兩種教學法在遙感圖像校正教學中的應用

鄒柏賢，孟 斌

（1. 北京聯合大學應用文理學院，北京100191）

兩種教學法在遙感圖像校正教學中的應用

鄒柏賢1，孟 斌1

（1. 北京聯合大學應用文理學院，北京100191）

在地理信息科學專業本科的遙感圖像處理教學中，圖像校正的教學是一個難點。經過多年的教學實踐，系統完整地組織教學內容，提出采用比較教學法，從多方面、多角度進行概念的比較，同時運用圖示教學法加強形象記憶，使知識系統化。實踐表明，教學效果良好。

圖像校正；比較教學法；圖示教學法

在《遙感圖像處理》課程中，有關遙感圖像校正的概念比較多、易混淆，各個校正處理的概念之間相對獨立，缺乏先后順序關系，相互割裂，在各教材中對概念的描述不統一或不完整，對校正處理的分類不盡相同。針對遙感圖像校正教學中遇到的問題，采用比較教學法，對遙感圖像校正部分的內容進行重新組織，完整地列出容易混淆的概念，提煉出主要特點進行比較，同時運用圖示教學法，直觀地指明各概念解決的問題和所處的階段、明確它們之間的前后鄰接關系。利用示意圖，系統、完整地說明各種校正的概念，并以列表的方式明確各概念的界限和特點，幫助學生理解和掌握。

1 比較教學法和圖示教學法

比較教學法是教師在教學過程中體現教學內容之間異同關系的思維過程和方法[1-2]，即把彼此之間具有某種聯系的教學內容放在一起加以對比分析，從多方面、多角度進行比較，明確之間的異同，幫助學生認知，使學生更好地理解和掌握。

圖示教學法，也叫“圖文示意”教學法,即通過簡要的符號、濃縮的文字、線條（箭頭）等構成特有的圖文式樣，形成板書、電腦課件等有效施教的教學方法[3]。圖示教學法有其科學的理論依據，符合用腦科學，具有協同左右腦進行全腦思維的功能,符合學生認識和記憶的規律，能有效傳遞信息，提高信息傳播的數量及質量。常用的圖示方法有線條式、表格式、圖像式等類型。教師在教學中運用圖示教學法，展現抽象的“思維”過程，可以揭示教材內容的概念、原理及其相互關系，使講解有所依據，思考有所指向，不僅能激發和提高學生的學習興趣,促進新知識教學的效率提高,而且還能提高學生的思維能力和記憶能力。

2 遙感圖像校正的教學內容

遙感圖像是通過傳感器感知來自目標地物的反射和輻射電磁波得到的，是目標地物特征的體現，其中蘊含著目標地物的多種信息，包括目標地物的色調、顏色、對電磁波（光線）的吸收和反射情況、表面布局結構、紋理結構和光滑程度等特征。遙感圖像與地面景觀的真實輻射之間存在誤差，產生的原因可分為遙感器、大氣、地形3個方面。在從目標地物反射和輻射的電磁波到達傳感器的過程中，經過目標地物、大氣、傳感器前端以及傳感器，還會受到氣候條件、目標地物所在地理位置、太陽位置和照射角度、大氣中的散射光線以及遙感成像系統誤差等多種因素的影響，導致遙感圖像失真。失真的遙感圖像將會影響對地物目標的正確識別、分析與解譯。因此，必須消除導致圖像失真的各種因素的影響。

教材中通常把像素的亮度值相對于地面對應地物單元的真實輻射亮度的偏差稱為輻射誤差，像素的幾何位置相對于對應地物真實位置的偏差稱為幾何誤差，因此把遙感圖像的校正分為輻射校正和幾何校正[4-9]。

2.1 輻射校正

輻射校正包括傳感器端的輻射校正、成像系統輻射校正、大氣校正、地形輻射校正和太陽高度角輻射校正[4,5]；文獻[6]中的輻射校正還包括日地距離校正。在各教材中并未完整地介紹各個校正的含義，以及各校正的先后順序關系。在教學實踐中，通過表格列出各種輻射校正的含義及說明，便于學習、比較和記憶，如表1。

2.2 幾何校正

受傳感器成像特性、遙感平臺姿態變化、大氣折射、地球曲率、地形起伏、地球自傳等因素的影響，遙感圖像會產生幾何誤差，需要進行幾何校正[4]。幾何誤差校正分為系統校正和精確校正。由傳感器特性和遙感器的瞬時位置、高度、偏航等引起的誤差的校正屬于系統校正，在衛星地面接收站完成。由地球曲率、大氣折射以及地形變化等引起的誤差校正，即精確校正，一般通過地面控制點進行[7]。

