面向角色—能力培养的遥感数字图像处理实践教学探索*

◆高伟　李欣　王红平

面向角色—能力培养的遥感数字图像处理实践教学探索*

◆高伟李欣王红平

通过分析遥感科学与技术专业本科毕业生不同角色类型专业能力培养的社会需求，探讨如何开展角色—能力主导的遥感数字图像处理课程实践教学，并基于开源软件设计实现教学实验软件。实际教学表明，该模式可以针对学生的特点和角色类型实现分层次多目标教学，有助于面向社会需求的专业人才培养。

遥感科学与技术；遥感数字图像处理；角色—能力培养；教学软件

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.16.144

1　背景

遥感作为一门新兴学科，近年来在国家政策的支持下以及行业发展的需求驱动下，步入了快速发展的阶段，社会对于遥感专业人才的需求也日益增大。近年来国内诸多高校都加大了遥感类专业课程在地理信息系统、测绘、地理、环境相关专业中的比重，截至2015年底，全国共有32所本科院校单独开设了遥感科学与技术这一专业［1］。

作为一门综合性学科，遥感专业毕业生除了应掌握遥感科学、地理信息系统及计算机科学的基础理论和知识外，还应具备程序开发、软件操作以及仪器使用等实践技能［2］。武汉大学、中南大学以及中国地质大学（武汉）等高校，在其遥感专业培养方案中都安排了相当时间的实践教学环节［3-5］。但目前遥感专业类课程实践教学效果并不尽如人意，主要表现在以下几个方面。

1）缺乏分层次教学。目前实践教学多以软件操作和仪器操作为主［6］，无法满足研究开发等不同类型人才培养的需要。

2）算法类教学实践不足。遥感专业课程学习中存在大量的经典算法，由于缺乏示例代码，学生对这些知识点的理解仅能停留在理论和基本操作上，难以对其有深入的认识和理解。

3）实践内容分散。目前实践教学多采用商业软件，受限于商业软件的架构设计，教学知识点分散在软件的各个模块中，容易造成学生对知识理解的碎片化。如何进一步增强遥感专业实践教学的效果，培养满足社会需求的遥感专业人才，成为专业教师十分关注的问题。

本文通过分析社会对不同类型遥感专业人才能力培养的要求，以遥感专业基础课遥感数字图像处理课程为例，探讨面向角色—能力培养的实践教学模式，开展教学实验软件的设计与实现，并分析其在实践教学中的应用模式。

2　面向社会需求的遥感专业人才角色—能力分析

通过对用人单位和往届毕业生走访调研以及结合工程类专业认证及社会对不同角色类型的能力需求分析［7］，目前遥感专业毕业生的就业类型主要分为科研型、设计型和应用型三类角色。其中，科研型人才大多从事基础理论研究，准备今后继续深造；设计型人才主要从事遥感软件的设计；而应用型人才则主要从事遥感数据的生产和处理等相关工作。从能力角度上讲，这些人才除了应具备自主学习、交流合作、组织管理和创新等基本能力外，还应根据就业岗位的不同，分别掌握程序开发、软件操作以及仪器使用等技能。具体如表1所示。

而人才角色的不同对于各项能力培养的要求又会有所不同。表2以程序研发能力为例，详细说明了三种人才类型在程序研发方面培养的侧重点不同。例如：应用型人才应具备使用软件解决实际问题等高级操作能力，但只需要掌握基本的程序设计能力；而科研型人才则应具备系统设计、项目开发等高级的程序设计能力，但只需具备一般的软件操作能力。

由于不同角色类型应具备的能力不同，所以在教学过程中需要针对不同的角色类型进行分层次教学。通过细分遥感专业实验课程的知识点，优化重组并制订相应的专业培养方案，来确定不同角色类型应学习的知识模块及相应的实践环节。

