遙感數(shù)字圖像分析與應(yīng)用課程虛擬仿真在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱瑜馨 張錦宗

[摘 要]遙感數(shù)字圖像分析與應(yīng)用是高校地理信息科學(xué)專業(yè)的核心課程，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是該課程教學(xué)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)。針對(duì)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中存在的理論抽象、算法復(fù)雜、教學(xué)過(guò)程講解困難等問(wèn)題，將虛擬仿真在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)引入傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，“虛”“實(shí)”有機(jī)結(jié)合，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性與創(chuàng)造性。虛擬仿真在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用演示模式與自主實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑匀S動(dòng)畫(huà)方式，引導(dǎo)學(xué)生完成并掌握遙感圖像成像原理、大氣衰減及圖像處理技術(shù)與相關(guān)算法實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)及分析綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ瑸檫b感圖像綜合應(yīng)用儲(chǔ)備知識(shí)技能。

[關(guān)鍵詞]遙感數(shù)字圖像分析與應(yīng)用;虛擬仿真;在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)

[項(xiàng)目資助]2016年江蘇省在線開(kāi)放虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目培育項(xiàng)目“高分辨率遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與虛擬仿真”;2019年教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目“高分辨率遙感分類(lèi)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)”（201901039025）

[作者簡(jiǎn)介]朱瑜馨（1976—），女，山東聊城人，博士，淮陰師范學(xué)院城市與環(huán)境學(xué)院副教授，主要從事遙感時(shí)空統(tǒng)計(jì)與不確定性研究;張錦宗（1972—），男，甘肅張家川人，博士，淮陰師范學(xué)院城市與環(huán)境學(xué)院副教授（通信作者），主要從事城市與區(qū)域發(fā)展研究。

[中圖分類(lèi)號(hào)] G642.0[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A[文章編號(hào)] 1674-9324（2020）32-0386-03[收稿日期] 2019-12-31

遙感數(shù)字圖像分析與應(yīng)用是高校地理信息科學(xué)專業(yè)的核心課程，遙感圖像處理技術(shù)是該專業(yè)學(xué)生必須具備的技術(shù)之一。隨著全球及區(qū)域尺度遙感應(yīng)用領(lǐng)域的迅速擴(kuò)展，高校非地理信息科學(xué)專業(yè)的學(xué)生對(duì)遙感圖像處理技術(shù)的需求也越來(lái)越大。該課程不僅理論抽象，而且圖像運(yùn)算的算法多且難以理解。傳統(tǒng)的教學(xué)模式通常是教師課堂進(jìn)行理論講授，同時(shí)進(jìn)行操作演示，在配套的上機(jī)實(shí)踐課上學(xué)生上機(jī)模擬練習(xí)，教師進(jìn)行課堂監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題一一進(jìn)行指導(dǎo)，這種教學(xué)模式課堂效率較低，學(xué)生上機(jī)操作絕大多數(shù)是按照老師的操作流程機(jī)械地完成，缺乏主動(dòng)思考過(guò)程，教師難以逐一監(jiān)控。而非地理信息科學(xué)專業(yè)學(xué)生則很少有機(jī)會(huì)上機(jī)操作得到教師的指導(dǎo)。針對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)中存在的弊端，將虛擬仿真技術(shù)引入遙感數(shù)字圖像分析與應(yīng)用的課堂教學(xué)中，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中隨時(shí)隨地體驗(yàn)、學(xué)習(xí)并掌握遙感數(shù)字圖像處理的理論、算法、解譯技術(shù)，在線交流實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，既方便了學(xué)生的課堂預(yù)習(xí)、課后復(fù)習(xí)鞏固，又方便教師及時(shí)把控教學(xué)過(guò)程、評(píng)價(jià)教學(xué)效果，解決了大量學(xué)生不能身臨其境學(xué)習(xí)實(shí)踐的問(wèn)題，將課本抽象的知識(shí)真實(shí)化、形象化，加深學(xué)生對(duì)遙感原理及圖像處理過(guò)程的認(rèn)知程度，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和理論聯(lián)系實(shí)際的能力，對(duì)現(xiàn)代課堂教學(xué)的優(yōu)化具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

