地理學(xué)專(zhuān)業(yè)“遙感概論”課程教學(xué)改革研究

張其兵

(湖南文理學(xué)院資源環(huán)境與旅游學(xué)院，湖南 常德 415000)

地理學(xué)專(zhuān)業(yè)“遙感概論”課程教學(xué)改革研究

張其兵

(湖南文理學(xué)院資源環(huán)境與旅游學(xué)院，湖南 常德 415000)

論述了如何讓學(xué)生參與教師的科研項(xiàng)目，提高學(xué)生對(duì)“遙感概論”基本知識(shí)和基本技能的掌握，提高學(xué)生3S技術(shù)的應(yīng)用能力，培養(yǎng)復(fù)合型應(yīng)用型人才，促進(jìn)學(xué)生就業(yè)和科研能力，為學(xué)生的進(jìn)一步發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)。

科研項(xiàng)目；遙感概論；教學(xué)改革

Abstract: In this paper, we discuss that how to make students to take part in research projection of teachers, so as to improve the understanding to the principal knowledges and skills for the Introduction of Remote Sensing, also improve the application abilities of 3S technology, and cultivate compound and vocational talents, and lay a solid foundation for further development of students.

Keywords: Research projection; Introduction of remote sensing; Education reform

隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，地理學(xué)也迎來(lái)了大發(fā)展時(shí)期?！斑b感概論”是地理學(xué)專(zhuān)業(yè)的核心課程，如何讓學(xué)生掌握好該門(mén)課程的基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能，是迫切需要解決的問(wèn)題。結(jié)合本人的科研與教學(xué)工作，讓學(xué)生參與教師的科研工作，以科研促進(jìn)教學(xué)，以教學(xué)帶動(dòng)科研，形成良性互動(dòng)。

1 結(jié)合具體的科研項(xiàng)目，增強(qiáng)學(xué)生的遙感基礎(chǔ)知識(shí)

本人從事冰川研究，結(jié)合自己的科研課題，首先告知學(xué)生冰川面積遙感監(jiān)測(cè)原理和方法。冰川表面是由雪、粒雪(firn)、冰、水和雜質(zhì) (巖石、碎石、塵土和污染物)組成，這些物質(zhì)決定了冰川表面的光學(xué)特性。在消融季的末期，不考慮液態(tài)水、冰磧覆蓋物和污染物，冰川表面是由雪和冰組成的。冰川冰是由雪演化而來(lái)的，冰川表面的光學(xué)特性與雪類(lèi)似。傳感器波段可以分為三類(lèi)：可見(jiàn)光(0.4～0.7 μm，藍(lán)，綠，紅波段)與近紅外波段(0.7～1.4 μm，VNIR，Visible and Near InfraRed)，短波紅外波段(1.4～3 μm，SWIR，Short Wave InfraRed)，熱紅外波段(8～15 μm，TIR，Thermal InfraRed)。這些波段的位置都處于大氣窗口中，所以不同傳感器的波段范圍都是類(lèi)似的。雪的光譜特征經(jīng)過(guò)野外調(diào)查和數(shù)值模擬[1]，在電磁波的可見(jiàn)光部分有高的波譜反射率，反射率與污染物含量相關(guān)性大，與雪粒徑的相關(guān)性非常小。在近紅外波段波譜反射率下降，在中紅外或者短波紅外波段，反射率很小，這三個(gè)波段的反射率與污染物含量相關(guān)性小，與雪粒徑的相關(guān)性大。在藍(lán)波段或者綠波段，由于波長(zhǎng)短，大氣的瑞利散射與米氏散射強(qiáng)，利用這兩個(gè)波段能輔助地區(qū)分陰影部分的冰川。在近紅外波段，冰川的反射率比藍(lán)、綠和紅波段明顯降低，水體對(duì)該波段有非常強(qiáng)的吸收性，然而植被有很高的反射率。綠波段聯(lián)合近紅外波段的歸一化水體指數(shù)(NDWI，Normalized Difference Water Index)可用于水體的區(qū)分，紅波段聯(lián)合近紅外波段的歸一化植被指數(shù)(NDVI，Normalized Difference Vegetation Index)可用于區(qū)分植被，這兩種指數(shù)可以用來(lái)排除冰川誤分類(lèi)中的水體和植被。在短波紅外波段，冰川對(duì)它有強(qiáng)吸收性，純凈的水體幾乎吸收了所有的輻射，云在這個(gè)波段有相對(duì)高的反射率。因此，短波紅外波段可以用來(lái)區(qū)分云及冰川區(qū)與非冰川區(qū)。在熱紅外波段，薄的冰磧覆蓋物由于底層冰的冷化作用，溫度較低，可以輔助識(shí)別冰磧覆蓋下的冰川。通過(guò)這部分內(nèi)容的案例教學(xué)，讓學(xué)生加深理解了遙感電磁輻射基礎(chǔ)知識(shí)中地球大氣及其對(duì)太陽(yáng)輻射的影響，尤其是大氣窗口的概念。結(jié)合冰川表面各部分對(duì)太陽(yáng)光譜反射率的不同，讓學(xué)生對(duì)地面物體反射光譜知識(shí)有更深的掌握。