表1 各種輻射校正的含義及說明

精確校正又可分為嚴格校正和近似校正兩種方法，前者依據傳感器的成像模型進行,后者則根據通用的近似模型進行。嚴格校正法主要有3種針對不同類型圖像的模型[4]：畫幅式圖像的幾何校正模型、線陣CCD圖像的幾何校正模型以及側視雷達圖像的幾何校正模型。不同類型圖像的處理模型不同，確定模型需要的控制點數也各不相同。近似校正法校正模型有直接線性變換模型、多項式模型、有理函數模型[4]。近似校正法與傳感器的成像方式無關。幾何校正的兩個基本環節是像元坐標變換和像元灰度值重采樣。

3 教學內容的重新組織

在遙感圖像的獲取過程中，由于導致輻射誤差、幾何誤差的因素很多，誤差校正的類型或方法很多，容易使學生混淆，學生初次接受起來有困難，為了理清各種校正類型或方法的概念及其相互關系，對這些概念進行合理安排和組織。一方面，運用圖示教學法（見圖1～3），用遙感系統示意圖顯示產生輻射誤差的各個環節和對應的校正方法；另一方面，采用比較教學法，借助列表（表2～4）對這些校正方法進行對比和分析，以數據流程圖的形式展示輻射校正各步驟之間的先后順序和鄰接關系，使學生能夠加深對各種輻射誤差校正方法的理解、掌握和記憶。

3.1 輻射校正

根據遙感圖像的目的意義，遵循遙感圖像中誤差產生的相反順序，對輻射校正中各種校正類型進行組織，如圖1所示。

表2 遙感圖像輻射校正各步驟、糾正的誤差及校正方法

圖1 遙感圖像輻射及校正各步驟示意圖

表2列出遙感圖像輻射校正的各步驟、各步驟校正的誤差類型以及相應的校正方法。通過列表，可以進一步加深和鞏固學生對各種輻射誤差校正的理解，對比和分析各校正方法。

圖2是遙感圖像輻射校正的數據流程圖。

3.2 幾何校正

遙感圖像幾何誤差原因多種多樣，誤差產生的原因可以分為遙感器原因、大氣原因、地形原因和處理過程原因4種，表3是幾何誤差產生的原因以及相應的校正方法[7]。

精確校正的各種具體方法的輸入都相同，目的都是針對原始的遙感圖像（輸入）進行變換，得到幾何校正后的最終處理結果（輸出）。各種幾何校正方法是并列關系，只是不同的校正方法具有不同的特點。而輻射校正方法是針對導致各種誤差的因素，在不同環節采取相應的校正方法，各種具體的輻射校正方法是一種先后、順序關系，而非并列關系，如表4、圖3 所示。

圖2 遙感圖像輻射校正數據流程圖

表3 產生遙感圖像幾何誤差的原因及相應的校正方法

圖3 遙感圖像幾何誤差及校正示意圖

表4 精確校正法各種具體模型及特點

3.3 輻射校正與幾何校正的實際應用

輻射校正并非總是必要的。一般而言，對于那些精確基于地物的反射亮度或發射亮度的信息分析方法，輻射校正是必須的，例如，溫度和生物量反演、水體懸浮物、葉綠素、礦物成分、土壤金屬元素等物質成分及其含量的反演是需要精確的輻射校正。單景圖像進行的很多圖像分類問題、基于可視圖像特征的目標識別問題等則可以不要求嚴格的輻射校正[7]。

3.4 關于輻射輻射校正與幾何校正的先后順序

如果先進行幾何校正，這期間需要重采樣，會改變結果中的像素值，再進行輻射校正也會受到影響。在文獻[10]中，通過改變變輻射校正、幾何校正的先后順序，從圖像的統計特征和紋理特征兩個方面定量分析輻射校正、幾何校正順序對處理結果的影響，發現這兩種校正的先后順序對結果的影響很小。這個問題的最終結論還需要科研工作者更深入、廣泛的研究。

4 結 語

遙感技術的快速發展和廣泛應用，對遙感圖像處理課程的教學提出了更高的要求。應在理論上加強遙感圖像處理的教學，打下扎實的理論基礎，增強實踐技能的培養，更好地適應社會需求。遙感圖像處理課程起到了啟發學生學習相關課程的重要作用，它能夠更直觀地反映遙感圖像的表示、操作處理和實際應用，具有較強的實用性和視覺沖擊力，對于調動學生學習興趣、掌握遙感理論和技術有重要意義。

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[4]盧小平,王雙亭.遙感原理與方法[M].北京:測繪出版社,2012

[5]韋玉春,湯國安,楊昕，等.遙感數字圖像處理教程[M].北京:科學出版社,2007

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[8]章孝燦,黃智才,戴企程, 等.遙感數字圖像處理[M].杭州:浙江大學出版社,1997

[9]趙忠明,孟瑜,汪承義.遙感圖像處理[M].北京:科學出版社,2014

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P237

B

1672-4623（2017）12-0108-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.12.035

2016-12-15。

國家自然科學基金資助項目（41671165、61650201）。

鄒柏賢，博士，副教授，主要研究方向為圖像處理、模式識別。