一、在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

如圖1所示，支撐系統(tǒng)運(yùn)行的平臺(tái)及系統(tǒng)運(yùn)行的架構(gòu)共分為五層，每一層都為其上層提供服務(wù)。

①數(shù)據(jù)層：實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目涉及多種類(lèi)型虛擬實(shí)驗(yàn)組件及數(shù)據(jù)，這里分別設(shè)置虛擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)元件庫(kù)、實(shí)驗(yàn)課程庫(kù)、典型實(shí)驗(yàn)庫(kù)、標(biāo)準(zhǔn)答案庫(kù)、規(guī)則庫(kù)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、用戶信息等來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)的存放和管理。②支撐層：支撐層是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)與開(kāi)放共享平臺(tái)的核心，是實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目正常開(kāi)放運(yùn)行的基礎(chǔ)，負(fù)責(zé)整個(gè)基礎(chǔ)系統(tǒng)的運(yùn)行、維護(hù)和管理。包括以下幾個(gè)功能子系統(tǒng)：安全管理、服務(wù)容器、數(shù)據(jù)管理、資源管理與監(jiān)控、域管理、域間信息服務(wù)等。③通用服務(wù)層：通用服務(wù)層即開(kāi)放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺(tái)，提供虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境的一些通用支持組件，以便學(xué)生能夠快速在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境完成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。通用服務(wù)包括：實(shí)驗(yàn)教務(wù)管理、實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理、理論知識(shí)學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)資源管理、智能指導(dǎo)、互動(dòng)交流、實(shí)驗(yàn)結(jié)果自動(dòng)批改、實(shí)驗(yàn)報(bào)告管理、教學(xué)效果評(píng)價(jià)、項(xiàng)目開(kāi)放與共享等，同時(shí)提供相應(yīng)集成接口工具，以便該平臺(tái)能夠方便集成第三方的虛擬實(shí)驗(yàn)軟件進(jìn)入統(tǒng)一管理。④仿真層：仿真層主要針對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行相應(yīng)的器材建模、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景構(gòu)建、虛擬儀器開(kāi)發(fā)、提供通用的仿真器，最后為上層提供實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)的格式化輸出。⑤應(yīng)用層：基于底層的服務(wù)，最終遙感數(shù)字圖像處理與應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教學(xué)與開(kāi)放共享。該框架的應(yīng)用層具有良好的擴(kuò)展性，實(shí)驗(yàn)教師可根據(jù)教學(xué)需要，利用服務(wù)層提供的各種工具和仿真層提供的相應(yīng)的器材模型，設(shè)計(jì)各種典型實(shí)驗(yàn)實(shí)例，最后面向?qū)W校開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用。

（二）系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

遙感數(shù)字圖像分析與應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在線教學(xué)，面向地理信息科學(xué)專業(yè)及有遙感圖像處理技術(shù)需

求的所有其他專業(yè)的學(xué)生。為了能體現(xiàn)專業(yè)優(yōu)勢(shì)、拓展學(xué)生的專業(yè)興趣并滿足學(xué)生的個(gè)性化發(fā)展需要，虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用開(kāi)放在線教學(xué)模式，以學(xué)生為中心，學(xué)生主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，操作實(shí)驗(yàn)裝置，指導(dǎo)教師講解實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)步驟，并對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)前、中、后全過(guò)程加以指導(dǎo)和引導(dǎo)，啟發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。實(shí)驗(yàn)中，教師通過(guò)做題、考核方式激發(fā)學(xué)生充分發(fā)揮想象，發(fā)掘?qū)W生的創(chuàng)造潛能，提高解決實(shí)際問(wèn)題的綜合能力。該虛擬實(shí)驗(yàn)仿真教學(xué)內(nèi)容主要包括以下幾大部分：