在科研案例教學(xué)中，冰川遙感影像的選取要考慮空間分辨率、影像覆蓋范圍、波段數(shù)目和位置(波譜分辨率)以及影像費(fèi)用?？臻g分辨率需要在30 m及以下，波段需要綠、紅、近紅外和短波紅外波段。全色波段的空間分辨率相對(duì)較高，但是只能用于手工繪制冰川區(qū)，用其區(qū)別雪和云非常困難，此波段傳感器在雪上易出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。然而全色波段的高空間分辨率可以與多光譜影像進(jìn)行融合，從而提高了空間分辨率和光譜分辨率。自動(dòng)提取冰川和區(qū)分云需要中紅外或者短波紅外波段。

通過(guò)以上具體科研案例教學(xué)，讓學(xué)生對(duì)傳感器的性能如空間分辨率、光譜分辨率和時(shí)間分辨率的概念有更具體的體會(huì)，學(xué)生會(huì)主動(dòng)去了解陸地衛(wèi)星Landsat及ASTER的傳感器和數(shù)據(jù)參數(shù)，Landsat系列衛(wèi)星和ASTER衛(wèi)星的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，衛(wèi)星各波段數(shù)據(jù)的波長(zhǎng)設(shè)置和應(yīng)用領(lǐng)域，提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2 結(jié)合具體的科研項(xiàng)目，增強(qiáng)學(xué)生解決問(wèn)題的實(shí)踐能力

結(jié)合先前的科研項(xiàng)目理論知識(shí)，給學(xué)生分配具體的科研任務(wù)，叫學(xué)生下載Landsat和ASTER遙感影像圖，進(jìn)行冰川面積的提取，冰川面積變化的計(jì)算，并分析地形參數(shù)與冰川面積的相互關(guān)系。首先讓學(xué)生了解處理遙感影像的操作程序。遙感影像首先轉(zhuǎn)化成輻亮度(radiance)，然后轉(zhuǎn)化成表觀反射率(RTOA，Reflectance of Top of Atmosphere)，可以用來(lái)提高雪和冰的區(qū)分度，同時(shí)采用黑目標(biāo)減去法(DOS，Dark Object Subtraction)進(jìn)行大氣校正，然后進(jìn)行影像之間的配準(zhǔn)。因?yàn)檠芯繀^(qū)復(fù)雜的地形，在遙感影像上產(chǎn)生了強(qiáng)烈的陰影，因而用NDSI=(band 2 - band 5)/(band 2 + band 5)來(lái)提取冰川的邊界較理想[2]。閾值先粗略地通過(guò)直方圖來(lái)決定，然后在一個(gè)區(qū)間內(nèi)，每增加0.01，檢查哪一個(gè)值得到的冰川邊界與假彩色合成影像圖目視解譯最吻合，最后選定確定的值。影像中水體的提取是通過(guò)歸一化水體指數(shù)的方法得到，但是混濁的水體與陰影區(qū)域有同樣的光譜特征，因?yàn)樗w的坡度角(slope angle)小，可以運(yùn)用邏輯運(yùn)算NDWI和slope angle約束條件交集來(lái)提取水體，然后把所有水體從冰川形文件中減去。ETM+影像有15 m分辨率的全色波段，本波段能與30 m分辨率的可見(jiàn)光近紅外波段進(jìn)行融合，得到15 m分辨率的彩色影像，用來(lái)提高描繪冰磧覆蓋下的冰川的準(zhǔn)確性。

