遙感圖像在中學地理信息化教學中的應用原則與方法＊

胡順石 潘 婷 譚子芳

（1.湖南師范大學 資源與環境科學學院 湖南長沙 410081；2.湖南省地質中學 湖南長沙 410011）

近年來，遙感應用在各行業不斷地深入滲透，從國家需求為主逐漸擴展到企業、行業應用層次，甚至進入到普通百姓日常生活中。高中地理新課程標準強調加強信息技術在地理學習中的應用，要培養學生學習有用的地理知識，而遙感技術是信息技術的重要手段之一，可以在中學地理信息化教學中發揮重要作用。遙感技術可以從不同高度、大范圍、快速和多譜段地對地表進行周期性的觀測，獲取大量地表信息，它已是地理學相關領域研究的重要數據來源[1]。不同階段的中學地理課程中均設置了包含遙感技術的相關教學內容，衛星遙感圖像能夠增強地理教學信息的表現力和視覺沖擊力，激發學生的興趣[2]。將遙感技術運用在地理信息化教學中，將改變地理教學內容的展示方式、豐富地理課堂教學內容和改變地理課堂的教學方式[3]。應用遙感技術進行中學地理信息化教學也是新課標對地理教學時代性和前沿性的要求。本文將介紹在中學地理信息化教學過程中，中學教師應如何選擇合適的遙感圖像，采用哪些方法將遙感圖像應用到教學過程中，以及介紹哪些教學內容可以采用遙感圖像。

一、地理教學中遙感圖像的選擇原則

中地理教學內容包括自然地理、人文地理和區域地理等基礎教學內容，教師應根據特定的教學目標和內容，選擇符合要求的遙感圖像。鑒于遙感技術手段、平臺的多樣性，在實際選擇遙感圖像時，一般應從以下幾個方面進行綜合考慮。

1.選擇合適的遙感圖像類型

按照遙感成像的電磁波段分類，遙感可分為可見光、紅外和微波遙感；按照平臺分類，可分為近地面遙感、航空遙感、航天（衛星）遙感。由于地物對電磁波輻射作用的差異性，教師應還需要根據課程教學內容選擇合適的圖像類型，例如在講述城市環境——城市熱島效應主題時可采用熱紅外衛星遙感圖像；河流地貌的發育過程主題可采用多時相可見光遙感圖像；地形地貌主題可采用微波遙感圖像；天氣系統主題可采用氣象衛星數據等。目前，有很多網站可以提供免費衛星遙感圖像下載，如地理空間數據云網站（http：//www.gscloud.cn/）、中國遙感數據網（http：//rs.ceode.ac.cn/）、國家衛星氣象中心數據服務網（http：//satellite.nsmc.org.cn/portalsite/default.aspx）等。

2.選擇最佳波段組合進行圖像可視化

遙感傳感器可以在多個電磁譜段成像獲得遙感圖像，遙感圖像所反映的是傳感器接收地表不同地物電磁輻射信號。然而由于地表各類地物電磁輻射性質不相同，地物電磁波輻射信號差異性會在遙感圖像上有所體現。根據RGB色彩空間的彩色合成原理，我們應該選擇合適的波段進行組合，突出地物信息，服務于教學內容。在實際工作中，我們可以選擇地物波譜特征差異較大的波段圖像，即可以選擇不同波段影像密度方差較大且相關程度較小的圖像，同時還應注意到不同波段組合對目視判讀效果的影響。例如ENVI-IDL技術殿堂博客網站，衛星遙感圖像不同波段組合及其使用方式進行了較為詳細的說明，讀者可以參考借鑒。

3.選擇恰當時相的遙感圖像突出地物信息

自然界中，地表景觀會由于季節變化而產生差異，如植物生長具有明顯的季節性、氣候具有干濕變化特征等，這些變化會使得地物對電磁波輻射特性產生嚴重影響，從而影響地物在遙感圖像上呈現的特征。同時由于云、霧霾等對遙感圖像影響十分嚴重，所以在選擇時也要盡量避開，宜選擇那些含云量少的遙感圖像，從而可以提高目視判讀效率，提高課堂教學效果。

