基于QGIS的遙感實驗教學實踐探究

陳實　黃銀蘭

關(guān)鍵詞：QGIS；半自動分類；遙感；教學探索

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）10-0124-03

2022年9月13日，國務院學位委員會和教育部聯(lián)合印發(fā)《研究生教育學科專業(yè)目錄（2022年）》，“遙感科學與技術(shù)”成為新的一級學科，隸屬交叉學科門類，可授予理學、工學學位[1]。遙感具有快速、準確、經(jīng)濟、大范圍、可周期性地獲取地面信息，結(jié)合地理信息系統(tǒng)和北斗定位等其他現(xiàn)代高新技術(shù)，既能服務于社會經(jīng)濟發(fā)展，又能服務于百姓生活，已成為不可或缺的手段[2]。隨著新農(nóng)科和新工科的建設實施和中國高等教育的普及，全國有58所高校開設遙感科學與技術(shù)，越來越多的交叉或相近專業(yè)開設了遙感課程[3]。但該類課程要求理論與實踐實驗緊密結(jié)合。實踐實驗依托ENVI、ERDAS、eCongnition等遙感圖像處理軟件來實現(xiàn)，且需商業(yè)付費[4]。而QGIS一款開源、免費、輕巧、跨平臺、支持多種數(shù)據(jù)格式與插件庫的軟件，得到眾多教育者和研究者的青睞[5]。當前實施的“理論講授+實驗操作”的教學模式[6]，存在知識點零散、學生理解深度不夠等缺點，忽略了學生實踐能力的參與度，限制了學生學習的熱情和動力[7]。本文以“遙感概論”實驗課程為對象，充分利用QGIS軟件的遙感應用功能，以“基于Sentinel-2影像的升金湖國家級自然保護區(qū)土地利用隨機森林分類”項目為依托，從“提供情境，確定項目任務”“項目任務細化和分組協(xié)作”“基于SCP的隨機森林分類”等方面開展教學探索。

1 遙感實驗教學存在的問題

遙感實驗教學是普通高校本?？茖I(yè)的核心課程或主干課程的重要實踐環(huán)節(jié)，讓學生掌握遙感技術(shù)與應用方法是人才培養(yǎng)的重要目標。當前，大多高校仍采用ENVI開展遙感實驗教學，教師將教學內(nèi)容與軟件功能進行結(jié)合，通過遙感影像的讀取、輻射定標、圖像配準、圖像類、制圖等功能，將遙感基礎理論與操作技術(shù)緊密融合。然而，在此教學中面臨幾個方面的問題：1）軟件更新和維護問題。在遙感實驗教學中，較為常用的是ENVI軟件，它是由遙感領(lǐng)域的科學家采用交互式數(shù)據(jù)語言IDL（Interactive Data Language）開發(fā)的一套功能強大的遙感圖像處理軟件，擁有40多年的歷史。隨著軟件的升級更新，ENVI軟件的安裝運行對計算機硬件性能的要求也隨之提高，對于一些經(jīng)費投入不多的地方高校而言，遙感實驗的軟件和硬件不能很好地滿足實際教學要求，一些最新的技術(shù)和應用也無法在教學實驗中實施。

2）數(shù)據(jù)下載和使用混亂。遙感實驗教學的影像數(shù)據(jù)一般需登錄專門的網(wǎng)站下載，在網(wǎng)頁輸入教師指定的參數(shù)，下載相應的遙感影像，保存到硬盤或其他存儲介質(zhì)中，然后導入ENVI軟件進行實驗操作，在ENVI完成實驗任務后，將實驗結(jié)果加載到ArcGIS中進行布局出圖，在各界面切換操作完成遙感實驗任務容易讓學生產(chǎn)生混亂。

3）教學模式單一，缺乏師生互動。當前，教師在遙感實驗教學中采取PPT多媒體化講解，學生模仿教師演示操作，學生跟著做完實驗但并未理解融合的基礎知識，同時無法真正掌握操作技術(shù)。在整個實驗教學過程里，學生的參與度不足，師生在實踐中缺少必要的溝通。不利于培養(yǎng)學生獨立思考和提高解決遙感應用問題的能力。

2 基于QGIS 開展遙感實驗教學的適用性分析

QGIS作為一款開源的桌面地理信息系統(tǒng)軟件，因其具備易用、穩(wěn)定和可擴展等特性，受到越來越多的技術(shù)人員和學者的好評與支持。軟件插件的迅速研發(fā)和迭代是QGIS軟件成功的關(guān)鍵，尤其是半自動分類插件（Semi-Automatic Classification Plugin， SCP）為影像的預處理、后處理、監(jiān)督圖像分類提供最實用的解決方案，便于一體化實現(xiàn)遙感影像處理的全流程工作，可以代替其他桌面軟件對遙感影像的本地處理，包括但不限于常見遙感數(shù)據(jù)（Landsat、Sentinel和MODIS等）的下載、預處理、分類、精度評價與分區(qū)統(tǒng)計等。

