開源軟件輔助下“微波遙感”實踐教學改革與探索

王志勇

(1. 山東科技大學測繪科學與工程學院，山東 青島 266590;2. 山東科技大學測繪工程國家級實驗教學示范中心，山東 青島 266590)

開源軟件輔助下“微波遙感”實踐教學改革與探索

王志勇1,2

(1. 山東科技大學測繪科學與工程學院，山東 青島 266590;2. 山東科技大學測繪工程國家級實驗教學示范中心，山東 青島 266590)

針對“微波遙感”教學中存在的學生動手能力差、實踐能力培養欠缺等問題，探索利用開源軟件進行實踐教學輔助的教學改革。分析了開源軟件在實驗教學中的優缺點，介紹了微波遙感中常用的開源軟件及主要功能。在此基礎上，構建了一套開源軟件輔助下的“微波遙感”實踐教學項目，建立了標準實驗數據集，編寫了實驗指導材料，并通過百度云盤等方式實現了網絡共享。通過教學改革，拓展了學生的實踐教學途徑，提高了學生的實踐動手能力及微波遙感數據處理能力。

微波遙感；實踐教學；開源軟件；教學改革

微波遙感是遙感科學技術的一個重要分支，主要利用微波傳感器接收地面各種地物反射或散射的微波信號，借以識別、分析地物，提取所需的信息[1]。微波傳感器主要包括合成孔徑雷達(SAR)、散射計、高度計、輻射計等。由于微波遙感的全天候、全天時等優勢，已經在測繪、農業、林業、海洋等領域得到了廣泛應用[1]。

為了培養高素質的微波遙感領域人才，目前國內多所高校在遙感科學與技術本科專業開設了“微波遙感”課程[2- 4]，但在“微波遙感”的實踐教學中還存在很多問題：

(1) 沒有專門的商業軟件系統。微波遙感發展迅速，近年來雖然也推出了一些商業軟件，如GAMMA、Earthview InSAR、SARScape等，但這些軟件價格比較昂貴，并且主要是為了滿足某一方面的需求而研發的，軟件功能有一定的局限，還沒有專門服務于“微波遙感”實踐教學的商業軟件。

(2) 經費投入不足。學生數量較多，一般需要70～80套軟件才能滿足正常的實踐教學需求，而目前本科教學中普遍存在教學經費不足的問題。

(3) 缺少針對性訓練，學生動手能力差。目前，在“微波遙感”教學中一般是安排36學時的課堂教學，缺少專門的、針對性的實驗教學，致使學生的動手能力普遍較差，對“微波遙感”的基本理論理解得也不夠深入。而“微波遙感”是一門實踐性和應用性都很強的學科[2]，必須加強“微波遙感”實踐環節的教學，使實踐環節與課堂理論教學緊密聯系起來，切實提高學生的動手實踐能力及創新能力。

(4) 編程開發能力較差，創新能力培養欠缺。雖然面向遙感科學與技術的本科生開設了多門程序設計的課程，但從目前的教學中發現，學生的編程開發能力普遍較差，對“微波遙感”中的一些關鍵算法難以編程實現，這主要是缺少專門的專業編程訓練所致。

針對以上問題，在分析“微波遙感”實踐教學中存在問題的基礎上，以“微波遙感”課程的實驗教學為例，提出基于開源軟件輔助的實踐教學，構建基于開源軟件的實踐教學項目，拓寬學生課下自主進行實驗實踐的渠道，進而提高學生的實踐動手能力、綜合分析問題能力、科學研究能力和創新意識。

1 開源軟件及優勢

雖然針對SAR數據處理推出了商業軟件，如GAMMA、Earthview InSAR等[11]，但更多的研究人員在使用開源軟件，開源軟件在科學研究及實驗教學中都有不可替代的地位。

1.1 什么是開源軟件

開源軟件指的是開放源代碼(open source)的軟件，其源代碼可被公眾使用，并且軟件的使用、修改和分發也不受許可證的限制[5- 6]。即源代碼公開、可以免費使用及擴充的軟件。開源軟件一般在Unix/Linux操作系統下運行得比較多，最初大多是在Linux操作系統上開發的，后來有一些也移植到Windows操作系統下。

