土地管理學(xué)科的遙感課程教學(xué)改革

蘭澤英，劉 洋， 林嘉怡

（1.廣東工業(yè)大學(xué) 管理學(xué)院，廣東 廣州 510060；2.廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，廣東 廣州510060）

土地管理學(xué)科的遙感課程教學(xué)改革

蘭澤英1，劉 洋2， 林嘉怡1

（1.廣東工業(yè)大學(xué) 管理學(xué)院，廣東 廣州 510060；2.廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，廣東 廣州510060）

針對土地管理實踐，對遙感課程的教學(xué)改革進(jìn)行了一系列探索。首先分析土地管理學(xué)科中遙感課程的定位，提出了關(guān)聯(lián)課程設(shè)置方案。其次采用需求啟發(fā)的方式動態(tài)跟蹤市場變化，建立教學(xué)框架，并調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，同時輔以實驗信息反饋等教學(xué)手段，實現(xiàn)理論教學(xué)和實驗教學(xué)的交叉與融合。最后在課程設(shè)計中基于Matlab平臺培養(yǎng)學(xué)生的程序開發(fā)技能，從而為土地管理單位輸送更加優(yōu)秀的復(fù)合型技術(shù)人才。

遙感教學(xué)；土地管理學(xué)科；需求分析；任務(wù)驅(qū)動；Matlab

在土地資源管理工作中，遙感對地觀測方法憑借其覆蓋范圍廣、周期性強、信息豐富等優(yōu)勢，已為相關(guān)部門提供了大量實時有效的基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)[1-3]。許多高校已將遙感設(shè)置為土地資源管理專業(yè)的基礎(chǔ)課，但一些遙感教學(xué)的先進(jìn)經(jīng)驗和方法，如需求分析法、任務(wù)驅(qū)動法，Matlab輔助學(xué)習(xí)法等，在本專業(yè)雖有所提及卻沒有形成系統(tǒng)的研究[3-5]，導(dǎo)致學(xué)生對知識要點掌握不全面，在實際工作中缺乏自主創(chuàng)新能力。另一方面，隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，教學(xué)內(nèi)容也不斷發(fā)生變化，其數(shù)據(jù)類型、理論重點、處理流程和處理方法都已更新。因而，針對土地管理實踐進(jìn)行遙感課程教學(xué)改革，對于學(xué)科建設(shè)及人才培養(yǎng)都是必要而緊迫的。

1 土地管理學(xué)科的遙感課程教學(xué)改革需求分析

當(dāng)前，我國土地管理事業(yè)快速發(fā)展，對3S技術(shù)人才結(jié)構(gòu)及人才素養(yǎng)的需求也發(fā)生較大變化[6-7]：在各級土地勘測、土地開發(fā)整理儲備、土地規(guī)劃等事業(yè)單位，基于3S技術(shù)的應(yīng)用工程項目增多，需要大量的技術(shù)熟手和一定的高端技術(shù)管理人才，目前?？粕痛T博士因人力成本合理而較受青睞；高等院校對人才的學(xué)位要求較高，主要吸納博士畢業(yè)生就業(yè)；3S技術(shù)類公司近年來發(fā)展勢頭迅猛，人才需求量巨大，但隨著市場競爭激烈，各公司致力于提供特色服務(wù)或打造高端軟件產(chǎn)品（如MapGis、SuperMap等），因此要求雇員擁有多學(xué)科交叉的知識體系，同時具備3S技術(shù)集成應(yīng)用和創(chuàng)新的能力?？梢?，市場上較多地解決了?？粕痛T博士的就業(yè)，本科畢業(yè)生雖然具備豐富的學(xué)科知識背景，但動手能力弱，技術(shù)特色不突出，即使通過部門培訓(xùn)也很難培養(yǎng)創(chuàng)新和拓展能力，往往處于一種“高不成、低不就”的尷尬狀態(tài)。

