《城市遙感》課程建設(shè)方案探討

羅暉

摘要：遙感技術(shù)已成為空間信息與數(shù)字技術(shù)專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的熱門研究方向，基于遙感技術(shù)的城市問(wèn)題研究受到廣泛關(guān)注，本文主要探討了空間信息與數(shù)字技術(shù)專業(yè)內(nèi)開設(shè)《城市遙感》課程的必要性及建設(shè)方案，主要強(qiáng)調(diào)理論教學(xué)與實(shí)踐訓(xùn)練相結(jié)合的培養(yǎng)模式。

關(guān)鍵詞：城市遙感；空間信息與數(shù)字技術(shù)；課程建設(shè)方案

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2019）23-0081-02

一、引言

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）計(jì)算機(jī)學(xué)院開設(shè)了空間信息與數(shù)字技術(shù)專業(yè)，于2016年9月起正式招生。2015年本專業(yè)入選湖北省普通高等學(xué)校戰(zhàn)略性新興（支柱）產(chǎn)業(yè)人才培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目，獲批教育部專業(yè)綜合改革試點(diǎn)項(xiàng)目。目前已經(jīng)有包括武漢大學(xué)、電子科技大學(xué)、上海海洋大學(xué)、重慶郵電大學(xué)、成都信息工程大學(xué)、廈門理工大學(xué)等多所院校開設(shè)了相關(guān)專業(yè)。中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）的空間信息與數(shù)字技術(shù)專業(yè)結(jié)合本校在地質(zhì)學(xué)、礦產(chǎn)資源能源、地理信息系統(tǒng)與測(cè)繪等地球科學(xué)研究領(lǐng)域的特色和優(yōu)勢(shì)，以培養(yǎng)掌握扎實(shí)的計(jì)算機(jī)技術(shù)和深厚的空間信息技術(shù)基礎(chǔ)，能夠在地質(zhì)調(diào)查、地礦勘查、環(huán)境監(jiān)測(cè)、城鄉(xiāng)建設(shè)規(guī)劃設(shè)計(jì)等地球科學(xué)行業(yè)或部門從事相關(guān)信息系統(tǒng)的管理、設(shè)計(jì)、開發(fā)和科學(xué)研究工作的高級(jí)人才為目標(biāo)。遙感技術(shù)作為一種重要的空間數(shù)據(jù)獲取方式，已經(jīng)應(yīng)用于陸地、海洋、大氣和太空，科學(xué)和工程等眾多領(lǐng)域。因此，為增加學(xué)生的綜合素質(zhì)與社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)力，眾多高校的空間信息與數(shù)字技術(shù)專業(yè)開設(shè)了遙感技術(shù)的相關(guān)課程。目前，世界有一半以上的人口居住在城市中，城市問(wèn)題是一個(gè)國(guó)家或地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)問(wèn)題的集中體現(xiàn)之一，所以城市問(wèn)題的相關(guān)研究受到學(xué)者的廣泛關(guān)注。其中，由于遙感技術(shù)具有短周期、大范圍、可重復(fù)觀測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，基于遙感技術(shù)的城市規(guī)劃、生態(tài)等問(wèn)題研究已成為研究熱點(diǎn)。因此，城市遙感方面的課程開設(shè)對(duì)空間信息與數(shù)字技術(shù)專業(yè)的本科生了解本學(xué)科科技前沿、增強(qiáng)就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力有著重要的實(shí)際作用。本文將主要探討空間信息與數(shù)字技術(shù)專業(yè)開設(shè)《城市遙感》課程的建設(shè)方案。

二、課程內(nèi)容

《城市遙感》的先行課為《遙感原理與應(yīng)用》等遙感類基礎(chǔ)課，以及高級(jí)編程語(yǔ)言、機(jī)器學(xué)習(xí)等計(jì)算機(jī)類課程。本門課程教材可參考文獻(xiàn)所示的教材。本文建議本課程可以安排以下教學(xué)內(nèi)容。

（一）城市遙感的基礎(chǔ)

本章主要介紹城市遙感技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)與基本概念，為后續(xù)課程內(nèi)容打下基礎(chǔ)。主要內(nèi)容有：遙感技術(shù)的物理基礎(chǔ)、遙感影像的獲取平臺(tái)與傳感器、城市遙感數(shù)據(jù)的一般特性、城市遙感影像的一般處理流程等。

