ENVI軟件開(kāi)發(fā)競(jìng)賽促進(jìn)遙感專業(yè)教學(xué)的實(shí)例研究

王乾龍 張英

【摘要】：遙感技術(shù)目前在我國(guó)農(nóng)林漁業(yè)等諸多領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛且深入，因此許多高校的非遙感專業(yè)也紛紛開(kāi)設(shè)遙感課程。通過(guò)多年遙感教學(xué)實(shí)踐探索，對(duì)無(wú)測(cè)繪學(xué)科背景的非遙感專業(yè)本科生，如何有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)遙感的積極性和掌握專業(yè)術(shù)語(yǔ)的理解力，是本教學(xué)改革研究的關(guān)鍵內(nèi)容。本文以西藏大學(xué)15級(jí)地理科學(xué)班和西藏農(nóng)牧學(xué)院15級(jí)自然地理與資源環(huán)境班為例，分析當(dāng)前遙感教學(xué)中存在的共性問(wèn)題，提出適合于非遙感專業(yè)本科生的教學(xué)改革措施并在兩所大學(xué)進(jìn)行實(shí)踐，有效提高遙感教學(xué)質(zhì)量。

【關(guān)鍵詞】：遙感 教學(xué) 改革 ENVI

遙感技術(shù)作為地理空間信息科學(xué)的核心技術(shù)，其在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、漁業(yè)、國(guó)土資源、城鄉(xiāng)建設(shè)以及測(cè)繪等方面都得到了廣泛的應(yīng)用。近幾年其社會(huì)實(shí)用價(jià)值和學(xué)術(shù)價(jià)值因遙感技術(shù)的成熟快速發(fā)展得以顯著提升，并展示出廣闊的應(yīng)用前景，許多領(lǐng)域急需遙感專業(yè)性人才來(lái)推動(dòng)遙感技術(shù)的應(yīng)用。目前我國(guó)已有一百多所高校順應(yīng)社會(huì)潮流紛紛開(kāi)設(shè)遙感專業(yè)課程。但與傳統(tǒng)地理學(xué)專業(yè)不同的是，按照教育部發(fā)布的《普通高等學(xué)校本科專業(yè)目錄（2012）》，遙感科學(xué)與技術(shù)專業(yè)屬于工學(xué)測(cè)繪類。一些高校在開(kāi)設(shè)遙感課程時(shí)，因本科生相關(guān)專業(yè)方向偏向人文地理學(xué)、地理師范等非測(cè)繪類學(xué)科，并未考慮到測(cè)繪工程、大地測(cè)量學(xué)等相關(guān)專業(yè)課程的同步開(kāi)設(shè)，導(dǎo)致學(xué)生在無(wú)測(cè)繪背景知識(shí)的前提下學(xué)習(xí)遙感課程，專業(yè)術(shù)語(yǔ)理解費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不知道教師課堂所云，知識(shí)點(diǎn)理解片面化，很難形成屬于自己的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)體系。而與遙感應(yīng)用相關(guān)的課程范圍較廣，涉及面也較大，面面俱到顯然不現(xiàn)實(shí)。本文根據(jù)上述情況，結(jié)合筆者近幾年對(duì)非測(cè)繪遙感專業(yè)本科生的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)及改革方案的實(shí)施情況，以西藏大學(xué)15級(jí)地理師范班41位本科生和西藏農(nóng)牧學(xué)院15級(jí)自然地理與資源環(huán)境班32位本科生為例，論述ENVI遙感軟件開(kāi)發(fā)競(jìng)賽及實(shí)例操作應(yīng)用對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)遙感課程的促進(jìn)作用。

1、非遙感專業(yè)本科生遙感教學(xué)中存在的共性問(wèn)題

1.1 學(xué)生對(duì)遙感課本中許多名詞感到陌生，無(wú)法理解

從不同班級(jí)多次遙感教學(xué)情況來(lái)看，學(xué)生相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)匱乏是理解遙感課本中專業(yè)名詞困難、無(wú)法在頭腦中形成具體可感知的形象的重要原因之一。學(xué)生往往表現(xiàn)出對(duì)概念的理解感到抽象模糊，知識(shí)斷層不連貫，知識(shí)點(diǎn)支離破碎無(wú)法整合在一起，繼而造成學(xué)生課堂聽(tīng)講效率低下，課下更不愿意主動(dòng)學(xué)習(xí)的惡性循環(huán)情況的發(fā)生。