2.1遙感數(shù)據(jù)的下載

在遙感實驗教學中，經(jīng)常會用到免費的Landsat、哨兵（Sentinel）1/2/3等數(shù)據(jù)，Landsat系列數(shù)據(jù)的下載首選國內(nèi)地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn/），除了Landsat系列數(shù)據(jù)外，還有哨兵1/2，以及MODIS部分產(chǎn)品數(shù)據(jù)，但是該平臺的數(shù)據(jù)更新滯后或者有些數(shù)據(jù)可能不全。一般會從美國地質(zhì)勘探局（UnitedStates Geological Survey）下屬的USGS Earth Explore網(wǎng)站（https：//earthexplorer.usgs.gov/）下載Landsat，從在歐空局哥白尼數(shù)據(jù)中心（https：//scihub.copernicus.eu/dhus/#/home）下載Sentinel系列數(shù)據(jù)。而在QGIS平臺可通過SCP，在登錄接口輸入用戶名和密碼鏈接到網(wǎng)站，設置好下載參數(shù)，直接獲取所需研究數(shù)據(jù)。

2.2影像數(shù)據(jù)的預處理

無論是從國內(nèi)或者國外網(wǎng)站下載的遙感數(shù)據(jù)，都要通過專業(yè)軟件進行預處理。Landsat數(shù)據(jù)一般利用ENVI（The Environment for Visualizing Images）遙感圖像處理平臺來做輻射校正和大氣校正處理，并可進行影像拼接、裁剪等處理。下載好的Sentinel-2數(shù)據(jù)產(chǎn)品級別為Level-1C數(shù)據(jù)（經(jīng)過正射校正和幾何精校正的大氣表觀反射率產(chǎn)品），首先在Sen2Cor插件上經(jīng)過輻射定標和大氣校正處理，生成Level-2A數(shù)據(jù)（經(jīng)過大氣校正的大氣底層反射率數(shù)據(jù)）。然后，通過SNAP 軟件進行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，最后運用ENVI軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)重采樣，并轉(zhuǎn)換為tif格式。在SCP中，針對Landsat 系列和Sentinel系列數(shù)據(jù)有專門的預處理工具，設置好路徑參數(shù)，一鍵式預處理好數(shù)據(jù)。

2.3土地利用分類

QGIS的SCP與其他桌面遙感軟件類似，提供了最小距離分類、最大似然分類、光譜角填圖和隨機森林等監(jiān)督分類算法。同時，在QGIS中還加入了光譜距離分析，方便用戶選取、刪除、優(yōu)化樣本。本次教學根據(jù)項目需要、確定分類樣本類型、運用隨機森林方法進行分類。最后，采用精度評估模塊，對隨機森林分類結(jié)果進行精度驗證。

3 基于QGIS 的土地資源遙感監(jiān)測教學案例設計

3.1 提供情境，確定項目任務

升金湖是安徽省境內(nèi)唯一以珍稀越冬水鳥為主要保護對象的國家濕地自然保護區(qū)。為了推進升金湖濕地保護和生態(tài)修復，2016年10月，池州市東至縣出臺《升金湖濕地生態(tài)效益補償工作實施意見》，正式實行“退耕還濕”[8]，近年來池州市投入大量資金大力推進退耕還濕工程的實施，使得升金湖濕地的土地利用景觀格局發(fā)生了改變。在此背景下，基于高時空分辨率的Sentinel-2遙感數(shù)據(jù)，運用隨機森林算法將土地利用類型分為建筑用地、耕地、林地、草地、灘涂、湖泊、河流、池塘8類，形成的土地利用分類能夠為升金湖濕地高水平保護和高質(zhì)量發(fā)展研究提供研究數(shù)據(jù)基礎。

3.2 項目任務細化和分組協(xié)作

基于本次項目任務“基于Sentinel-2影像的升金湖國家級自然保護區(qū)土地利用隨機森林分類”，可將項目細化為“安裝QGIS軟件和SCP插件”“獲取項目數(shù)據(jù)和熟悉分類方法”和“開展基于SCP的隨機森林分類”三個方面的任務。項目開展前，將班級學生分為若干組，每組4-5人，學生根據(jù)在軟件實操、撰寫報告、PPT匯報、協(xié)調(diào)組織等方面的特長進行分工協(xié)作，確保每位同學充分參與，并發(fā)揮各自優(yōu)勢。

1）安裝QGIS軟件和SCP插件

QGIS 軟件直接從官網(wǎng)（https：//www.qgis.org/en/site/）下載最新版本（目前為QGIS3.28）安裝，而SCP插件則在QGIS工具欄中的“插件”，點擊“管理并安裝插件”，在此輸入SCP即可找到插件，并一鍵式安裝。

2）獲取項目數(shù)據(jù)和熟悉分類方法

本次研究需要下載升金湖Sentinel-2影像數(shù)據(jù)，每年10月至次年3月大批候鳥來此越冬，12月是候鳥遷徙高峰，本次教學選擇下載2022年12月份的Senti?nel-2影像，該數(shù)據(jù)空間分辨率高、重返周期短，可直接下載L2A產(chǎn)品，免去用戶進行大氣校正處理流程。隨機森林分類是土地利用常用且分類精度較高的方法之一，隨機森林算法基本思路是在創(chuàng)建的訓練樣本上構(gòu)建決策樹，然后從每個土地利用類型樣本中得到預測值，最后通過預測值來投票選擇最佳的解決方案。該方法具有抗噪聲能力強、性能穩(wěn)定、高準確度等優(yōu)勢。