學(xué)生通過(guò)對(duì)遙感影像的處理操作，掌握了遙感圖像目視判讀的方法與步驟，掌握了對(duì)遙感圖像進(jìn)行輻射校正與幾何校正的技能，掌握了利用計(jì)算機(jī)對(duì)遙感圖像進(jìn)行分類(lèi)的技能。這些技能對(duì)學(xué)生以后從事科研或者社會(huì)工作都非常有益，這也是應(yīng)用型人才培養(yǎng)和大學(xué)轉(zhuǎn)型發(fā)展的體現(xiàn)。

讓學(xué)生分析地形參數(shù)與冰川面積的相互關(guān)系，首先需要得到每一條冰川邊界的形文件。借助Arcgis 10.1的水文分析工具(Hydrology)，用SRTM DEM提取每一條冰川所在的流域分界線(xiàn)，用集水流域，結(jié)合提取出的山脊線(xiàn)及陰影圖，手工修改流域分界線(xiàn)。單條冰川通過(guò)Arcgis 10.1中Analysis Tools/Overlay/Intersect工具對(duì)冰川形文件與冰川邊界形文件相交得到，用DEM和3D Analyst/Surface Analysis算出坡度和坡向，把單條冰川矢量文件轉(zhuǎn)成柵格文件，用區(qū)域統(tǒng)計(jì)方法(Spatial Analyst/zonal statistics)計(jì)算每一條冰川的地形參數(shù)(平均高程、平均坡度和平均坡向)。

學(xué)生通過(guò)這方面的實(shí)訓(xùn)操作，掌握了GIS技術(shù)與遙感技術(shù)的相互結(jié)合與綜合運(yùn)用。提高了學(xué)生3S技術(shù)的應(yīng)用能力。3S技術(shù)可以應(yīng)用在環(huán)境保護(hù)、城市規(guī)劃、農(nóng)業(yè)、水文與交通等等方面。通過(guò)學(xué)生參與教師科研項(xiàng)目，擴(kuò)大了學(xué)生的就業(yè)面。

因此，理論聯(lián)系實(shí)際，教研與科研相互結(jié)合，提高“遙感概論”課程教學(xué)效果，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)手能力，能運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題，從而培養(yǎng)應(yīng)用型人才，為學(xué)生就業(yè)或者進(jìn)一步進(jìn)行科研深造打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1] DOZIER J. Spectral signature of alpine snow cover from the Landsat Thematic Mapper[J]. Remote Sensing of Environment，1989，(28)：9-22.

[2] RACOVITEANU A E，ARNAUD Y，WILLIAMS M W，et al. Decadal changes in glacier parameters in the Cordillera Blanca, Peru, derived from remote sensing[J]. Journal of Glaciology，2008, 54(186)：499-510.

ResearchofeducationreformfortheIntroductionofRemoteSensinglearnedbygeographymajors

ZHANG Qi-bing

(College of Resource Environment and Tourism, Hunan University of Arts and Science, Changde 415000, China)

G642

A

1674-8646(2017)17-0162-02

2017-06-19

張其兵(1975-)，男，博士，講師。