遙感課程涉及到的學(xué)科廣泛，內(nèi)容交叉。相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)主要有測(cè)繪工程中的地理投影基本原理、地面控制點(diǎn)等基本知識(shí)，物理學(xué)中的電磁學(xué)部分內(nèi)容，天文學(xué)中衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌道等內(nèi)容，高等數(shù)學(xué)中數(shù)理統(tǒng)計(jì)、卷積運(yùn)算計(jì)算機(jī)科學(xué)中的圖像識(shí)別、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式等方面。因此，學(xué)生背景知識(shí)的匱乏造成其想理解透徹所學(xué)內(nèi)容并非易事，往往知其然而不知其所以然。如電磁波譜的概念，在遙感課程中不僅要求對(duì)電磁學(xué)有所掌握，而且還要理解不同波長(zhǎng)電磁波在遙感探測(cè)應(yīng)用中的不同作用，這與波譜中不同波長(zhǎng)的波段功能密切相關(guān)，又能進(jìn)一步關(guān)聯(lián)到像元亮度值、大氣窗口等概念。學(xué)生不理解電磁波譜是什么，就無(wú)法對(duì)遙感知識(shí)進(jìn)行前后關(guān)聯(lián)，所學(xué)也就一盤散沙，僅僅知道有這么一個(gè)名詞而已。

1.2 課堂缺乏遙感教學(xué)主線，僅按照課本章節(jié)進(jìn)度教學(xué)

教師按照自己的教學(xué)進(jìn)度有條不紊的進(jìn)行遙感每一章節(jié)的依次教學(xué)，本身并沒(méi)有問(wèn)題。問(wèn)題在于學(xué)生每一章節(jié)都有很多難以理解消化的知識(shí)點(diǎn)，并且對(duì)前后內(nèi)容無(wú)法關(guān)聯(lián)理解，知識(shí)點(diǎn)破碎無(wú)法整合。因此學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中并不知遙感的具體應(yīng)用價(jià)值是什么，有種“不識(shí)廬山真面目，只緣身在此山中”的感覺(jué)。

教學(xué)主線的缺失導(dǎo)致課堂教學(xué)內(nèi)容形而上，并非一種有機(jī)統(tǒng)一的整體。學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中非常想知道這一章節(jié)在某些遙感具體應(yīng)用中有什么用，為什么要學(xué)習(xí)這個(gè)知識(shí)點(diǎn)。如果教師能夠抓住遙感在社會(huì)生產(chǎn)某領(lǐng)域中具體應(yīng)用這一主線，在每節(jié)課中首先詳細(xì)介紹這節(jié)課知識(shí)點(diǎn)在遙感應(yīng)用中具體發(fā)揮什么作用，學(xué)生能夠?qū)b感知識(shí)結(jié)構(gòu)提前思路清晰，就能積極調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，從而帶動(dòng)遙感教學(xué)的連貫性，讓學(xué)生清清楚楚認(rèn)識(shí)到自己今天所學(xué)的內(nèi)容在遙感實(shí)際應(yīng)用中能夠發(fā)揮怎樣的價(jià)值。

2、遙感教學(xué)改革措施：

2.1ENVI遙感軟件實(shí)例操作促進(jìn)遙感理論學(xué)習(xí)

遙感教材中的許多專業(yè)術(shù)語(yǔ)如果僅僅靠教師逐步解釋、學(xué)生識(shí)記的方式，是很難做到連貫學(xué)習(xí)、網(wǎng)絡(luò)化遙感專業(yè)知識(shí)。因?yàn)閷W(xué)生對(duì)專業(yè)術(shù)語(yǔ)難以有直觀的、可視化的感知和理解，造成學(xué)習(xí)的知識(shí)具有離散性、碎片性、易遺忘等特點(diǎn)。因此，必須有能夠縱觀遙感教材內(nèi)容并且可以實(shí)踐操作的具象事物，如利用遙感影像對(duì)森林火災(zāi)面積提取和火災(zāi)等級(jí)分析，通過(guò)這個(gè)具體可感知的操作來(lái)使學(xué)生明白整體操作過(guò)程中所涉及到遙感課本中哪些章節(jié)哪些知識(shí)點(diǎn)，加深學(xué)生的直觀印象，提高學(xué)生學(xué)習(xí)遙感的學(xué)科興趣。