表1　遥感专业学生需培养的能力表

表2　程序研发不同角色的能力需求表

表3　教学实践软件结构分析表

3　面向角色—能力培养的遥感数字图像处理实验软件设计

需求分析目前遥感教学实验中大多采用的是商业软件，封装性好，功能丰富，但同时也容易造成有限的实践教学时间大部分花在熟悉软件结构、实习多停留在软件操作上等问题。要能满足依据不同角色的能力需求开展实践教学，教学实验软件应具备以下特点。

1）要贴近教学的重难点。遥感课程涉及的知识点多且复杂［8］，需要对遥感数字图像基本处理、遥感图像校正、遥感影像增强、遥感影像滤波、遥感影像分类以及遥感影像变化检测等主要教学知识点有效覆盖，而且最好能够按照教学的要求对各知识点进行集中展示；而商业软件多按照功能模块进行封装，与课程教学的顺序难以吻合。

2）可多层次展现知识点。对于各知识点可根据学生能力培养类型开展分层次教学，如对于算法类知识点，既可以进行软件操作，又可以进行算法层面的分析与提高；而商业软件则很难将源代码乃至算法原理提供给用户。

3）具备较强的扩展性。随着遥感技术的发展，在教学过程中可能需要引入新知识，对此教学实验软件需要提供简便的方式进行功能点扩展，同时也可以为学生提供一个算法设计实践的有效框架。

软件设计与实现根据需求分析，通过对国内外各类遥感软件进行分析比较，确定采用开源平台QGIS构建教学实验软件。QGIS是目前国内外较为活跃的一套开源空间信息软件平台，具备较为丰富的GIS、遥感分析功能［9］。同时，QGIS采取插件式框架结构，提供了C++、Python等多种二次开发接口以及流程化处理框架，便于进行功能的扩展［10］。

在遥感图像处理教学实验软件的设计上遵循多层次分目标教学的思路，依照巩固基础知识、单一功能实现以及综合能力培养（见表3）三个层次的教学目标进行功能层的设计。

在遥感基本知识巩固层面，主要通过文本连接、图片的形式，演示介绍各个知识点的应用目的、基础理论及重要概念、算法模型，同时对于USGS、GLCF、NASA等在线遥感数据资源链接进行集成。在单一功能训练方面，通过对开发平台QGIS中相关功能点进行验证、中文化改造，按照教学章节的安排进行分类，以工具箱的模式进行集中展示，如图1所示（附总体界面图）。同时对于对应的遥感算法源代码进行整理归纳，形成可以编译的版本供用户调试及进行深层次算法级学习。在综合能力训练方面，软件利用QGIS中的Processing（SEXTANTE）插件功能，提供流程化的功能搭建工具。同时也利用QGIS现有机制提供C++、Python二次开发接口，用户可以直接调用软件相关基础功能，自主实现遥感算法的分析功能。

表4　人才类型与软件功能实现表

图1　教学软件工具箱示意图

4　面向角色—能力培养的遥感数字图像处理实践教学探索

在遥感数字图像处理课程实验教学中，依据不同目标角色类型学生应具备的能力（如表4所示），可以开展针对性的教学。

对于应用型学生，重点是对处理软件灵活运用的掌握，能够综合运用软件分析解决实际问题。在实践过程中可以重点学习掌握影像预处理（拆开）、影像分类等功能的操作方法；同时了解掌握基本的程序设计技能，可以通过软件的Python接口的扩展实现综合功能的编写。

对于科研型学生，需要掌握一定的算法分析与设计能力，在了解的基础上编写算法程序解决实际问题。教授他们数据库、C语言等知识，通过教学实践软件的算法编程部分，对复杂的算法原理如滤波算法、梯度算法等进行语言实现，加深对遥感课程中复杂算法的理解；在软件操作方面则需要掌握遥感软件的基本知识和各项功能分析方法，能够使用软件进行基本的数据存取和格式转换等操作，完成不同的分析功能。

