PIE系列遙感軟件在測繪類專業(yè)體驗式教學(xué)中的應(yīng)用

張成業(yè) 李 軍 趙恒謙 劉東升 任 芳 王宏鵬

（1.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083；2.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京 100083；3.航天宏圖信息技術(shù)股份有限公司，北京 100195）

0 引言

近年來，隨著航空航天、計算機、光電成像、傳感器制造等技術(shù)的快速發(fā)展，遙感技術(shù)無論是在數(shù)據(jù)、算法、算力，還是應(yīng)用上都取得了長足的進步，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水利、交通、地質(zhì)、生態(tài)環(huán)境、防災(zāi)減災(zāi)、軍事偵察、城市建設(shè)等各個行業(yè)領(lǐng)域［1-6］，在國民經(jīng)濟和社會生產(chǎn)中發(fā)揮了越來越多的作用，與此同時也受到了美國、英國、法國、俄羅斯等世界主要大國的廣泛重視。

然而長期以來，我國各類高等院校、科研院所、工程應(yīng)用單位在遙感數(shù)據(jù)處理任務(wù)中絕大多數(shù)使用國外版權(quán)的軟件，為國產(chǎn)遙感技術(shù)的獨立自主發(fā)展和國家地理信息安全埋下了一定的隱患。其主要原因之一，就是現(xiàn)階段高校測繪類專業(yè)實踐課程教學(xué)長期依賴國外版權(quán)的遙感軟件，國產(chǎn)遙感軟件的實踐教學(xué)內(nèi)容涉及較少。根據(jù)教育部公布的“普通高等學(xué)校本科專業(yè)目錄（2020 年版）”，高校測繪類專業(yè)包括測繪工程、遙感科學(xué)與技術(shù)、導(dǎo)航工程、地理國情監(jiān)測、地理空間信息工程等，是向社會輸送各層次遙感人才的重要源頭。如果單純使用國外版權(quán)的軟件進行遙感實踐教學(xué)，必然導(dǎo)致學(xué)生后續(xù)無論是讀研深造還是從事遙感一線應(yīng)用工作，都習(xí)慣于依賴國外版權(quán)的遙感軟件完成數(shù)據(jù)處理任務(wù)。為了從源頭上減輕對國外版權(quán)軟件的依賴，有必要開展國產(chǎn)遙感軟件在測繪類專業(yè)實踐教學(xué)中的應(yīng)用研究，推動國產(chǎn)遙感軟件在高校的使用和發(fā)展。

像素專家（pixel information expert，PIE）系列遙感軟件由航天宏圖信息技術(shù)股份有限公司研發(fā)，具有國產(chǎn)完全自主知識產(chǎn)權(quán)，目前已經(jīng)在國內(nèi)的氣象、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水利、國土、環(huán)境保護等多個行業(yè)開展了廣泛應(yīng)用，發(fā)表了一系列的成果［7-12］。然而，相對于PIE系列遙感軟件在國內(nèi)迅速發(fā)展應(yīng)用的現(xiàn)狀來說，PIE 相關(guān)的本科教學(xué)研究尚處在起步階段。2021 年，PIE 軟件的系列實踐教材相繼出版，分別為《PIE 遙感圖像處理基礎(chǔ)教程》［13］《PIE 遙感圖像處理專題實踐》［14］《PIE 遙感圖像處理二次開發(fā)教程》［15］。三本教材分別從基礎(chǔ)操作、專題操作、二次開發(fā)這三個方面按照教學(xué)需求層層遞進的思路為PIE本科實踐教學(xué)提供了基礎(chǔ)資料。然而，教材只是實踐教學(xué)實施過程中的工具之一，PIE 真正走進高校課堂還需要教學(xué)大綱、教案、教學(xué)視頻等一系列教學(xué)素材。尤其是國產(chǎn)遙感軟件功能是否適合測繪類本科實踐教學(xué)的特點、是否能夠滿足本科教學(xué)的需求，值得進一步分析探討以及案例試驗。然而，經(jīng)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，尚未有公開的論文對PIE 系列遙感軟件進行教學(xué)方面的研究。

