地理學專業“遙感概論”課程教學改革研究

張其兵

(湖南文理學院資源環境與旅游學院，湖南 常德 415000)

地理學專業“遙感概論”課程教學改革研究

張其兵

(湖南文理學院資源環境與旅游學院，湖南 常德 415000)

論述了如何讓學生參與教師的科研項目，提高學生對“遙感概論”基本知識和基本技能的掌握，提高學生3S技術的應用能力，培養復合型應用型人才，促進學生就業和科研能力，為學生的進一步發展打下良好的基礎。

科研項目；遙感概論；教學改革

Abstract: In this paper, we discuss that how to make students to take part in research projection of teachers, so as to improve the understanding to the principal knowledges and skills for the Introduction of Remote Sensing, also improve the application abilities of 3S technology, and cultivate compound and vocational talents, and lay a solid foundation for further development of students.

Keywords: Research projection; Introduction of remote sensing; Education reform

隨著遙感技術的發展，地理學也迎來了大發展時期。“遙感概論”是地理學專業的核心課程，如何讓學生掌握好該門課程的基礎知識和基本技能，是迫切需要解決的問題。結合本人的科研與教學工作，讓學生參與教師的科研工作，以科研促進教學，以教學帶動科研，形成良性互動。

1 結合具體的科研項目，增強學生的遙感基礎知識

本人從事冰川研究，結合自己的科研課題，首先告知學生冰川面積遙感監測原理和方法。冰川表面是由雪、粒雪(firn)、冰、水和雜質 (巖石、碎石、塵土和污染物)組成，這些物質決定了冰川表面的光學特性。在消融季的末期，不考慮液態水、冰磧覆蓋物和污染物，冰川表面是由雪和冰組成的。冰川冰是由雪演化而來的，冰川表面的光學特性與雪類似。傳感器波段可以分為三類：可見光(0.4～0.7 μm，藍，綠，紅波段)與近紅外波段(0.7～1.4 μm，VNIR，Visible and Near InfraRed)，短波紅外波段(1.4～3 μm，SWIR，Short Wave InfraRed)，熱紅外波段(8～15 μm，TIR，Thermal InfraRed)。這些波段的位置都處于大氣窗口中，所以不同傳感器的波段范圍都是類似的。雪的光譜特征經過野外調查和數值模擬[1]，在電磁波的可見光部分有高的波譜反射率，反射率與污染物含量相關性大，與雪粒徑的相關性非常小。在近紅外波段波譜反射率下降，在中紅外或者短波紅外波段，反射率很小，這三個波段的反射率與污染物含量相關性小，與雪粒徑的相關性大。在藍波段或者綠波段，由于波長短，大氣的瑞利散射與米氏散射強，利用這兩個波段能輔助地區分陰影部分的冰川。在近紅外波段，冰川的反射率比藍、綠和紅波段明顯降低，水體對該波段有非常強的吸收性，然而植被有很高的反射率。綠波段聯合近紅外波段的歸一化水體指數(NDWI，Normalized Difference Water Index)可用于水體的區分，紅波段聯合近紅外波段的歸一化植被指數(NDVI，Normalized Difference Vegetation Index)可用于區分植被，這兩種指數可以用來排除冰川誤分類中的水體和植被。在短波紅外波段，冰川對它有強吸收性，純凈的水體幾乎吸收了所有的輻射，云在這個波段有相對高的反射率。因此，短波紅外波段可以用來區分云及冰川區與非冰川區。在熱紅外波段，薄的冰磧覆蓋物由于底層冰的冷化作用，溫度較低，可以輔助識別冰磧覆蓋下的冰川。通過這部分內容的案例教學，讓學生加深理解了遙感電磁輻射基礎知識中地球大氣及其對太陽輻射的影響，尤其是大氣窗口的概念。結合冰川表面各部分對太陽光譜反射率的不同，讓學生對地面物體反射光譜知識有更深的掌握。

在科研案例教學中，冰川遙感影像的選取要考慮空間分辨率、影像覆蓋范圍、波段數目和位置(波譜分辨率)以及影像費用。空間分辨率需要在30 m及以下，波段需要綠、紅、近紅外和短波紅外波段。全色波段的空間分辨率相對較高，但是只能用于手工繪制冰川區，用其區別雪和云非常困難，此波段傳感器在雪上易出現飽和現象。然而全色波段的高空間分辨率可以與多光譜影像進行融合，從而提高了空間分辨率和光譜分辨率。自動提取冰川和區分云需要中紅外或者短波紅外波段。