对于设计型学生，需要掌握的编程能力要高一些，要具备二次开发能力和一定的项目开发经验，教师可以指导这部分学生在熟练操作的基础上对教学软件进行二次开发，包括对遥感图像增强算法、融合算法的二次开发等。教师提出一种算法思路，学生根据要实现的算法功能进行自主设计，从而进一步锻炼学生的项目开发能力；而对于实践操作这一方面要求不需要很高，只需具备一般的软件操作能力，如能够独立使用软件完成不同的专业分析功能等。

5　总结与分析

近年来，随着遥感技术的不断发展，社会对遥感人才的需求随之明显增长，这种需求不仅在数量上，而且体现在人才素质方面。本文依据社会需求探讨了开展面向角色—能力培养的遥感专业课程教学实践方法，并依据教学需求设计实现了遥感数字图像处理教学实践软件。该实验软件不仅提高了学生的学习兴趣，也提升了教学质量，在实际教学过程中取得良好的效果。

由于遥感相关领域的发展非常迅速，原有的知识结构也发生巨大的变化，因此，遥感数字图像处理实践教学软件也需要不断更新调整算法功能点，教学模式也会随之相应变化。只有不断更新教学软件、教学思想和实践模式，才能使课程教学与研究方向的最新进展同步，进一步提高教学实践效果。

［1］根据专业找大学［EB/OL］.http：//gkcx.eol.cn/soudaxue/que rySchoolSpecialty.html？page=1.

［2］王红平，高伟，陈启浩.《遥感数字图像处理》教学模式探索与实践［EB/OL］.［2012-08-01］.http：//miit.ccidnet.com/ art/40211/20120801/4114117_1.html.

［3］中国地质大学（武汉）遥感科学与技术培养方案［EB/ OL］.http：//xgxy.cug.edu.cn/？page_id=938.

［4］武汉大学遥感科学与技术培养方案［EB/OL］.http：//rsgis. whu.edu.cn/index.php？m=content&c=index&a=show&catid=14 2&id=5368.

［5］中南大学遥感科学与技术培养方案［EB/OL］.http：//202. 197.61.12/peiyang/main/html/2013/11/20131101235506-1.htm.

［6］郭碧云，刘光哲，吴仁豪.遥感课程实践教学方法探索［J］.管理观察，2015（26）：134-136.

［7］徐小军.面向用人单位的《遥感原理与应用》实践课教学质量提升［J］.科技资讯，2015（26）：147-148.

［8］孙家柄，倪玲，周军其，等.遥感原理与应用［M］.武汉：武汉大学出版社，2003.

［9］熊伟，陈荦，吴秋云，等.在空间数据库课程中采用开源软件实验的教学实践［J］.地理信息世界，2015，22（1）：73-76.

［10］Petras V， Petrasova A， Harmon B， et al. Integrating Free and Open Source Solutions into Geospatial Science Education［J］.ISPRS International Journal of Geo-Information，2015，4（2）：942-956.

Exploring Teaching Practice of Remote Sensing Digital Image Processing for Role-ability Training

//GAO Wei， LI Xin， WANG Hongping

Through the analyst is of training requirements in diff erent role type ability for students who graduated from Remote Sensing Science and Technology. Designing the remote sensing image processing software that leaded by role-ability. And constructing the teaching experimental software based on open source software QGIS. The teaching practice shows that the software can be realized the role of type hierarchical multi-objective teaching according to the characteristics of the students. And it is contribute to meet the need of the society of professional personnel training.

remote sensing science and technology； remote sensing digital image processing； role-ability training； teaching software

G642.0

B

1671-489X（2016）16-0144-04

*项目支持：中国地质大学（武汉）实验技术研究项目“遥感数字图像处理实验教学软件”。

作者：高伟，中国地质大学（武汉）信息工程学院副教授、硕士生导师，研究方向为遥感信息分析与应用；李欣，中国地质大学（武汉）信息工程学院资源与环境遥感专业硕士研究生，；王红平，中国地质大学（武汉）信息工程学院讲师，主要从事遥感图像处理教学与科研工作（430074）。