測繪工程、遙感科學(xué)與技術(shù)等測繪類本科專業(yè)對工程實踐的要求具有復(fù)雜性、嚴(yán)謹(jǐn)性以及一定程度的機械重復(fù)性。學(xué)生在實踐操作中容易滋生“興趣低、不愿學(xué)”的負(fù)面情緒［16-18］。體驗式教學(xué)是通過各類型的情境教學(xué)來幫助學(xué)生認(rèn)識事物與學(xué)習(xí)知識，能夠使學(xué)生以親身體驗的方式完全參與學(xué)習(xí)過程，使學(xué)生由被動角色轉(zhuǎn)變?yōu)檎嬲闹鹘?，充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣［19-21］?；隗w驗式教學(xué)理念進行實踐教學(xué)方案設(shè)計，能夠讓PIE 系列遙感軟件在測繪類專業(yè)實踐教學(xué)中寓教于樂——讓學(xué)生既能體會到實踐課程的樂趣，又能掌握專業(yè)技能。

本文從測繪類本科專業(yè)遙感實踐課程教學(xué)的角度出發(fā)，分析PIE 系列遙感軟件在教學(xué)應(yīng)用中的必要性和適用性，充分利用體驗式教學(xué)理念和翻轉(zhuǎn)課堂，設(shè)計教學(xué)案例并在本科教學(xué)實踐中進行試驗，以期為PIE 在測繪類專業(yè)體驗式實踐教學(xué)中的推廣應(yīng)用提供借鑒，推動國產(chǎn)遙感軟件實踐教學(xué)的發(fā)展。

1 PIE軟件體系

PIE 系列遙感軟件主要面向國內(nèi)外主流的遙感影像數(shù)據(jù)提供圖像預(yù)處理、信息解譯與提取、參數(shù)反演、專題制圖等多種功能［22-23］。自2008 年以來，PIE 從1.0 版本發(fā)展到目前廣泛使用的6.0版本。以PIE 二次開發(fā)工具（PIE-SDK）為支持，主要工具軟件包括：遙感圖像基礎(chǔ)處理軟件（PIE-Basic）、衛(wèi)星影像測繪處理軟件（PIEOrtho）、雷達(dá)影像數(shù)據(jù)處理軟件（PIE-SAR）、高光譜影像數(shù)據(jù)處理軟件（PIE-Hyp）、無人機影像數(shù)據(jù)處理軟件（PIE-UAV）、尺度集影像分析軟件（PIE-SIAS）、遙感圖像智能處理軟件（PIE-AI）、地理信息系統(tǒng)軟件（PIE-MAP），主界面如圖1所示。此外，還包括遙感云服務(wù)平臺PIE-Engine。

圖1 PIE 6.0版本主界面

PIE-Basic 主要面向國內(nèi)外主流的常規(guī)遙感載荷數(shù)據(jù)，實現(xiàn)輻射校正、幾何校正、波段運算、專題制圖等常見的遙感圖像處理基礎(chǔ)功能。PIE-Ortho 主要側(cè)重于控制點生成、影像自動匹配、聯(lián)合平差等衛(wèi)星影像幾何處理功能。PIESAR 主要提供相位提取、相干性計算、相位解纏、極化分解等合成孔徑雷達(dá)（synthetic aperture radar，SAR）數(shù)據(jù)常見的處理功能。PIE-Hyp 主要側(cè)重于光譜庫建立、光譜瀏覽、端元數(shù)目估算、端元提取、混合像元分解等高光譜影像數(shù)據(jù)常見的處理功能。PIE-UAV 支持多種框幅式數(shù)碼相機拍攝、任意航跡的無人機影像自動處理等。PIESIAS主要側(cè)重于尺度集分割、人工樣本選擇、自動樣本選擇等面向?qū)ο蠓诸愃璧墓δ?。PIE-AI主要支持基于深度學(xué)習(xí)的遙感影像自動化和智能化分類與目標(biāo)識別。PIE-MAP主要提供空間數(shù)據(jù)管理、查詢分析、地理標(biāo)繪、矢量編輯、二維及三維動態(tài)可視化等地理信息系統(tǒng)（geographic information system，GIS）數(shù)據(jù)處理功能。PIE-Engine 主要提供在線可編程的遙感圖像數(shù)據(jù)處理服務(wù)。