實(shí)例操作必然依靠功能強(qiáng)大的遙感軟件來(lái)實(shí)施完成。ENVI（The Environment for Visualizing Images）是由遙感領(lǐng)域的科學(xué)家采用交互式數(shù)據(jù)語(yǔ)言IDL（Interactive Data Language）開(kāi)發(fā)的一套功能強(qiáng)大的遙感圖像處理軟件。以利用遙感影像對(duì)森林火災(zāi)面積提取和火災(zāi)等級(jí)分析實(shí)例操作促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)遙感專業(yè)知識(shí)為例。首先要讓學(xué)生明白如何下載遙感影像數(shù)據(jù)，下載到的不同衛(wèi)星不同波段類型的遙感影像數(shù)據(jù)有什么區(qū)別，利用ENVI軟件進(jìn)行遙感影像文件的衛(wèi)星信息、存儲(chǔ)格式等信息讀取。這就涉及到了遙感教材中遙感的特點(diǎn)、大氣窗口、不同遙感衛(wèi)星的特點(diǎn)、遙感影像存儲(chǔ)方式等知識(shí)點(diǎn)。其次對(duì)遙感影像進(jìn)行裁剪、幾何輻射校正等操作。對(duì)應(yīng)于遙感教材中幾何校正、輻射校正等知識(shí)點(diǎn)，可以讓學(xué)生一目了然為何要進(jìn)行幾何輻射校正，校正前后兩幅遙感影像的差異可視化展現(xiàn)在學(xué)生面前，讓學(xué)生對(duì)遙感教材中的章節(jié)知識(shí)點(diǎn)有了直觀感受。最后的遙感影像增強(qiáng)處理和火險(xiǎn)等級(jí)分析，涉及遙感教材中對(duì)比度和空間特征處理、歸一化植被指數(shù)、監(jiān)督非監(jiān)督分類、密度分割、圖像時(shí)間序列分析等內(nèi)容。完整實(shí)例操作演示，學(xué)生能夠整體把握遙感教材中的不同章節(jié)知識(shí)內(nèi)容，它們是統(tǒng)一的有機(jī)整體，絕不是分裂孤立存在于每頁(yè)中。

筆者認(rèn)為遙感教師教學(xué)過(guò)程中，尤其是對(duì)背景知識(shí)薄弱的非遙感專業(yè)學(xué)生教學(xué)，應(yīng)該主動(dòng)打破遙感教材中章節(jié)按部就班的編寫(xiě)模式，通過(guò)幾個(gè)實(shí)例分析的操作，邊操作邊與課本知識(shí)內(nèi)容對(duì)應(yīng)著介紹，能夠有效促進(jìn)學(xué)生理解陌生的專業(yè)術(shù)語(yǔ)，同時(shí)提高學(xué)生學(xué)習(xí)遙感知識(shí)的興趣，化抽象為具體，變文字為可視。同時(shí)每個(gè)章節(jié)內(nèi)容具體講解過(guò)程中，找到對(duì)應(yīng)的實(shí)例多次操作演示，學(xué)生動(dòng)手能力提高同時(shí)也真正學(xué)會(huì)了遙感知識(shí)。

2.2ENVI二次開(kāi)發(fā)的功能實(shí)現(xiàn)促進(jìn)遙感教學(xué)主線靈活多樣

操作ENVI軟件實(shí)現(xiàn)遙感經(jīng)典實(shí)例對(duì)促進(jìn)遙感教材基本內(nèi)容教學(xué)有顯著幫助，但對(duì)遙感知識(shí)的精通掌握以及靈活應(yīng)用還缺乏創(chuàng)新性。基于IDL語(yǔ)言的ENVI軟件二次開(kāi)發(fā)，能夠?qū)崿F(xiàn)許多自定義函數(shù)功能，從而完成一些ENVI菜單無(wú)法操作的、自定義的遙感分析實(shí)例。

筆者于2018年開(kāi)始指導(dǎo)15級(jí)地理科學(xué)班幾位感興趣的學(xué)生參加ESRI杯中國(guó)大學(xué)生ENVI軟件二次開(kāi)發(fā)競(jìng)賽，雖然第一年參賽沒(méi)有按時(shí)完成作品，但幾位學(xué)生在遙感專業(yè)上的思維能力都顯著提高，在探討問(wèn)題時(shí)能夠提出許多專業(yè)性強(qiáng)的、具有一定挑戰(zhàn)難度的問(wèn)題，并能夠主動(dòng)在課下查閱資料，自主尋找問(wèn)題答案。學(xué)生們結(jié)合身邊遇到的環(huán)境問(wèn)題，提出利用ENVI軟件二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)拉薩河水質(zhì)監(jiān)測(cè)反演，預(yù)期實(shí)現(xiàn)利用多時(shí)相遙感影像分析拉薩河水質(zhì)污染情況快速分析的功能，并能生成基于遙感影像的水體污染分類等級(jí)圖。

