对“遥感技术在区域地理研究中的应用”一课有效教学的思考与实践**

宋 波 林 琳

（北京市京源学校, 北京 100040）

对“遥感技术在区域地理研究中的应用”一课有效教学的思考与实践**

宋 波 林 琳

（北京市京源学校, 北京 100040）

地理科学的迅速发展和地理信息技术的广泛应用，都对高中地理课程改革提出了富有挑战性的新课题。本文基于作者对无人机低空摄影测量和地理信息技术应用方面的实践研究，为广大教师提供一种新的教学思路，探讨地理信息技术应用这部分内容的有效教学。

地理信息技术；无人机；遥感；实践

地球是人类赖以生存的家园，由于其地域空间的广阔性和地理事物本身的复杂性，我们对这一美丽而又多变的家园一直难以形成全面准确的认识，此外与日俱增的资源与环境问题促使人们试图从全球的视角理解人类生存环境的变化以及这种变化对人类发展的影响。随着空间技术、信息技术的迅猛发展，人类获取地理空间信息的能力得到了极大的提高，深刻认识到了全球变化在不同时间尺度、空间尺度上的复杂性，信息高速公路的架设、地球空间信息学的产生、数字地球概念的提出为遥感学科的发展提供了坚实基础。

地理科学的迅速发展和地理信息技术的广泛应用，都对高中地理课程改革提出了富有挑战性的新课题。我们这里所说的地理信息技术，并不是通常讲的信息技术，它是地球系统科学、空间技术和信息科学等交叉融合的产物，地理信息系统与遥感、全球定位系统、计算机相结合，具有对时空信息的综合处理能力、对现实世界的模拟能力，并能产生和发现新的信息，为区域开发和宏观决策服务。

笔者从工作以来一直致力于无人机低空摄影测量和地理信息技术应用的研究，在实践过程中积累了大量教学素材和经验，所以想结合自己的研究和教学成果，提供一种新的教学思路，来探讨一下地理信息技术应用这部分内容的有效教学。

一、教学内容的选择

关于地理信息技术这一部分内容，《全日制普通高中地理新课程标准》（以下简称“课标”）的要求是“了解其在资源普查、环境和灾害监测、定位导航、城市管理等方面的应用”，并且在与之配套的《走进新课程丛书：普通高中地理课程标准（实验）解读》（以下简称“课标解读”）中明确说明“不要求了解其技术原理”。但是，在各种类型的考试中又常会涉及原理方面的内容，那到底讲不讲原理呢？笔者的看法是，地理信息技术它首先是一项技术，是我们研究地理科学的工具，而且是一种先进的工具，所以课标要求要了解它。课标还要求“初步学会通过多种途径、运用多种手段收集地理信息，尝试运用所学的地理知识和技能对地理信息进行整理、分析，并把地理信息运用于地理学习过程。”这样看来地理信息的分析处理怎能不学点地理信息技术呢？（新一轮的课标修订也更加突出地理信息技术的地位。）那么作为一项技术来讲，肯定得教学生怎么更好地认识、使用这项技术。想要更好地去使用这项技术，不知道其中的基本原理肯定是不行的。比如对于生物学中的显微镜，不知道其中凹凸镜的原理，恐怕在显微镜的使用中是会有问题的。当然不知道原理也可以应用，按部就班地操作就是，但那样就不是我们基础教育的意义所在了，变成了技工培训。所以，对于课标中地理信息技术应用的这个“了解”是应该包含了解原理这个层次的。

另一方面，从认识论的角度来讲，学生的学习过程实际上是一个认识过程，但学生的认识过程跟一般的认识过程相比又有着明显不同，其特殊性主要表现为极大的浓缩性，即人类经过漫长的认识过程获得的真理，学生往往只有一节课甚至更短的时间来获得。然而，学

生的认识过程无论怎么浓缩，怎么特殊，总离不开认识过程基本规律的支配，离不开实践这个基点。从这样的认识出发，笔者便准备通过动手实践的方式来开展这部分内容的教学。从技术层面上讲，学生去地理实验室完整或者部分实践这项技术的过程是必要的。当然，通过动手操作实践的方式来学习这一部分，并不是现在就要求学生一定要掌握这种技术，更不是要把学生培养成一个技术专家，而是通过实践来更好地“了解”这项技术的应用，让学生意识到在实际的探索研究过程中，有通过这种技术解决问题的可能性。