綜上所述，PIE 系列各個軟件面向的遙感數(shù)據(jù)、處理功能各有側(cè)重，優(yōu)勢互補，這為走進測繪類專業(yè)實踐教學(xué)課堂奠定了基礎(chǔ)。

2 教學(xué)應(yīng)用的必要性分析

在測繪類專業(yè)的遙感實踐課程中大量增加國產(chǎn)遙感軟件教學(xué)內(nèi)容是一種需要付出大量人力、物力、財力的教學(xué)改革。本文從維護國家地理信息安全、支持國產(chǎn)遙感衛(wèi)星事業(yè)發(fā)展、服務(wù)于課程思政教育這三個方面對國產(chǎn)遙感軟件教學(xué)應(yīng)用的必要性進行分析。

2.1 維護國家地理信息安全

國家地理信息安全是國家核心利益的基礎(chǔ)，事關(guān)國家的主權(quán)、安全和發(fā)展［24］。國外遙感軟件無法長期保障國民經(jīng)濟重要行業(yè)和事關(guān)國家安全的關(guān)鍵領(lǐng)域?qū)b感數(shù)據(jù)處理的需求，一旦國外軟件停止服務(wù)，將會造成一定時期內(nèi)無法有效處理遙感數(shù)據(jù)的尷尬局面。此外，遙感圖像處理軟件直接關(guān)系到遙感數(shù)據(jù)的信息安全，對一些國外軟件在線服務(wù)功能的使用，具有地理信息數(shù)據(jù)泄露的風(fēng)險。國產(chǎn)遙感軟件走入課堂教學(xué)有助于提升學(xué)生對國產(chǎn)軟件的操作技能，從長遠(yuǎn)來看，可以保證緊急情況下大量遙感數(shù)據(jù)能夠得到及時有效的處理，支撐國家各行業(yè)部門對遙感數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用需求，維護國家地理信息安全。

2.2 支持國產(chǎn)遙感衛(wèi)星事業(yè)發(fā)展

發(fā)展國產(chǎn)遙感衛(wèi)星是《國家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長期發(fā)展規(guī)劃（2015—2025 年）》的重要要求。經(jīng)過多年發(fā)展，先后建設(shè)了資源系列、測繪系列、環(huán)境減災(zāi)系列、高分專項系列、自然資源業(yè)務(wù)星座等民用陸地觀測衛(wèi)星，以及風(fēng)云系列、海洋系列等氣象和海洋衛(wèi)星，獲取了海量衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，為各行業(yè)社會建設(shè)作出了巨大貢獻(xiàn)［25-28］。然而，國產(chǎn)遙感衛(wèi)星事業(yè)的發(fā)展仍然需要繼續(xù)深挖現(xiàn)有海量數(shù)據(jù)的潛在應(yīng)用價值。對國產(chǎn)高分系列、資源系列、風(fēng)云系列等主流多源遙感影像數(shù)據(jù)兼容性和針對性處理，是PIE 國產(chǎn)遙感數(shù)據(jù)處理軟件相較于國外軟件的特色優(yōu)勢。國產(chǎn)遙感軟件走入課堂教學(xué)能夠促進學(xué)生更多地使用國產(chǎn)遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)，進一步發(fā)掘國產(chǎn)遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)在各行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用價值，支持國產(chǎn)遙感衛(wèi)星事業(yè)發(fā)展。

