼&2课时＼&2.遥感图像及统计分析＼&遥感图像数据、遥感图像的统计分析＼&2课时＼&3.遥感图像校正与镶嵌＼&辐射校正、大气校正以及图像镶嵌＼&6课时＼&4.遥感图像空间域增强＼&灰度变换、直方图变换、空间滤波＼&8学时＼&5.遥感图像变换＼&傅立叶变换、小波变换、主成分变换等＼&6学时＼&6.遥感图像频率域增强＼&频率域滤波、同态滤波等＼&4学时＼&7.遥感图像融合＼&主成分分析变换融合，小波变换融合等＼&4学时＼&8.遥感图像分割＼&阈值分割、梯度法、区域生长、数学形态学等＼&4学时＼&9.遥感图像分类＼&监督分类、非监督分类、分类后处理等＼&8学时＼&10.土地利用变化分析＼&土地利用概念、土地利用变换分析的流程等＼&4学时＼&]

2 教学方法和手段的改革

遥感数字图像处理是对遥感数字图像的计算机处理。与工业以及医学等影像不同，遥感影像是对地球进行观测的结果，它不仅具有普通图像的特征，而且还具有空间坐标。因此，在进行遥感数字影像的处理过程中，不仅需要掌握普通的数字图像处理方法，而且还需要具有丰富的地学知识。

2.1 采用多媒体课件和板书相结合的教学方式

课堂教学成败的一个重要因素是课件质量，制作内容丰富、通俗易懂，且与教材相配套的多媒体课件是教学改革的重要环节。在课件的制作过程中，适时调整各级标题使内容重点突出，更具条理性，同时利用图片、图示以及图表来减少文字出现的篇幅，提高信息的表达质量。如傅立叶分析部分涉及到大量的、枯燥的公式推导及算法实现，针对本科生的数学水平，让学生从数学上理解傅立叶分析的内涵是不现实的。我们通过多媒体课件从物理上利用信号分解和叠加实例来充分展示傅立叶分析的作用，同时减小公式推导的讲解，使学生能够快速对傅立叶分析的功能有一个清晰的认识。

在授课过程中不应一味地依赖多媒体课件，用适时的板书和多媒体相结合，能够达到最佳的教学效果。如在讲授遥感图像增强中的模板运算部分时，可以先通过板书一步一步进行推导计算，让学生领会该算法的实现要点；然后再用多媒体展示采用该算法处理的结果，这样能有效加强学生对理论及算法的理解和认识。

2.2 以问题为导向来启发学生，激起学习兴趣

在讲授课程过程中，以问题为导向，通过启发学生，引导他们深层次、多角度地思考问题，从而激发学生的学习兴趣，引起他们对课程的重视。例如在讲到遥感影像增强时，首先我们通过一个实例让学生明白为什么要进行影像增强，图1是一副原始的遥感影像，由于传感器接收到的电磁波能量比较小，导致影像偏暗，我们从中无法观测出更多的信息；接下来我们引出遥感影像增强技术，指出该技术的目标是就是为了更好地满足人或计算机从影像中观测感兴趣的事物；最后通过一个具体的例子来展示影像增强所能实现的目标，如图1（b）所示。这样做不仅可以创造良好的教学情境，而且使学生以目标为导向，在对比、类比的过程中接受并消化知识。同时可把一些相对简单及次要的问题抛给学生，让他们通过课下查阅资料。上网等途径提出解决方案，经课堂上讨论后再由老师作详细的阐述。

（a） 原始图像 （b） 增强后图像

图1 遥感图像增强示例

2.3 注重实验教学

“遥感数字图像处理”要求学生具有较强的实践能力，只有通过适时实验课的安排，让学生尽可能多地动手操作，方可达到最佳的教学效果。在学生亲自动手操作的过程中，不仅要增强他们对理论知识的理解，而且要提高他们对该门课的兴趣，同时培养他们独立解决问题的能力。笔者所在学校安排有18学时的上机实验，包括验证性、综合性实验两部分，主要通过学生上机操作ENVI或者ERDAS软件来实现。