1.2 開源軟件的優勢及劣勢

免費是開源軟件的最大優勢，這正好可以彌補在實踐教學中經費投入不足的問題，可以方便學生學習使用。另外一個比較大的優勢是可以方便地擴展功能，由于軟件的源代碼已經開放共享，學生可以在這個基礎上進行進一步的開發設計，擴充一些數據處理功能。

但是因其是由非營利性組織或個人開發的，難免會存在一些問題，如軟件系統存在穩定性差、沒有免費的技術支持、缺少相應的技術指導材料等，這就需要對開源軟件進行深入研究，解決軟件運行中存在的問題，建立專門的指導材料及使用說明等。

1.3 微波遙感中主要的開源軟件

在微波遙感數據處理中，科研人員針對某一方面的研究及應用推出了一系列的開源軟件，如歐空局研發的NEST、荷蘭代夫特大學研發的Doris等，表1列出了一些微波遙感數據處理中常用的開源軟件。

表1 常用的微波遙感數據處理的開源軟件

2 開源軟件主要功能介紹

2.1 Doris軟件

Doris軟件是荷蘭代夫特大學radar小組開發的一款專門用于雷達干涉測量處理的開源軟件，能完成從原始SAR復影像讀取、配準、重采樣、干涉圖生成、去平地效應、相位解纏(需借助SNAPHU開源軟件)、地理編碼等功能，能滿足InSAR數據處理的需要，目前可支持的星載SAR傳感器有：ERS- 1/2、ASAR、PALSAR、TerraSAR等。該軟件只能運行在Linux環境下，建議使用者安裝雙操作系統(Windows+Linux)或工作在Cygwin下，Cygwin是一個在Windows平臺上運行的類Unix模擬環境。

Doris軟件的官方下載網址為：http:∥doris.tudelft.nl/。

2.2 NEST軟件

NEST軟件是 Next ESA SAR Toolbox的簡寫，是歐空局基于GUN GPL協議發布的一款用于SAR數據的讀取、處理、分析與顯示的開源軟件[12]，主要功能包括輻射校正、斑點噪聲濾除、多視處理、配準、幾何校正、雷達干涉測量數據處理、溢油監測、風速場反演等，目前可支持的星載SAR傳感器有：ERS- 1/2、JERS- 1、ENVISAT ASAR、ALOS PALSAR、TerraSAR- X、 Radarsat 1/2、 COSMO- SkyMed、Sentinel- 1A等。

NEST軟件的官方下載網址為：https:∥earth.esa.int/web/nest/home。

2.3 PolSARPro軟件

PolSARPro軟件是The Polarimetric SAR Data Processing and Educational Tool的簡寫，是歐空局推出的專門用于極化SAR教育教學的一款軟件[13]，可以完成極化SAR數據的讀取、極化SAR濾波、極化SAR目標分解、極化SAR分類等功能，目前可支持的星載SAR傳感器主要有：SIR- C、ASAR、PALSAR、Radarsat- 2、TerraSAR等。

PolSARPro軟件的官方下載網址為：https:∥earth.esa.int/web/polsarpro。

2.4 BRAT軟件

BRAT是Basic Radar Altimetry Toolbox的簡寫，是歐空局和法國CNES推出的用于高度計數據處理的工具，主要功能包括波形分析、高度重跟蹤、海洋表面高度SSH解算等，支持的高度計系統主要有：RA1、RA2、T/P、Jason- 1、Jason- 2、Cryosat- 2等。

BRAT軟件的官方下載網址為：http:∥www.altimetry.info/toolbox/。

3 開源軟件輔助下的“微波遙感”實踐教學

3.1 基于開源軟件的實驗項目設計

根據“微波遙感”課程教學體系，結合現有的開源軟件，構建了10個專題的實驗教學項目，具體見表2，實驗教學項目的建立一方面考慮了基礎性，另一方面突出了微波遙感技術的應用及最新發展技術。根據培養的需要，將實驗項目分為必做與選做，必做實驗是為完成基本的數據處理能力培養而設計的，選做實驗是考慮到學生能力的差異，為了進一步提高學生的綜合分析問題和創新意識而設計的。