3）開展基于SCP的隨機森林分類

項目將從影像下載、影像裁剪、波段鑲嵌、樣本采集、光譜距離分析、隨機森林分類、精度評價分析等7 方面內(nèi)容開展（圖1），教師逐步引導學生理解并完成操作任務。教學過程可分為數(shù)據(jù)下載與預處理、樣本采集與分析和隨機森林分類及評價三個部分。

3.3 基于SCP 的隨機森林分類

3.3.1 數(shù)據(jù)下載與預處理

1）Sentinel-2數(shù)據(jù)下載

在SCP下載產(chǎn)品界面，點擊【Login data】→【LoginSentinels】，輸入網(wǎng)站注冊的賬號密碼；點擊【Search】→【Login Sentinels】，在搜索參數(shù)中設置好“升金湖國家級自然保護區(qū)”的下載范圍以及最大云覆蓋（10%），選擇Sentinel-2 產(chǎn)品后，確定下載日期范圍（2022年12月1日至12月31日），進行數(shù)據(jù)查找；在【Download options】界面選擇參加分類的B2—B8A、B11和B12波段（表1）。最后，選擇2022年12月22日的覆蓋研究區(qū)的兩景Sentinel L2A影像（大氣校正后產(chǎn)品），點擊【RUN】進行下載（圖2）。

2）影像預處理

在【Band set】界面，將L2A_T50RNU 和L2A_T50RMU 分別設置為波段集set1 和set2，點擊【Preprocessing】下的【Clip band set】，依次選擇set1和set2進行影像裁剪；點擊【Preprocessing】下的【Mosaicband sets】，選擇set1和set2進行影像鑲嵌，得到研究區(qū)Sentinel L2A反射率影像。

3.3.2 樣本采集與分析

進入SCP【Training input】界面，根據(jù)項目所需分類的8個土地利用類型，在Sentinel影像上分別切換真彩色（B4， B3， B2）、標準假彩色（B7， B3， B2）、短波紅外線（B12， B8A， B4）等波段組合方式，依次按照建筑用地、耕地、林地、草地、灘涂、湖泊、河流、池塘8個類型選擇樣本。在此過程，由學生根據(jù)自身理解，進行小組交流，各自操作完成采集訓練樣本。地物分類樣本采集任務完成后，可將通過【Spectral Signature Plot】光譜距離分析工具，依據(jù)光譜曲線變化以及樣本間距離，通過增加（刪除）樣本，以滿足光譜距離評估要求，最終確定分類樣本。

3.3.3 隨機森林分類及評價

點擊【Band processing】下的【Random forest】，設置波段輸入集、分類代碼、調(diào)整訓練樣本數(shù)量、設置合適的決策樹數(shù)量。同時，勾選【Evaluate classifier】評估隨機森林的分類性能（不是整個分類的準確性），讀取參與分類波段特征重要性得分，得到單個波段的重要程度。利用【Postprocessing】下的【Accuracy】模塊來評價項目分類的精度，將本項目解譯好的結(jié)果與教師提供的分類結(jié)果進行比較，從總體精度、制圖精度、生產(chǎn)者精度以及kappa 系數(shù)定量評價，達到滿意精度后在QGIS中出圖導出。

3.3.4 成果匯報與評價

各小組有序完成項目分工任務，以PPT形式從問題與解決、成果展示、自我評價三個方面匯報交流。同時項目小組還需提交項目實踐報告，加深對理論、操作和項目的理解，來提高專業(yè)技術(shù)能力。在成果評價中，教師及其他點評代表學生按匯報思路、操作能力、成果質(zhì)量進行打分，教師適當對學生進行鼓勵，擴展項目和遙感知識，激發(fā)學生的創(chuàng)新能力及主觀能動性。

4 結(jié)論

遙感在服務國家經(jīng)濟主戰(zhàn)場和重大戰(zhàn)略中發(fā)揮了重大作用，社會對應用型的遙感人才需求迫切[9]。為了有效提升遙感實驗教學效果，本文可以借助QGIS軟件在遙感應用優(yōu)勢，細化項目任務分工，逐步引導學生開展項目研究，提升學生實操能力。學生不僅能夠無縫與遙感基礎理論知識銜接，而且還在實驗操作中深刻體會遙感技術(shù)的實際應用。同時，通過項目成果展示和交流評價，可進一步提升學生在發(fā)現(xiàn)、分析、解決、總結(jié)問題上的能力。

基于QGIS的遙感實驗教學可直觀清晰地為學生系統(tǒng)講解遙感基礎知識，能夠較好地鍛煉在遙感數(shù)據(jù)獲取、處理和分析等方面的操作能力，幫助學生充分了解和掌握遙感在科學研究中的實際應用，以適應經(jīng)濟社會發(fā)展需求，進一步增強人才培養(yǎng)與我國社會經(jīng)濟發(fā)展的契合度。