2.3 服務(wù)于思政教育

課程思政是將思想政治教育元素融入各門課程中去，對學(xué)生產(chǎn)生潛移默化的影響。2020年，教育部印發(fā)《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》，要求全面推進高校課程思政建設(shè)，發(fā)揮好每門課程的育人作用。專業(yè)基礎(chǔ)課是課程思政建設(shè)的難點［29］：如何發(fā)揮好遙感實踐類課程在課程思政建設(shè)中的作用是高校測繪類專業(yè)共同面臨的難題。2020年，美國政府發(fā)布了一系列關(guān)于GIS、物聯(lián)網(wǎng)（Internet of things，IoT）類、MATLAB 等軟件限制出口中國的條例。在此背景下，PIE國產(chǎn)遙感數(shù)據(jù)處理軟件（圖1）對標(biāo)國外一流的遙感軟件和遙感云服務(wù)平臺，掌握遙感軟件的國產(chǎn)完全自主知識產(chǎn)權(quán)，為在遙感實踐類課程中融入思政教育提供了很好的素材和切入點，有利于推進測繪類專業(yè)的課程思政教育發(fā)展。

3 教學(xué)應(yīng)用的適用性分析

3.1 知識覆蓋性

PIE 系列遙感軟件具有豐富而強大的圖像處理功能、高度的遙感/地理信息系統(tǒng)集成功能、先進的圖像處理技術(shù)以及面向廣闊應(yīng)用領(lǐng)域的產(chǎn)品模塊，功能涵蓋現(xiàn)有遙感相關(guān)課程的主要內(nèi)容，難、易知識點均充分考慮。以《遙感數(shù)字圖像處理》課程為例，PIE 系列遙感軟件覆蓋課程主干知識，針對課程主要內(nèi)容均有對應(yīng)的功能模塊，如表1所示。

表1 遙感數(shù)字圖像處理課程主要內(nèi)容及對應(yīng)的PIE軟件模塊

3.2 數(shù)據(jù)兼容性

PIE 系列遙感軟件不僅支持對不同數(shù)據(jù)類型（柵格數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)等）進行加載、顯示及處理，而且對資源系列、高分系列、環(huán)境系列、珠海系列等國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的兼容性處理是其軟件特色功能。針對不同載荷、不同傳感器獲取的影像數(shù)據(jù)開發(fā)了相應(yīng)的軟件包，幫助用戶快速、高效地提取有效信息。

3.3 人機交互性

PIE 系列遙感軟件采用微軟Ribbon 風(fēng)格，界面簡潔友好，學(xué)生在使用過程中可根據(jù)自身需要快速找到所需功能。同時，PIE 軟件配套了操作視頻和使用手冊幫助學(xué)生上手操作。

以PIE-Basic軟件【圖像增強】工具中【彩色空間正變換】功能為例。用戶只需將進行彩色變換的影像文件路徑添加到【輸入文件】，然后根據(jù)輸入影像數(shù)據(jù)波段信息選擇對應(yīng)的紅、綠、藍(lán)通道及輸出結(jié)果對應(yīng)的色調(diào)、飽和度、亮度通道，再將變換后的結(jié)果文件存儲路徑及文件名添加到【輸出文件】。最后，點擊【確定】即完成彩色空間的轉(zhuǎn)換。

與現(xiàn)有遙感影像處理軟件相比，PIE 軟件具有高度的靈活性和可擴展性，借助二次開發(fā)組件包，該工具支持插件式和組件式兩種開發(fā)方式，學(xué)生在使用過程中可充分發(fā)揮其主觀能動性，全面鍛煉其遙感開發(fā)及創(chuàng)新能力。

4 體驗式教學(xué)案例設(shè)計與常見問題

本文以遙感數(shù)字圖像處理課程中輻射校正為例，在體驗式教學(xué)創(chuàng)新理念的引導(dǎo)下，結(jié)合PIE系列遙感軟件設(shè)計了1 個典型的實踐教學(xué)案例，如表2所示。