通过验证性实验使学生加深对遥感数字图像基础理论的理解和认识，该部分主要涵盖遥感图像基础处理，包括遥感影像的辐射校正、几何校正、空间域遥感影像增强、频率域遥感影像增强、影像运算以及遥感影像分类等。其中空间域影像增强又包括点运算增强、直方图增强和空间滤波（空间模板）等。遥感影像分类包括监督分类和非监督分类两种。

综合性实验可使学生在掌握一定程度遥感数字图像处理知识基础上，结合某一现实进行综合应用。比如在学生掌握遥感影像分类知识后，结合开封市实际，根据开封市1998、2003和2008年的TM影像，分析开封市的土地利用变化情况。这就要求学生不仅要掌握遥感影像分类监督分类的知识，而且对开封市土地的利用类型有一定的了解，最后还要通过数据分析找出开封市土地利用的变化趋势和规律。让学生在实验中，验证并理解理论知识，进一步增加学生对遥感数字图像处理的认识。

2.4 增加学生编程能力

为了使学生系统地掌握该学科的基本原理和典型算法，不仅要求他们会用ENVI等专业软件，掌握遥感影像处理的基本方法以及流程，而且还要强调通过编程实践，即采用计算机语言进行数字图像处理编程。学生在学习遥感数字图像处理之前，已经修过C语言，数据结构等课程；而采用C或者C++语言进行遥感图像处理，会使学生的大量精力放在计算机编程而不是算法研究上，教学目的难以实现，不能达到预期的教学效果。

近年来，在遥感数字图像处理教学中，我们利用MATLAB进行辅助教学，取得了比较明显的效果。MATLAB 软件是美国Mathworks公司推出的一套科学计算软件，它将数值计算、可视化、程序编写集成于一个方便的、用户界面友好的操作环境中[8-9]。在MATLAB中，除拥有数百个函数的主程序包外，还包含三十多种工具箱，已广泛用于解决各个领域的特定问题；同时它又是开放的，用户可以根据自己的需求进行相应的扩展开发。结合MATLAB的特点，充分运用其易用且功能强大的图像处理工具箱，可有效减轻学生在学习遥感数字图像处理时遇到的困难，使学生将学习重点放在算法的提出及优化上，而不必花费大量的时间用来编写程序。

例如在进行基于主成分分析的遥感影像融合实验时，虽然可以通过ENVI软件来快速实现，但是仅通过界面一步一步地操作，不能使学生深刻理解该算法的精髓。比如为了使融合后影像具有更好的保真度，需要以第一主成分分量为基准，对全色波段影像进行直方图匹配处理，然后用处理后的全色影像去替换第一主成分。该步骤在软件操作中并没有体现出来，这会让学生误认为仅用全色波段影像直接替换第一主成分，然后进行逆变化就可以获得优异的融合结果，错误地理解该融合算法。而通过MATLAB，学生运用其提供的程序包，一步步地实现该算法，这样不仅提高了学生通过程序解决问题的能力，而且可以更加深刻，准确地理解算法。

3 结束语

遥感数字图像处理是一门多学科交叉的课程，做好这门课的教学工作需要多方面的努力。通过教学改革与实践，不仅有效激发了学生的学习兴趣，而且加深了他们对知识的理解，同时大大提高了他们的动手能力，取得较好的教学效果。该课程于2011年申请并成为河南省省级精品课程。遥感数字图像处理是一门理论性和应用性都很强的学科，对该课程的教学改革仍在进一步探索之中。

参考文献：

[1] 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

[2] 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.

[3] 韦玉春.遥感数字图像处理教程[M].科学出版社，2007.

[4] J. A. Richards， Remote sensing digital image analysis[M].Berlin：

Springer，2012.

[5] J. R. Jensen， Introductory digital image processing[M].NewYork：

Prentice Hall 1996.

[6] R. A. Schowengerdt.Remote sensing： models and methods for

image processing[M].NewYork： Academic press， 2006.

[7] R. C. Gonzalez.冈萨雷斯数字图像处理[M].电子工业出版社，2006.

[8] 罗军辉，冯凉.MATLAB 7.0在图像处理中的应用[M].机械工业出版

社，2005.

[9] 张德丰等.Matlab数字图像处理[M].机械工业出版社，2012.