雖然一個(gè)班級(jí)只有少數(shù)學(xué)生最終參加ENVI二次開(kāi)發(fā)競(jìng)賽，但學(xué)生在班級(jí)中的學(xué)習(xí)氛圍影響力要高于教師短暫的課堂教學(xué)。學(xué)生們能夠帶動(dòng)周圍學(xué)生的遙感學(xué)習(xí)熱情，主動(dòng)幫助其他學(xué)生探索問(wèn)題的答案，使短暫的課堂熱度延伸到宿舍，延伸到學(xué)生自習(xí)時(shí)間。潛移默化中提高了遙感教學(xué)的覆蓋范圍和時(shí)間效率。

ENVI二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)具體功能，使得遙感教材里分散的原理和術(shù)語(yǔ)被學(xué)生們?cè)谛枰臅r(shí)候翻閱查找出來(lái)，直接轉(zhuǎn)化為實(shí)用的指導(dǎo)信息，同時(shí)還能不拘泥于一個(gè)教材，從圖書(shū)館、網(wǎng)絡(luò)中尋找相關(guān)信息。這樣靈活多樣的遙感學(xué)習(xí)方式讓學(xué)生自己發(fā)散思維，自主尋找答案，不僅印象深刻，而且能透徹應(yīng)用。

3. 結(jié)束語(yǔ)

為提高非遙感專業(yè)學(xué)生遙感教學(xué)質(zhì)量，結(jié)合近幾年給不同非遙感專業(yè)班級(jí)遙感教學(xué)過(guò)程中遇到的困難及共性問(wèn)題，以西藏大學(xué)15級(jí)地理科學(xué)班41位本科生和西藏農(nóng)牧學(xué)院15級(jí)自然地理與資源環(huán)境班32位本科生為教學(xué)改革研究對(duì)象，實(shí)施ENVI軟件實(shí)例操作指導(dǎo)遙感教材專業(yè)理論學(xué)習(xí)、參與ENVI二次開(kāi)發(fā)競(jìng)賽的教學(xué)改革方法，探討該方法在遙感教學(xué)中的實(shí)際效果。對(duì)兩所學(xué)校兩個(gè)班級(jí)共73位學(xué)生2018年7月遙感期末考試成績(jī)分析，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)學(xué)校的兩個(gè)班級(jí)學(xué)生成績(jī)都有明顯提高，尤其是對(duì)開(kāi)放性題目的作答，不完全拘泥于教材內(nèi)容，有學(xué)生自主思考的部分。

遙感教材僅作為參考，學(xué)習(xí)目的是為了解決實(shí)際問(wèn)題。通過(guò)教師和學(xué)生的應(yīng)用實(shí)踐，學(xué)習(xí)遙感成為學(xué)生們感興趣的事。同時(shí)要培養(yǎng)能夠?qū)⒗碚撆c實(shí)踐相結(jié)合、具有解決應(yīng)用領(lǐng)域?qū)嶋H問(wèn)題能力的人才，保證他們就業(yè)所需的基本技能[6]。遙感教學(xué)是一項(xiàng)涉及多門學(xué)科交叉，專業(yè)性極強(qiáng)，與地理信息系統(tǒng)和GPS衛(wèi)星定位等課程緊密結(jié)合的工作，如何針對(duì)不同學(xué)習(xí)能力的學(xué)生設(shè)計(jì)多元化、差異化教學(xué)模式，對(duì)培養(yǎng)遙感專業(yè)技術(shù)人才、滿足社會(huì)單位用人需求至關(guān)重要，也是今后教學(xué)過(guò)程中不斷探索和研究的內(nèi)容。

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基金項(xiàng)目：西藏大學(xué)2017年教學(xué)研究與改革項(xiàng)目（XZDXJXYJ201712）；2015年中西部高校綜合實(shí)力提升項(xiàng)目（遙感原理應(yīng)用課程提升）