實際上，大部分教師期望通過遙感實踐課程的開展，實現(xiàn)與具體工作的銜接[2-5]，但離“學(xué)以致用”的教學(xué)目標(biāo)仍有一定距離。首先，土地管理的專業(yè)課程眾多，因此安排的遙感實驗課時通常較少，也缺乏對口的實習(xí)基地建設(shè)；其次，相關(guān)科研成果的跟進(jìn)與融合較少，與實踐的關(guān)聯(lián)較弱；往往局限于對既有軟件的運用，缺乏對開發(fā)類軟件平臺的學(xué)習(xí)，導(dǎo)致技術(shù)手段單一、僵化，不符合學(xué)科關(guān)聯(lián)與學(xué)科創(chuàng)新的發(fā)展趨勢。應(yīng)該認(rèn)識到，嚴(yán)峻的就業(yè)形式對人才培養(yǎng)提出了更高要求，教學(xué)過程必須結(jié)合具體的應(yīng)用，從課程結(jié)構(gòu)、內(nèi)容體系、教學(xué)手段等方面進(jìn)行調(diào)整[8]，并通過學(xué)習(xí)一些軟件開發(fā)知識[9]，跟蹤最新的科研成果，從而發(fā)展學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力。

2 遙感課程的定位與關(guān)聯(lián)課程設(shè)置

在土地資源管理專業(yè)中，遙感是一門綜合性和技術(shù)性很強的課程，它與其他學(xué)科之間的交叉和聯(lián)系主要包括2個方面：首先，從技術(shù)層面分析，學(xué)習(xí)該課程要求具備數(shù)學(xué)、物理、計算機方面的基礎(chǔ)知識。同時，它與測量、制圖、信息科學(xué)等工具學(xué)科相互滲透和交融，在實際工作中共同發(fā)揮核心技術(shù)工具的作用。其次，在應(yīng)用層面上，經(jīng)濟管理類專業(yè)基礎(chǔ)理論學(xué)科為實踐操作提供背景知識，而專業(yè)應(yīng)用類學(xué)科為其提供了發(fā)展方向?？梢哉f，多層次豐富的學(xué)科知識促進(jìn)了遙感技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴張，它們之間互為支撐和依托，相輔相承。為適應(yīng)市場對實踐創(chuàng)新型遙感人才的需求，根據(jù)對該學(xué)科的關(guān)聯(lián)與定位分析，按表1所示的方案調(diào)整相關(guān)配套課程。

表1 土地管理專業(yè)中遙感相關(guān)課程的設(shè)置

3 需求引導(dǎo)下的教學(xué)實踐方案

3.1 啟發(fā)式教學(xué)框架設(shè)計

在課堂教學(xué)的首尾環(huán)節(jié)，分別增設(shè)需求分析與總結(jié)這兩項教學(xué)內(nèi)容，為教學(xué)框架的設(shè)計起到提綱契領(lǐng)的作用，使教學(xué)思路清晰、教學(xué)內(nèi)容系統(tǒng)。

①在初次課堂教學(xué)中，對土地遙感應(yīng)用的領(lǐng)域及成果作重點介紹，圍繞當(dāng)前的應(yīng)用熱點，選擇全國土地遙感二次調(diào)查、城市三維空間遙感調(diào)查、城市土地利用遙感監(jiān)測執(zhí)法、重點項目選址與規(guī)劃、汶川地震災(zāi)害遙感監(jiān)測與評價、鄱陽湖生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測等經(jīng)典案例，采用圖示對比的方法與學(xué)生分享遙感應(yīng)用經(jīng)驗和成果，并通過對案例中技術(shù)要點的提煉，讓學(xué)生了解該課程的實踐需求，對整體教學(xué)框架形成直觀的、系統(tǒng)的概念，即“提出問題”。 ②在具體的理論學(xué)習(xí)中引導(dǎo)學(xué)生自主思考：本堂課針對什么問題，學(xué)習(xí)什么內(nèi)容，怎么進(jìn)行學(xué)習(xí)，從而不斷地“回答問題”。③在理論教學(xué)完成后，安排專門的課時對知識點進(jìn)行串講，逐一總結(jié)這些技術(shù)要點，并指出目前存在的問題及未來的發(fā)展方向，從而讓整個教學(xué)體系更加全面，教學(xué)過程更有針對性，形成“前后呼應(yīng)”的模式。具體如表2所示。