（二）城市遙感影像解譯

由于城市地物的復(fù)雜性和特殊性，針對(duì)城市區(qū)域的遙感影像解譯已成為研究的熱點(diǎn)。城市遙感影像的解譯方法主要分為人工目視判別、人機(jī)交互半自動(dòng)解譯等方法。

本部分內(nèi)容可安排一次實(shí)習(xí)課程，讓學(xué)生們熟悉主流的遙感軟件，學(xué)習(xí)基本的遙感影像操作。例如，人工目視判別內(nèi)容的教學(xué)中以ENVI軟件為例，通過(guò)軟件進(jìn)行遙感影像打開、放大縮小、多影像連接、ROI區(qū)域選擇和導(dǎo)出等基本操作。

（三）城市遙感影像分類

分類是影像處理的重要步驟，本章將重點(diǎn)講解監(jiān)督分類、非監(jiān)督分類、半監(jiān)督分類為代表的經(jīng)典分類技術(shù)，重點(diǎn)講解三類影像分類在城市問(wèn)題研究中的常用算法以及目前各類別代表算法的發(fā)展趨勢(shì)。本部分內(nèi)容可安排2—3次實(shí)習(xí)課程，實(shí)習(xí)內(nèi)容分為兩部分，第一部分為通過(guò)使用遙感軟件進(jìn)行經(jīng)典分類算法實(shí)踐，讓學(xué)生們對(duì)分類過(guò)程與分類結(jié)果有一定的了解。例如，可選取支持向量機(jī)、最大似然法等經(jīng)典監(jiān)督分類方法針對(duì)城市區(qū)域的中、高分辨率遙感影像進(jìn)行分類處理。第二部分為選取經(jīng)典的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，通過(guò)高級(jí)語(yǔ)言編程的方式讓學(xué)生熟悉經(jīng)典的分類算法原理，并結(jié)合編程實(shí)踐讓學(xué)生對(duì)城市遙感影像分類有更加感性的認(rèn)識(shí)。后半部分實(shí)驗(yàn)課的開展可根據(jù)學(xué)生編程基礎(chǔ)適當(dāng)調(diào)整內(nèi)容，如發(fā)現(xiàn)學(xué)生的高級(jí)語(yǔ)言基礎(chǔ)較薄弱，可進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并為學(xué)生講解一個(gè)經(jīng)典算法的完整代碼示例。

（四）城市影像的變化檢測(cè)

我國(guó)目前城鎮(zhèn)建設(shè)進(jìn)程迅速、城市人工目標(biāo)變化劇烈，基于遙感數(shù)據(jù)的變化檢測(cè)方法應(yīng)用廣泛，在城市遙感問(wèn)題領(lǐng)域具有重要的地位。本章內(nèi)容主要闡述城市人工地物變化檢測(cè)的經(jīng)典方法（分類比較法、像素級(jí)變化檢測(cè)、特征級(jí)變化檢測(cè)）與基本流程。城市變化信息是城市規(guī)劃部門決策的重要參考數(shù)據(jù)之一，因此本部分課程內(nèi)容建議講授一類或幾類典型地物的城市規(guī)劃違法建設(shè)監(jiān)測(cè)案例，讓學(xué)生了解城市影像的變化檢測(cè)的應(yīng)用方向和具體內(nèi)容。例如，城市違規(guī)填湖監(jiān)測(cè)、城市違章建筑監(jiān)測(cè)等。用于城市違章建筑監(jiān)測(cè)的遙感影像多為高分辨遙感影像，在實(shí)際監(jiān)測(cè)中還常常使用GIS矢量數(shù)據(jù)、無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)，最終監(jiān)測(cè)結(jié)果可加載在城市地理信息公共平臺(tái)中，供用戶查詢。本部分內(nèi)容可安排一次實(shí)習(xí)課程，在前期課程的基礎(chǔ)上，選取代表性的變化檢測(cè)算法，如分類比較法，讓學(xué)生更加熟悉城市遙感影像的處理原理和編程方案。