表2 《遙感數(shù)字圖像處理》課程體驗式教學(xué)案例

中國礦業(yè)大學(xué)（北京）測繪類專業(yè)課程教學(xué)實踐表明，基于體驗式教學(xué)模式的PIE 系列遙感軟件應(yīng)用效果明顯。近五年，測繪類專業(yè)平均每5名學(xué)生發(fā)表1篇學(xué)術(shù)論文、獲得1項行業(yè)協(xié)會及以上級別的競賽獎勵。學(xué)生在課程實踐過程中，不僅夯實了遙感理論知識基礎(chǔ)，而且顯著提高了遙感圖像處理的動手實操能力，進而促進了大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃、畢業(yè)設(shè)計（論文）等培養(yǎng)環(huán)節(jié)的開展，形成了“新工科”背景下產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人的有效模式。

5 結(jié)束語

（1）在教學(xué)應(yīng)用的必要性方面。本文從維護國家地理信息安全、支持國產(chǎn)遙感衛(wèi)星事業(yè)發(fā)展、服務(wù)于課程思政教育三個方面分析了國產(chǎn)遙感軟件教學(xué)應(yīng)用的必要性。首先，從維護國家地理信息安全角度出發(fā)，將PIE 系列遙感軟件代替國外版權(quán)軟件作為課堂教學(xué)的一部分，有助于擺脫長期以來對國外版權(quán)軟件的依賴，有效避免地理數(shù)據(jù)處理過程中可能發(fā)生的信息泄露問題。其次，隨著我國遙感衛(wèi)星事業(yè)的快速發(fā)展，國外版權(quán)軟件對于國產(chǎn)遙感數(shù)據(jù)的兼容性還有待改善，PIE 系列遙感軟件針對我國高分系列、資源系列、風(fēng)云系列等主流遙感影像數(shù)據(jù)開發(fā)了相應(yīng)的功能模塊，為進一步發(fā)掘國產(chǎn)遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的應(yīng)用價值和支持國產(chǎn)遙感衛(wèi)星事業(yè)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。第三，從服務(wù)于課程思政教育的角度出發(fā)，PIE 系列遙感軟件符合國家課程思政建設(shè)的方向，為思政教育建設(shè)提供了很好的素材和切入點，有利于推進我國測繪類專業(yè)的課程思政教育發(fā)展。

（2）在教學(xué)應(yīng)用的適用性方面。作為國內(nèi)首款國產(chǎn)遙感軟件，PIE 在知識覆蓋面、數(shù)據(jù)兼容性、人機交互性三個方面展現(xiàn)其特色優(yōu)勢。在知識覆蓋方面，PIE 軟件功能覆蓋相關(guān)課程的主要內(nèi)容，服務(wù)于課程實踐及相關(guān)科研活動。在數(shù)據(jù)兼容性方面，PIE 支持多種數(shù)據(jù)文件類型，并針對國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)做了兼容性處理，開發(fā)了專門的數(shù)據(jù)處理模塊。在人機交互性方面，PIE 界面簡潔，符合大眾審美，易于學(xué)生上手操作。此外，二次開發(fā)組件包為學(xué)生提供了良好的開發(fā)環(huán)境，便于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、提高學(xué)生遙感開發(fā)和創(chuàng)新能力。

（3）未來展望。PIE 從1.0 發(fā)展到6.0 版本，功能模塊不斷豐富完善，性能指標(biāo)不斷提升，但還存在一些需要改進的地方。例如，PIE-Basic軟件（6.0 版本）在線地圖數(shù)據(jù)加載偶爾不夠流暢，有待進一步改善。同時，軟件在用戶數(shù)量、品牌影響力等方面均有待提升。此外，PIE 國產(chǎn)遙感軟件在教學(xué)中的應(yīng)用還需進一步探討研究，盡管已有PIE 軟件相關(guān)的實踐教材出版，但只有少數(shù)高校將其列入教學(xué)指定教材展開應(yīng)用。對于高校而言，需要結(jié)合PIE 系列遙感軟件特點，制定適合相關(guān)專業(yè)學(xué)生的標(biāo)準(zhǔn)化教案和教學(xué)視頻，推進國產(chǎn)遙感軟件在測繪類專業(yè)實踐教學(xué)中的應(yīng)用。