面向應(yīng)用的《激光遙感》課程實踐設(shè)計

摘 要：《激光遙感》課程是武漢大學遙感信息工程學院為適應(yīng)遙感技術(shù)發(fā)展的最新需求，針對本科生設(shè)置的一門專業(yè)必修課程，為學生傳授LiDAR技術(shù)的相關(guān)知識。本文針對教學大綱和LiDAR技術(shù)的特點，根據(jù)科研和生產(chǎn)的需要，設(shè)計了實踐課程，并提出了課程的框架和建設(shè)方案。

關(guān)鍵詞：遙感 機載激光雷達 實踐教學 課程設(shè)計

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1674-2117（2014）18-00-02

1 前言

《激光遙感》是武漢大學遙感信息工程學院為適應(yīng)遙感技術(shù)發(fā)展的最新需求，對原有《激光成像》課程進行改造而設(shè)置的一門專業(yè)必修課程。隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，激光遙感成為了遙感技術(shù)的重要方向。近些年越來越多的資源投入到激光雷達術(shù)的研究和實踐中，使之得到飛速發(fā)展。目前激光遙感技術(shù)已經(jīng)運用到了近景、地面、車載、機載到星載的多種平臺上，提供了不同精度的多種產(chǎn)品，應(yīng)用在諸多行業(yè)中。相應(yīng)地，激光遙感數(shù)據(jù)處理也從科學研究少量試驗發(fā)展到了大規(guī)模生產(chǎn)實踐階段。面對這種變化趨勢，武漢大學遙感信息工程學院在2010年修訂的本科生培養(yǎng)方案中，設(shè)置了《激光遙感》課程，作為攝影測量方向本科生的專業(yè)必修課和遙感信息工程方向本科生的專業(yè)選修課[1]。這準確地反映了目前激光遙感技術(shù)的發(fā)展狀況和其在遙感技術(shù)中的地位。

2 加強激光遙感實踐課程的必要性

在激光遙感課程改造過程中，有必要提出并堅持面向應(yīng)用的方針，這一方面是生產(chǎn)的需要，我國已經(jīng)正在大力引進和推廣激光遙感技術(shù)，僅機載LiDAR設(shè)備就已經(jīng)超過30臺，價值數(shù)億元，其他的地面及近景設(shè)備更是多達百余套。這些設(shè)備采集了大量的數(shù)據(jù)，處理這些數(shù)據(jù)需要專門的人才，對本科教育提出了要求[2]；另一方面是就業(yè)的需要，雖然隨著空間技術(shù)的應(yīng)用，攝影測量與遙感專業(yè)的學生就業(yè)形勢較好，但是要看到，隨著開設(shè)相關(guān)專業(yè)課程學校的增加以及學生規(guī)模的擴大，就業(yè)壓力已經(jīng)越來越大，有必要根據(jù)生產(chǎn)部門的需求，有針對性地培養(yǎng)學生專長，擴大就業(yè)機會；第三方面是科學研究的需要，目前激光遙感數(shù)據(jù)僅僅得到了初步的應(yīng)用，如何提高數(shù)據(jù)處理效率，豐富數(shù)據(jù)產(chǎn)品類型以及拓展數(shù)據(jù)范圍等，是目前生產(chǎn)部門亟待解決的問題[3]。通過在本科階段設(shè)置相關(guān)課程，加大培養(yǎng)力度，有利于激發(fā)學生科研興趣，為將來投身相關(guān)科學研究打下了堅實基礎(chǔ)。在過去激光遙感屬于前沿技術(shù)，缺少必要的案例和數(shù)據(jù)，主要采取課堂講授的方式，通過教師的PPT和板書進行教學，學生的課堂實驗及課后實踐很少，缺少實踐環(huán)節(jié)，造成學生動手能力較差，同時對理論的理解也不夠深入，影響了用人單位的使用[4]。因此，隨著激光遙感技術(shù)從探索走向應(yīng)用，對應(yīng)的《激光遙感》課程也由選修設(shè)置為必修，其授課方式也應(yīng)該從純理論講授發(fā)展為理論結(jié)合實踐的講授方式。