（五）基于遙感影像的城市基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)更新

城市基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)更新是城市遙感的重要應(yīng)用類型，本部分內(nèi)容將結(jié)合一個(gè)應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行遙感影像的城市基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)生產(chǎn)和更新流程的教學(xué)。教師可在本部分內(nèi)容教學(xué)完畢后，給學(xué)生布置一次調(diào)研任務(wù)，任務(wù)題目自選，但需以城市基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)更新為主題。

（六）城市目標(biāo)的三維重建

基于遙感數(shù)據(jù)的城市目標(biāo)三維重建是城市遙感領(lǐng)域內(nèi)的重要方向之一?？蓮牟煌瑪?shù)據(jù)源的重建技術(shù)方面進(jìn)行分類介紹，如航片、衛(wèi)星影像、激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。由于城市目標(biāo)提取與三維重建過(guò)程中可能會(huì)涉及多源遙感數(shù)據(jù)，本部分可講授部分多源遙感數(shù)據(jù)融合和協(xié)同提取的原理，介紹多源遙感數(shù)據(jù)融合的經(jīng)典算法。通過(guò)本部分內(nèi)容的教學(xué)，使學(xué)生了解更多不同形式的遙感數(shù)據(jù)及處理方式，如介紹激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的處理軟件TerraSolid。

（七）城市遙感專題圖

城市遙感專題圖是城市遙感領(lǐng)域研究的重要成果體現(xiàn)，該方式簡(jiǎn)單、清晰地突出一種、幾種對(duì)象要素。因此，建議學(xué)生掌握城市遙感專題圖的制作流程。本部分內(nèi)容可開設(shè)一次實(shí)習(xí)課程，要求學(xué)生們掌握基本的城市遙感專題圖繪制流程。本實(shí)習(xí)課程建議安排至城市遙感影像分類實(shí)習(xí)課之后，可利用學(xué)生完成的城市遙感影像分類結(jié)果進(jìn)行專題圖制作。通過(guò)本實(shí)習(xí)課程可進(jìn)一步熟悉遙感領(lǐng)域內(nèi)的主流軟件的使用，如ARCGIS、MAPGIS、ENVI等軟件。

（八）城市遙感在規(guī)劃和環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

城市大氣、水生態(tài)、地表生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測(cè)是城市遙感環(huán)境監(jiān)測(cè)中的重要分支。本部分內(nèi)容將首先依照上述三個(gè)方面進(jìn)行應(yīng)用方面的綜述與方向介紹。隨后將通過(guò)重點(diǎn)講解一個(gè)應(yīng)用分支的實(shí)例，使學(xué)生了解具體應(yīng)用中所涉及的遙感處理技術(shù)與流程。由于本部分內(nèi)容的教學(xué)中需使用遙感的基礎(chǔ)知識(shí)以及影像處理的基本原理，因此本部分的實(shí)例講解內(nèi)容將放置在課程后部分的教學(xué)中。

（九）城市遙感技術(shù)的最新發(fā)展

為了讓學(xué)生了解更多的城市遙感領(lǐng)域的前沿知識(shí)，最后會(huì)向?qū)W生們介紹本領(lǐng)域最新的發(fā)展方向，例如，無(wú)人機(jī)遙感影像處理、衛(wèi)星視頻數(shù)據(jù)處理、夜光遙感數(shù)據(jù)處理等。本部分內(nèi)容應(yīng)當(dāng)根據(jù)技術(shù)發(fā)展進(jìn)行更新。

三、結(jié)束語(yǔ)

城市問(wèn)題研究是空間信息與數(shù)字技術(shù)專業(yè)領(lǐng)域的重要研究分支，本文重點(diǎn)介紹了《城市遙感》課程開設(shè)的重要性及課程建設(shè)方案。本門課程的建設(shè)中將在講解基本遙感基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，重點(diǎn)通過(guò)案例講授將理論聯(lián)系實(shí)際，并且通過(guò)實(shí)踐教學(xué)著重強(qiáng)調(diào)對(duì)學(xué)生的實(shí)踐編程與軟件操作能力的培養(yǎng)。在今后的教學(xué)過(guò)程中，本門課程應(yīng)結(jié)合最新的遙感技術(shù)，定期引入基于遙感技術(shù)的城市問(wèn)題研究的前沿案例從而進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的更新，并根據(jù)教學(xué)效果進(jìn)行教學(xué)方案的完善與改進(jìn)。

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