1.演示模式教學(xué)。根據(jù)課程的教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)以下教學(xué)原理基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)及綜合實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真：遙感成像過(guò)程、大氣衰減原理、圖像顯示、圖像校正、圖像變換、圖像濾波、圖像分類(lèi)等基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn);土地利用變化遙感監(jiān)測(cè)與分析綜合實(shí)驗(yàn)。圖像校正實(shí)驗(yàn)，將向?qū)W生重點(diǎn)展示兩個(gè)核心環(huán)節(jié)—像素坐標(biāo)的變換及坐標(biāo)變換后的像素亮度值的重采樣。圖像增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)，將從輻射增強(qiáng)、光譜增強(qiáng)、空間域增強(qiáng)、頻率增強(qiáng)等方面為學(xué)生展示增強(qiáng)處理技術(shù)，把ENVI的Enhance模塊下的交互式直方圖調(diào)整、直方圖匹配、波段比計(jì)算、主成分變換、獨(dú)立成分變換、最小噪聲分離變換、彩色變換、卷積濾波、邊緣檢測(cè)、紋理分析、傅立葉變換等方法細(xì)節(jié)及實(shí)驗(yàn)效果一一展示。

每一實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真通過(guò)動(dòng)畫(huà)、視頻相結(jié)合的方式，簡(jiǎn)單直觀地將枯燥抽象的原理在線顯示給學(xué)生，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并通過(guò)設(shè)疑教學(xué)方法引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考，訓(xùn)練他們的邏輯思維能力。通過(guò)演練模式，學(xué)生自主選擇所要演示的圖像處理原理，以簡(jiǎn)單直觀的方式將課程枯燥抽象的原理在線給學(xué)生，并能使學(xué)生隨時(shí)隨地進(jìn)行學(xué)習(xí)。同時(shí)系統(tǒng)提供有每一部分教學(xué)的電子教案、CAI課件供學(xué)生補(bǔ)充學(xué)習(xí)，從而獲得最佳的學(xué)習(xí)效果。

2.自主實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?。在該模式下，學(xué)生自主選擇數(shù)據(jù)庫(kù)中的影像資源，根據(jù)演練模式下提供的數(shù)據(jù)處理教學(xué)內(nèi)容，自主完成任意一個(gè)數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用試驗(yàn)。首先學(xué)生根據(jù)每一個(gè)自主實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒁蠹叭蝿?wù)，選擇數(shù)據(jù)庫(kù)中某類(lèi)型的影像，并通過(guò)系統(tǒng)帶有的數(shù)據(jù)庫(kù)中影像資源類(lèi)型的全面介紹，詳細(xì)了解圖像信息，為下一步的圖像處理做理論鋪墊。然后以對(duì)話框的方式一步一步完成實(shí)驗(yàn)操作，在完成實(shí)驗(yàn)操作的過(guò)程中，對(duì)關(guān)鍵的知識(shí)點(diǎn)及技術(shù)點(diǎn)，系統(tǒng)將會(huì)以問(wèn)答的方式幫助學(xué)生復(fù)習(xí)鞏固并記憶知識(shí)點(diǎn)。對(duì)抽象的圖像運(yùn)算算法，系統(tǒng)在前臺(tái)在線顯示，顯示方式有文檔、問(wèn)答式習(xí)題、三維動(dòng)畫(huà)模擬等。

3.在線交流與評(píng)價(jià)模式。在線交流提供BBS論壇，能夠?qū)⒓訉?shí)驗(yàn)學(xué)生的全過(guò)程進(jìn)行記錄，并能夠隨時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，對(duì)于學(xué)生預(yù)習(xí)效果、實(shí)驗(yàn)步驟以及實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)都具備完善的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。在該模式下，學(xué)生與學(xué)生之間以及學(xué)生與教師之間可以對(duì)實(shí)驗(yàn)心得、實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行充分的交流溝通，而不受時(shí)空的限制。通過(guò)平臺(tái)完善的反饋機(jī)制，對(duì)參加實(shí)驗(yàn)學(xué)生各方面的建議、評(píng)價(jià)與反饋信息，進(jìn)行全面系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)分析，幫助教師及時(shí)了解學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在的問(wèn)題，并根據(jù)反饋的問(wèn)題信息及時(shí)微調(diào)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容及進(jìn)度。

二、開(kāi)發(fā)技術(shù)