3 遙感實踐課程的原則及內(nèi)容

3.1 遙感實踐課程的原則

激光遙感數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)多，涉及的專業(yè)知識多，同時，由于仍處于不斷發(fā)展中，很多新處理方法和產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，成熟和固定的生產(chǎn)與數(shù)據(jù)處理方法和流程較少。在確定激光遙感課程實踐內(nèi)容時需要把握如下原則：

（1）有利于全面掌握課程的知識點，實踐的內(nèi)容應(yīng)該貫穿整個課程的環(huán)節(jié)，加深和鞏固學生對理論的了解；

（2）有利于相關(guān)專業(yè)知識的融會貫通[5]。激光遙感是多種新技術(shù)的集成技術(shù)，應(yīng)該通過實踐環(huán)節(jié)，使學生了解相關(guān)專業(yè)技術(shù)以及集成技術(shù)的重要性及作用；

（3）有利于激發(fā)學生的科學研究興趣[6]。應(yīng)該通過實踐，激發(fā)學生探索未知的興趣，投身于對激光遙感技術(shù)科學研究中；

（4）有助于提高學生動手能力。激光遙感技術(shù)是一門工科技術(shù)，其落腳點應(yīng)聚焦在提高學生的動手能力，為將來勝任行業(yè)部門打下基礎(chǔ)；

（5）有助于課程安排。課堂時間有限，過于復(fù)雜的實驗占用太多時間，不利于課堂組織，簡單的實驗不利于學生掌握相關(guān)知識。必須對各實驗部分精心設(shè)計，使之既相對獨立又有機聯(lián)系。

3.2遙感實踐課程的主要內(nèi)容

激光遙感實踐環(huán)節(jié)的內(nèi)容

激光遙感技術(shù)工程實踐環(huán)節(jié)較多，內(nèi)容龐雜，主要有：

航線設(shè)計，需要全面掌握點云數(shù)據(jù)的參數(shù)，影像數(shù)據(jù)參數(shù)等；

數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括誤差剔除，坐標轉(zhuǎn)換等；

輸入輸出，包括格式轉(zhuǎn)換，內(nèi)插方法等；

基礎(chǔ)測繪產(chǎn)品生產(chǎn)，包括DEM、DLG的生產(chǎn)；

高級地理信息應(yīng)用，包括數(shù)據(jù)分類、建筑物提取，三維建模以及空間信息系統(tǒng)研發(fā)等。

4 遙感實踐課程設(shè)計

4.1 框架

本文設(shè)計了激光遙感課程的實踐教學方案，框架圖如下。

激光遙感實踐框架

4.2 實踐教學方案

本文設(shè)計了激光遙感課程的實踐教學案例，下面針對框架進行詳細說明。

（1）為了使學生對LiDAR技術(shù)有感性的認識，設(shè)計了參觀的環(huán)節(jié)，以激發(fā)學生的興趣。選擇學院的硬件設(shè)備或者生產(chǎn)部門的生產(chǎn)現(xiàn)場，使學生通過參觀對LiDAR設(shè)備的組成、相關(guān)技術(shù)和行業(yè)應(yīng)用有初步了解，在生產(chǎn)一線了解該技術(shù)目前的應(yīng)用關(guān)鍵和難點。一方面激發(fā)學生投身生產(chǎn)的熱情，另一方面使學生了解科研與生產(chǎn)的方向。

（2）針對LAS格式的數(shù)據(jù)，要求學生編寫程序，能夠讀取數(shù)據(jù)到相應(yīng)的數(shù)組中。主要使學生了解LiDAR數(shù)據(jù)種類，通過深入研究LAS數(shù)據(jù)格式，了解空間信息數(shù)據(jù)的特點和存儲難點；通過全面講解LAS格式版本的發(fā)展過程，了解LiDAR技術(shù)進步過程和數(shù)據(jù)不斷豐富的過程；通過程序編寫，熟練掌握空間數(shù)據(jù)讀取技術(shù)和節(jié)省數(shù)據(jù)存儲空間的技巧。