表2 建立的10個專題的實驗教學項目

創新能力、創新意識的培養是當前本科教學改革的一個重點[7- 9,14- 15]，為了加強學生的創新能力培養，可以選拔部分優秀的學生，基于開源軟件進行程序設計與軟件開發方面的培養，特別是通過開放的源代碼學習關鍵的數據處理算法，在此基礎上，再編寫微波遙感數據處理關鍵算法的代碼，實現微波遙感數據處理中的某項功能，進而提高學生的編程開發能力及創新意識。

3.2 標準實驗數據集及實驗指導材料的構建

根據實驗項目的設置，收集相關的實驗數據集，建立了一批標準實驗數據集，主要包括星載SAR數據、高度計數據。SAR數據方面包括了主流的星載系統，如ERS- 1/2、ENVISAT ASAR、Radarsat- 1/2、ALOS PALSAR、TerraSAR等，包括了不同空間分辨率(100 m、30 m、10 m、3 m、1 m)、不同極化方式(單極化、交叉極化、全極化)、不同視角、不同時相的遙感數據；高度計數據主要以T/P衛星、Jason- 2、Cryosat- 2為主。學生通過實驗數據處理，可以掌握對主流微波傳感器的數據處理方法。

在此基礎上編寫了“微波遙感”實驗教學大綱及詳細的實驗教學指導材料，每個專題的實驗指導材料主要包括以下幾個方面的內容，如圖1所示。

圖1 專題實驗指導材料內容構成

3.3 實驗項目的分發與網絡共享

借助于學校的資源共享平臺，可以將建立的實驗教學資源進行共享，學生可以方便下載學習，進而可以在課下實現自主學習，完成相關的實驗任務。另外，由于雷達數據的存儲量一般都非常大，需要解決大數據的共享與快速下載問題，針對這一問題，借助于百度云盤等專用網絡共享軟件進行資源的共享與發布，可實現大數據的快速下載，并且可實現向特定用戶的私密共享，保證了實驗數據及資源的相對安全[10]。

4 結 語

通過對“微波遙感”的實踐教學進行研究，形成了較完整的實踐教學體系，特別是基于開源軟件構建了10個專題性質的實驗教學項目，建立了一套專門用于“微波遙感”實踐教學的標準實驗數據集，編寫了配套的實驗教學大綱及實驗指導材料，可以供遙感科學與技術、測繪工程等相關專業的學生課下實習實驗使用。通過教學改革，拓寬了學生的實踐教學的空間，可以很好地彌補當前“微波遙感”課程沒有專門的實踐教學的問題。通過實踐教學，提高了學生的微波遙感數據處理能力和創新意識。

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Reforming of the Practice Teaching in the Course of Microwave RemoteSensing Assisted by Open Source Software

WANG Zhiyong1,2

(1.College of Geomatics, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China; 2. National Demonstration Center for ExperimentalSurveying and Mapping Education(Shandong University of Science and Technology), Qingdao 266590, China )

In view of the problems existing in the teaching of microwave remote sensing, such as the lack of practical ability and the lack of data processing ability training, we reformed the practical teaching for the course of the microwave remote sensing assisted by open source software. Firstly, it analyzed the advantages and disadvantages of open source software in experimental teaching. Then, it introduced the open source software and their main functions in the course of the microwave remote sensing. Then, a set of practical teaching projects of microwave remote sensing assisted by open source software were constructed. The standard experimental data set were established and the guidebook materials for the experiments were compiled. The experimental data and materials were shared through the network, such as the Baidu cloud disk and other ways. Through the teaching reform, it can extend the ways to practical teaching for the students. And it can improve the students' practical ability and data processing ability for the microwave remote sensing.

microwave remote sensing; practice teaching; open sources software; teaching reform

2016- 03- 14；

2016- 06- 27

山東科技大學教育教學研究“群星計劃”項目(qx2013306)；山東科技大學優秀教學團隊建設計劃(JXTD20160502) 作者簡介： 王志勇(1978—)，男，博士，副教授，從事微波遙感、數字攝影測量等方面的研究。E- mail：wzywlp@163.com

王志勇.開源軟件輔助下“微波遙感”實踐教學改革與探索[J].測繪通報，2017(3)：137- 140.

10.13474/j.cnki.11- 2246.2017.0104.

G64

A

0494- 0911(2017)03- 0137- 04