通過以上具體科研案例教學，讓學生對傳感器的性能如空間分辨率、光譜分辨率和時間分辨率的概念有更具體的體會，學生會主動去了解陸地衛星Landsat及ASTER的傳感器和數據參數，Landsat系列衛星和ASTER衛星的數據產品，衛星各波段數據的波長設置和應用領域，提升了學生的學習興趣。

2 結合具體的科研項目，增強學生解決問題的實踐能力

結合先前的科研項目理論知識，給學生分配具體的科研任務，叫學生下載Landsat和ASTER遙感影像圖，進行冰川面積的提取，冰川面積變化的計算，并分析地形參數與冰川面積的相互關系。首先讓學生了解處理遙感影像的操作程序。遙感影像首先轉化成輻亮度(radiance)，然后轉化成表觀反射率(RTOA，Reflectance of Top of Atmosphere)，可以用來提高雪和冰的區分度，同時采用黑目標減去法(DOS，Dark Object Subtraction)進行大氣校正，然后進行影像之間的配準。因為研究區復雜的地形，在遙感影像上產生了強烈的陰影，因而用NDSI=(band 2 - band 5)/(band 2 + band 5)來提取冰川的邊界較理想[2]。閾值先粗略地通過直方圖來決定，然后在一個區間內，每增加0.01，檢查哪一個值得到的冰川邊界與假彩色合成影像圖目視解譯最吻合，最后選定確定的值。影像中水體的提取是通過歸一化水體指數的方法得到，但是混濁的水體與陰影區域有同樣的光譜特征，因為水體的坡度角(slope angle)小，可以運用邏輯運算NDWI和slope angle約束條件交集來提取水體，然后把所有水體從冰川形文件中減去。ETM+影像有15 m分辨率的全色波段，本波段能與30 m分辨率的可見光近紅外波段進行融合，得到15 m分辨率的彩色影像，用來提高描繪冰磧覆蓋下的冰川的準確性。

學生通過對遙感影像的處理操作，掌握了遙感圖像目視判讀的方法與步驟，掌握了對遙感圖像進行輻射校正與幾何校正的技能，掌握了利用計算機對遙感圖像進行分類的技能。這些技能對學生以后從事科研或者社會工作都非常有益，這也是應用型人才培養和大學轉型發展的體現。

讓學生分析地形參數與冰川面積的相互關系，首先需要得到每一條冰川邊界的形文件。借助Arcgis 10.1的水文分析工具(Hydrology)，用SRTM DEM提取每一條冰川所在的流域分界線，用集水流域，結合提取出的山脊線及陰影圖，手工修改流域分界線。單條冰川通過Arcgis 10.1中Analysis Tools/Overlay/Intersect工具對冰川形文件與冰川邊界形文件相交得到，用DEM和3D Analyst/Surface Analysis算出坡度和坡向，把單條冰川矢量文件轉成柵格文件，用區域統計方法(Spatial Analyst/zonal statistics)計算每一條冰川的地形參數(平均高程、平均坡度和平均坡向)。

學生通過這方面的實訓操作，掌握了GIS技術與遙感技術的相互結合與綜合運用。提高了學生3S技術的應用能力。3S技術可以應用在環境保護、城市規劃、農業、水文與交通等等方面。通過學生參與教師科研項目，擴大了學生的就業面。

因此，理論聯系實際，教研與科研相互結合，提高“遙感概論”課程教學效果，增強學生的學習興趣和動手能力，能運用理論知識解決實際問題，從而培養應用型人才，為學生就業或者進一步進行科研深造打下堅實的基礎。

[1] DOZIER J. Spectral signature of alpine snow cover from the Landsat Thematic Mapper[J]. Remote Sensing of Environment，1989，(28)：9-22.

[2] RACOVITEANU A E，ARNAUD Y，WILLIAMS M W，et al. Decadal changes in glacier parameters in the Cordillera Blanca, Peru, derived from remote sensing[J]. Journal of Glaciology，2008, 54(186)：499-510.

ResearchofeducationreformfortheIntroductionofRemoteSensinglearnedbygeographymajors

ZHANG Qi-bing

(College of Resource Environment and Tourism, Hunan University of Arts and Science, Changde 415000, China)

G642

A

1674-8646(2017)17-0162-02

2017-06-19

張其兵(1975-)，男，博士，講師。