（3）對LiDAR數(shù)據(jù)進行三維顯示和基本空間分析操作。主要使用任課教師承擔科研項目時編寫的數(shù)據(jù)處理平臺，在使用前任課教師先講解科研項目的目的、意義、進展及展望，再對該平臺的基本功能，尤其是數(shù)據(jù)讀取部分進行詳細講解。一方面可以使學生看到上次課程自己編寫的數(shù)據(jù)讀取程序的規(guī)范性、速度和效率上存在的問題，另一方面可以使學生知道，科研項目并不神秘，而是從基礎(chǔ)的功能起步的；通過對點云的簡單空間操作和分析，使學生了解點云數(shù)據(jù)的粗差、斷面、建筑物和樹木腳點的空間分布特征、區(qū)別以及容易混淆的地方；通過對波形數(shù)據(jù)的讀取、顯示和分解，使學生了解LiDAR數(shù)據(jù)的新發(fā)展及其優(yōu)點。

（4）要求學生編程實現(xiàn)LiDAR數(shù)據(jù)粗差的剔除。本次實踐具有一定的靈活性，學生可以自行編寫包含讀取、顯示、剔除粗差以及存儲的完整程序，也可以在教師提供的平臺上，以組件的形式完成剔除粗差的功能。關(guān)鍵是使學生理解基于高差的分類方法，基于統(tǒng)計原理的區(qū)分粗差的方法，熟悉一些基本的測量平差方法，不僅能夠復(fù)習和掌握前期學過的測繪的基本專業(yè)知識，還能初步掌握LiDAR數(shù)據(jù)處理的基本原理和DEM的基本生產(chǎn)方法。

（5）要求學生編程實現(xiàn)去除粗差后的LiDAR數(shù)據(jù)的規(guī)則化。主要使學生復(fù)習和掌握空間數(shù)據(jù)內(nèi)插的主要方法，了解LiDAR數(shù)據(jù)采集的隨機性，知道其特點和不足，提高編程水平，同時對于DEM的生產(chǎn)方法也有更深入的掌握。

（6）實現(xiàn)LiDAR點云數(shù)據(jù)分類和輸出。這部分比較復(fù)雜，主要基于現(xiàn)有軟件，使學生掌握LiDAR數(shù)據(jù)分類的原理和生產(chǎn)部門處理的流程和工具，在不斷調(diào)試參數(shù)并觀察處理結(jié)果的過程中，琢磨和理解現(xiàn)有數(shù)據(jù)分類算法的原理和不足，明了目前LiDAR數(shù)據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)的關(guān)鍵和難點，為將來從事生產(chǎn)或科研打下基礎(chǔ)。

（7）撰寫實踐報告，要求學生將實踐過程和實踐結(jié)果進行展示和總結(jié)，提出自己的想法，可以提出新的原理或算法，也可以針對某一環(huán)節(jié)提出改進措施，自由發(fā)揮。教師根據(jù)學生的報告綜合、總結(jié)，在課堂上進行展示和點評，并給出成績。

5 結(jié)語

實踐教學不僅是理論課程的補充，而且具有驗證、綜合、創(chuàng)新等功能。加強實踐性教學，有助于學生全面理解理論知識，掌握分析問題、解決問題的方法，激發(fā)學生自主學習熱情，提高學生編程能力。本文針對《激光遙感》課程的特點和本科學生的知識積累，設(shè)計了課程實踐環(huán)節(jié)，豐富了教學內(nèi)容，加深了學生對理論知識的理解，推動了《激光遙感》教學改革，使該工科課程更貼近科研和生產(chǎn)，為學生將來進行科研或生產(chǎn)打下了堅實基礎(chǔ)。

（武漢大學遙感信息工程學院，湖北 武漢 430079）

參考文獻：

[1]遙感信息工程學院.本科人才培養(yǎng)方案（2010年版）[EB/OL].2012（2）.

[2]賴旭東.《激光遙感》課程設(shè)計與思考[J].地理空間信息，2012，10（4）：168-169.

[3]張喜旺，劉劍鋒.高校GIS專業(yè)遙感類課程教學改革探索[J].測繪與空間地理信息，2012，35（10）：10-12.

[4]劉經(jīng)南，張小紅.激光掃描測高技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀[J].武漢大學學報：信息科學版，2003，28（2）：132-137.

[5]汪志明，花向紅，許才軍.加強實驗實踐教學環(huán)節(jié)培養(yǎng)測繪工程專業(yè)創(chuàng)新人才[J]。測繪工程，2004，13（1）：57-59.

[6]花向紅，鄒進貴.構(gòu)建復(fù)合型人才培養(yǎng)的測繪工程實踐教學新體系[J].測繪工程，2003，12（1）：58-60.