4.選擇合理空間分辨率圖像反映地理空間尺度現象

地理學是研究地球表面自然、人文現象及其空間演化規律的科學，它涉及到地理空間尺度問題。誠然，清晰度高的圖像更能從細節上反映地物外部輪廓形狀、紋理特征等，也有利于地物的判讀和識別，但是對于反映大尺度特征的地理教學內容時，如地形地貌、地域分異規律等，遙感圖像空間分辨率過高，圖像尺寸將也會增加，在遙感圖像顯示時則往往會超出課件顯示窗口，不利于學生從宏觀角度把握地理空間特征。選擇合適的空間分辨率的遙感圖像來進行教學設計是教師需要慎重考慮的問題，一般而言，小尺度、局部區域地理教學內容時，可以選擇高空間分辨率圖像，反之，宜選擇低空間分辨率遙感圖像。

二、遙感圖像在中學地理教學中的應用方法

由于遙感成像原理和技術手段的不同，在使用遙感圖像進行信息化教學時，教師應充分考慮到教學目標、課程標準、教材及學情等實際情況，從而對遙感圖像進行相應的處理和應用。以下以常用到的可見光-近紅外遙感圖像為例，介紹遙感圖像在中學地理信息化教學過程中將會使用到的圖像處理方法、遙感圖像的適用的教學內容。

1.充分利用遙感圖像目視判讀法，增強學生地理空間思維

遙感圖像可以在整體上直觀把握地理事物的空間分布規律和區域特征，通過目視判讀方法可以讓學生很直觀地發現這種規律和特點。在使用目視判讀法時，教師應依據中學生的認知特點、課標要求和遙感圖像特征，聯系該區域的自然和人文特征，通過一定的引導，激發學生參與到遙感圖像目視判別中來，從而達到發現地物類型及空間分布規律和特征。在遙感圖像上，不同的地物有不同的電磁波輻射特征，這些圖像特征是判讀識別各種地物的依據，這些特征稱為判讀或解譯標志。在進行目視判讀之前，我們需要了解不同地物在遙感圖像上解譯標志。我們經常會使用到的目視解譯標志包括遙感圖像的色調、陰影、形狀、大小、位置、紋理、空間布局等信息。在進行遙感圖像判讀時，教師需要注意充分引導學生運用多種信息進行綜合分析、采用多手段和多方法相結合的方法對地物進行判別和分析。遙感圖像目視判讀法主要應用于地物類型判別與分析、地理對象空間分布規律、空間分布特征等定性分析，讓學生了解某種特征的地理事物在遙感圖像上分布的特點，如泥石流、滑坡、地震等自然地質災害及其受災程度等，城市和農村在遙感圖像上的分布特征，自然河流水系空間分布特征等。

2.巧妙采用遙感圖像增強處理方法，增強遙感圖像顯示效果

在使用遙感圖像進行地理教學展示時，為了增強學生興趣、突出教學內容以及地物目標信息，我們需要對遙感圖像進行適當圖像增強處理，用以增強圖像顯示效果。遙感圖像增強處理主要包括彩色增強處理、空間域增強處理，以及為了達到某些特征要求而實施的圖像數學變換等，其主要目的是突出遙感圖像某些地物的特征信息，便于我們更好地進行地理事物的識別和判斷。鑒于中學地理課程教學內容，可采用的遙感圖像增強處理方法有真彩色、假彩色合成方法、圖像對比度拉伸方法等。根據彩色合成的原理，當輸入圖像的紅光、綠光、藍光波段分別輸入到RGB色彩空間紅、綠、藍三個通道時，圖像便再現地物的彩色原型，即為真彩色合成，而其他彩色合成方式均稱為假彩色合成。對于遙感衛星影像而言，由于電磁波在大氣層中傳輸時受到大氣瑞利散射效應的影響，衛星傳感器幾乎無法接收來自地物反射的藍光信息，因而衛星影像幾乎無法重現真彩色模型。因此，對衛星遙感圖像，我們可以采用彼此相關性較小的波段進行假彩色合成，以達到突出目標地物的特征信息的目的。圖像對比度拉伸主要是通過改變數字圖像灰度級分布，擴大圖像顯示的動態范圍，從而突出地物間的差別。常用到的圖像對比度拉伸方法有線性增強法、非線性增強法、直方圖均衡化和直方圖匹配等[1]。