表2 需求啟發(fā)下的遙感課程教學(xué)方案設(shè)計

3.2 反饋式理論知識學(xué)習(xí)

遙感數(shù)字圖像處理涉及到眾多模型和算法，為在短期內(nèi)系統(tǒng)地掌握這些知識，需交叉利用課堂教學(xué)與實驗教學(xué)進(jìn)行強化訓(xùn)練。當(dāng)完成關(guān)鍵技術(shù)理論的課堂教學(xué)后，穿插對應(yīng)的實驗課教學(xué)分別有6次：圖像校正原理與方法、圖像增強技術(shù)、遙感影像目視解譯、最大似然法分類、圖像變化檢測。在實驗課中，選擇功能齊備、與GIS兼容性強的Erdas軟件作為平臺，并采用SPOT5、QuickBird、IKNOIS等高空間分辨率影像作為實驗數(shù)據(jù)，演示在既有軟件中如何實現(xiàn)課堂中所講授的理論方法。同時，指導(dǎo)學(xué)生完成課后模擬實驗，并將結(jié)果及時反饋給教師，既是對學(xué)生的考核，也為下一輪教學(xué)提供了經(jīng)驗和素材。

經(jīng)實踐，學(xué)生的實驗效率不斷提高，反饋信息也逐步細(xì)化，這種理論知識和實驗內(nèi)容相互交叉、反饋式學(xué)習(xí)的方法具有及時強化的效果，同時也鍛煉了軟件操作技能。

3.3 基于Matlab的任務(wù)驅(qū)動式遙感課程設(shè)計

3.3.1 課程設(shè)置目的及實現(xiàn)模式

“遙感課程實習(xí)與設(shè)計”是對實驗課的延伸與補充，它引導(dǎo)學(xué)生參與具體的實習(xí)項目，并培養(yǎng)基于Matlab的算法開發(fā)技能。為保證實習(xí)案例動態(tài)更新，可以選用2種培訓(xùn)模式：一是與相關(guān)生產(chǎn)科研單位進(jìn)行聯(lián)合培養(yǎng)，建立長期的實習(xí)基地。本校土地資源管理專業(yè)與諸多單位有密切合作，如廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院、廣東省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院、廣東省土地勘測規(guī)劃院、廣州市國土資源和房屋管理局等單位。學(xué)生在實習(xí)單位見習(xí)項目的一般流程，并做相應(yīng)的輔助工作，總結(jié)其中的關(guān)鍵點和難點問題，再通過小組協(xié)作的方式選擇其中一些任務(wù)進(jìn)行軟件開發(fā)訓(xùn)練，最后完成實習(xí)報告。二是參與教師的相關(guān)科研項目，學(xué)習(xí)利用豐富的圖書館資源查找文獻(xiàn)，進(jìn)行綜述，再根據(jù)完成情況讓學(xué)生參與到部分項目設(shè)計與開發(fā)環(huán)節(jié)中來，通過實習(xí)任務(wù)引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識到技術(shù)研究中的新問題，真正培養(yǎng)學(xué)生的技術(shù)創(chuàng)新思維能力。

根據(jù)經(jīng)驗，我們已經(jīng)總結(jié)出一些遙感圖像處理的流水線工作任務(wù)，當(dāng)前涉及到的技術(shù)難點主要是影像特征提取、解譯、變化檢測、集成計算等。為此，我們選擇Matlab軟件進(jìn)行開發(fā)技能的培訓(xùn)，讓學(xué)生可以利用本專業(yè)多種信息技術(shù)集成的優(yōu)勢，取得良好的圖像處理效果。