本在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基于公有云服務(wù)器、局域網(wǎng)服務(wù)器部署，分別需要5M—10M、10M—50M寬帶，支持1000個(gè)學(xué)生同時(shí)在線并發(fā)訪問(wèn)和請(qǐng)求。如果單個(gè)實(shí)驗(yàn)被占用，則對(duì)話框提示后面進(jìn)行在線等待，等待前面一個(gè)預(yù)約實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，進(jìn)入下一個(gè)預(yù)約隊(duì)列。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)工具包括unity3d、3DMax、Visual Studio、Photoshop，采用WebGL3D仿真建模技術(shù)，單場(chǎng)景模型總數(shù)：900000面;貼圖分辨率：1024×1024;顯示幀率：高于每秒30幀;刷新率：高于30Hz;正常分辨率：1920×1080。管理平臺(tái)采用Java開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，Eclipse開(kāi)發(fā)工具，數(shù)據(jù)庫(kù)采用MySQL。

（一）WebGL三維仿真建模

WebGL（Web Graphics Library）是一種3D繪圖協(xié)議，這種繪圖技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)允許把JavaScript和OpenGL ES 2.0結(jié)合在一起，通過(guò)增加OpenGL ES 2.0的一個(gè)JavaScript綁定，為HTML5 Canvas提供硬件3D加速渲染，使得Web開(kāi)發(fā)人員借助系統(tǒng)顯卡來(lái)在瀏覽器里更流暢地展示3D場(chǎng)景和模型，并能創(chuàng)建復(fù)雜的導(dǎo)航和數(shù)據(jù)視覺(jué)化[1]。WebGL是一項(xiàng)可以在瀏覽器中繪制、顯示三維計(jì)算圖形并與之交互的技術(shù)[2-3]。WebGL程序可存在于網(wǎng)頁(yè)中并在瀏覽器中執(zhí)行，不需要安裝任何其他的插件和庫(kù)[4]。本系統(tǒng)最終打包WebGL場(chǎng)景發(fā)布。

（二）Unity3D

Unity是由Unity Technologies公司開(kāi)發(fā)的高端跨平臺(tái)引擎，Unity除了用于游戲開(kāi)發(fā)，還被廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事國(guó)防、工業(yè)仿真、教育培訓(xùn)、醫(yī)療模擬、建筑漫游等領(lǐng)域[5]（P58）[6]。Unity3D是具有跨平臺(tái)特點(diǎn)的虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)工具，具有強(qiáng)大的圖形資源整合、實(shí)時(shí)渲染、物理仿真等功能[7]。本系統(tǒng)中的三維特效均在此工具下完成。

三、結(jié)束語(yǔ)

遙感數(shù)字圖像分析與應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是傳統(tǒng)教學(xué)的延伸與拓展。系統(tǒng)不僅能夠單機(jī)穩(wěn)定可靠運(yùn)行，并可置于基于Internet開(kāi)放教學(xué)管理平臺(tái)上，可以為不同校區(qū)、不同專業(yè)的學(xué)生同時(shí)共享使用，并且項(xiàng)目建于B/S架構(gòu)可以提供授權(quán)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)有完善的加密機(jī)制，可以進(jìn)行日志管理、數(shù)據(jù)備份、系統(tǒng)監(jiān)控，保障網(wǎng)絡(luò)及信息安全保護(hù)功能。通過(guò)遙感數(shù)字圖像分析與應(yīng)用虛擬在線教學(xué)，學(xué)生可以從影像糾正、圖像增強(qiáng)、數(shù)據(jù)解譯等方面全方位掌握遙感圖像處理的原理與方法，掌握遙感影像解譯的技能;從宏觀了解遙感的應(yīng)用領(lǐng)域，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)遙感科學(xué)技術(shù)重要性的認(rèn)識(shí)。學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上不僅能完成遙感基礎(chǔ)應(yīng)用技能、遙感數(shù)據(jù)處理等基礎(chǔ)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，并能從植被、土地覆被等方面進(jìn)行遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與模擬等綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，提高實(shí)踐教學(xué)的層次，促進(jìn)學(xué)生對(duì)遙感影像解譯技能的掌握。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式中引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，二者有機(jī)結(jié)合，有助于調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)思考的思維方式，全面培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐應(yīng)用能力，體現(xiàn)以學(xué)生為主體的教學(xué)思想。

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