3.合理利用動態變化監測技術，掌握地物空間變化驅動因素

動態變化監測技術一般采用多時相、多傳感器的遙感圖像對同一地區的地理對象進行監測和比較分析，以獲取該區域某些地理現象的變化趨勢和特點，特別地，還能促進學生對地物變化驅動因素進行探索性思考。在中學地理課堂中，利用遙感動態變化監測技術獲取某種地物類型或地理現象在不同時間段變化信息的數量和位置關系是主要應用場景，通過具體案例分析，讓學生直觀地感受動態的地理過程和遙感技術的優越性，如人教版必修3教材第一章《地理環境與區域發展》中，教材中的圖片顯示了1998年長江流域發生洪災前后，洞庭湖及荊江地區被洪水淹沒地區的分布和范圍。針對一些社會熱點事件，也可以通過采用遙感動態變化監測技術，讓學生了解遙感在區域自然災害方面的應用，如5.12汶川大地震、2006年無錫太湖藍藻大爆發事件等。總之，遙感動態變化監測技術可以廣泛應用于自然環境變化、土地利用類型轉化、城市空間結構變化、環境污染、自然災害監測等方面的教學。動態變化監測常用的方法包括圖像差值法、圖像比值法、植被指數法、圖像分類后比較法等。需要注意的是，在使用圖像動態變化監測技術時，我們需要對不同時相的遙感圖像進行精確幾何配準，使它們具有統一的地理坐標系統。

4.創新使用遙感圖像三維虛擬技術，激發學生學習興趣

將遙感圖像作為基礎數據，利用地理信息三維可視化技術形成虛擬教學環境，可以幫助學生更加直觀地理解地理過程和現象，充分發揮遙感圖象在中學地理教育教學中應用的潛力和價值，最大程度地激發學生學習興趣。例如，對數字高程模型（DEM）進行三維可視化后，可以讓學生觀察到三維可視化環境下的地形地貌特征，啟發學生發現這種新的展示形式與傳統等高線之間的差別，從而幫助學生更好地理解等高線模型及不同地形地貌的特點；通過DEM與遙感圖像疊加顯示，可以讓學生更加直觀地從宏觀角度觀察崩塌、滑坡、泥石流、水土流失等自然災害現象，引導學生深刻理解引發這些災害所需要的坡度、地表覆蓋物等條件。一般地，針對復雜地理過程和現象以及與DEM相關的地理教學主題時，我們均可以考慮采用遙感圖像三維可視化技術。在進行遙感圖像三維可視時，一般需要先選定符合要求的較高空間分辨率的主題衛星影像，通過正射校正、圖像增強處理等預處理后，借助一些地理信息系統（GIS）專業軟件對遙感圖像進行三維虛擬可視化顯示，如經常可以使用的GIS軟件有ArcGIS、MapGIS等。

中學地理課程內容包括自然地理、區域地理和專題地理等眾多教學內容，而遙感技術可以從宏觀角度更加全面的觀察到這些地理過程和現象。在地理教學過程中恰當地運用遙感技術和遙感圖像，可以更好地展示課堂教學內容，減輕教師負擔，激發學生獨立思考和創新意識，讓學生從宏觀角度理解感受和體驗地理知識，更好地培養學生科學精神和創新思維能力。