3.3.2 Matlab軟件開發(fā)平臺的學(xué)習(xí)與實踐

Matlab是世界頂級的科學(xué)計算軟件，它采用面向?qū)ο蟮拈_發(fā)語言和面向任務(wù)的開發(fā)思想，為圖像處理用戶提供一個編寫簡單、計算快捷、兼容性好的開發(fā)環(huán)境，幾乎所有的圖像處理經(jīng)典算法及近期權(quán)威的研究成果都收集到了其工具箱（ImageProcessing Toolbox）中。該軟件的學(xué)習(xí)應(yīng)從以下幾個要點展開：①掌握基本的圖像處理函數(shù)，包括圖像顯示、圖像算術(shù)運算、幾何變換、圖像增強、線性濾波、色彩空間變換、鄰域與塊處理、空間濾波、形態(tài)學(xué)運算等。② 在擴展的Matlab工具箱中，學(xué)習(xí)與影像解譯相關(guān)的經(jīng)典算法，包括紋理特征提取、主成分分析、相關(guān)性分析、聚類分析、最大似然法分類、最小距離法分類、誤差矩陣分析等。在熟練調(diào)用的基礎(chǔ)上，理解其運算原理。同時，根據(jù)具體的實習(xí)任務(wù)需求，有針對性地研究某類算法，包括對設(shè)計思路、參數(shù)選擇、編程技巧等進(jìn)行深入學(xué)習(xí)與分析。③為促進(jìn)學(xué)科交叉融合，注重與GIS數(shù)據(jù)分析平臺的交互，實現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新與突破。主要講授Matlab與ArcGIS軟件的自動化集成運算方法，即采用ArcGIS平臺中集成的VBA作為控制器來啟動和控制Matlab，而Matlab作為ActiveX的自動化服務(wù)器，接收通過引擎?zhèn)鱽淼臄?shù)據(jù)和指定信息進(jìn)行計算，完成鏈接擴展。既利用了ArcGIS既有的強大的矢柵數(shù)據(jù)分析功能，也利用Matlab承擔(dān)了大部分與矩陣計算有關(guān)的任務(wù)，有利于融合GIS領(lǐng)域知識，實現(xiàn)快速自動化、智能化的圖像處理任務(wù)。④在指導(dǎo)學(xué)生編寫具體算法時，充分利用Matlab自帶的矩陣運算函數(shù)，避免循環(huán)語句的大量使用，從而為處理大數(shù)據(jù)量的影像打下良好基礎(chǔ)。筆者曾做過一個實驗，在實現(xiàn)最小距離分類算法時，先使用二層循環(huán)語句for … end計算特征之間的距離，再調(diào)用既有函數(shù)repmat（A，N）在第N維空間重復(fù)矩陣A從而替代循環(huán)語句完成計算，僅針對1 000×1 000的二維矩陣，后者的效率就提高了8倍之多?？梢?， Matlab算術(shù)技巧將為我們節(jié)省大量運算時間。類似的代表性函數(shù)包括：cat（dim,A,B），將矩陣A、B在第dim維聯(lián)結(jié)起來；permute（A,order），將矩陣A按設(shè)定order次序排序；reshape（A,[m,n]），將矩陣A按m×n維大小重新排列；sort（A,dim），將矩陣A按第dim維數(shù)值進(jìn)行排序；max（A,[],dim），返回矩陣A在第dim維的最大值；min（A,[],dim），返回矩陣A在第dim維的最小值；mean（A,[],dim），返回矩陣A在第dim維的平均值。

4 結(jié) 語

在土地管理專業(yè)的遙感課程教學(xué)中，探討了關(guān)聯(lián)課程的設(shè)置方案，采用需求引導(dǎo)法調(diào)整教學(xué)框架和內(nèi)容；對傳統(tǒng)教學(xué)模式進(jìn)行改進(jìn)，通過課堂教學(xué)與實驗教學(xué)相互交叉、反饋的方法進(jìn)行強化訓(xùn)練，深化對理論知識的掌握；采用科研課題驅(qū)動或與單位聯(lián)合培養(yǎng)的模式，指導(dǎo)學(xué)生參與具體的實習(xí)項目，并基于Matlab平臺學(xué)習(xí)經(jīng)典的圖像處理函數(shù)，使學(xué)生能具備一定的程序開發(fā)素養(yǎng)和技術(shù)創(chuàng)新能力。

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P237.9

B

1672-4623（2016）02-0099-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.02.033

蘭澤英，博士，主要研究方向為土地遙感影像解譯和3S技術(shù)集成應(yīng)用。

2015-01-21。

項目來源：國家自然科學(xué)基金資助項目（41301377）。