再具体到“遥感技术在区域地理研究中的应用”这节课的教学，课标要求“结合实例，了解遥感（RS）在资源普查、环境和灾害监测中的应用。”实践对象的选择上，基于“紧密联系生活实际”又“关注全球问题”的原则，从学生最熟悉的学校环境出发学习遥感的操作、原理、方法，以小见大，推至全球视角理解人类生存环境的变化，思考人类活动与地理环境的相互关系。

目前高中地理教材有4个版本，基于对课标的不同理解，在地理信息技术部分的处理和编写上各有各的角度。本节内容的章节在不同版本教材的体系中存在明显不同，在教学内容选取上也有不同。综合考虑，采众家之长，直接从整体把握高中地理教学的角度，从“地理事实”、“过程原理”、“核心概念”三个维度来组织教学。

1、结合实例，了解遥感在资源普查、环境和灾害监测中的应用。（地理事实）

2、了解遥感技术的光谱学原理，选取特定波段和波段组合，并简单应用。（过程原理）

3、通过不同的手段了解、研究地球，是为了让人地关系更和谐。（核心概念）

二、学情分析

高二学生具备一定的分析能力，但是分析和逻辑思维能力有限。

遥感原理是基础，逻辑性比较强，而且还涉及到其他学科的内容，对他们有一定难度。

遥感技术对他们而言是一个新兴事物，应该充分发挥好奇心，激发学习兴趣。

三、重难点分析

重点：遥感技术（RS）在土地利用类型调查中的应用，尤其是植被覆盖调查中的应用，但是应用又不仅限于此，通过相同的原理引入其他方面的应用。

难点：通过介绍遥感技术的光谱学原理，引导学生提出解决问题的思路。原理是基础，需要一定的逻辑推理能力，还涉及到其他学科的内容，所以对学生有一定难度。

四、教学方法

任务驱动式教学法。任务驱动教学本质上应是通过“任务”来诱发、加强和维持学习者的成就动机。成就动机是学生学习和完成任务的真正动力系统。任务作为学习的桥梁，“驱动”学生完成任务的不是老师也不是“任务”，而是学习者本身，更进一步说是学习者的成就动机。地理信息技术这一主题操作性强，适合使用任务驱动教学。

五、教学过程

教学环节教师活动学生活动设计意图1、故事导入据新闻报道，在全国土地利用类型遥感调查的过程中，有地方官员用绿色塑料膜覆盖裸地，以裸地冒充林地草地，企图瞒天过海，结果被调查人员轻松识破，丝毫没有影响调查结果，这位官员反而受到了处罚。那么调查人员是利用了什么技术识破了这种瞒天过海的伎俩呢？今天我们就以大家最熟悉的咱们学校足球场塑料草坪为例，来了解一下遥感技术怎样识破这种伎俩，并学习遥感在区域地理研究中的应用。思考提出问题激发兴趣2、遥感概念流程什么是遥感？相当于高空拍照，其目的是获取地物信息。将“拍摄”到的地物信息传输回地面系统，根据不同的应用目的对这些信息作分析处理，最后制作成专业图件，这就是遥感的一般工作流程。从数千米高空拍照，能用普通相机吗？不能，需要用各种不同的传感器。而且传感器还得在高空，哪些设备可以把传感器搭载到高空？气球、飞艇、飞机、卫星等。按照高度可分成航空遥感和航天遥感两类。感知方式可以是拍摄或者扫描。听讲了解遥感的一般工作流程2．1、遥感电磁基础遥感就是遥远的感知，是不直接接触目标物的，在高空通过什么来感知呢？要借助于一种媒介来进行感知，这种媒介就是电磁波。不同类型传感器接收的电磁波都哪儿来的呢？有的是地物自身发出的，有的是传感器主动发出经地物反射回来的，还有的是地物反射太阳辐射的。对于遥感来说，电磁波很重要啊，那什么是电磁波呢？读图思考了解遥感的电磁波基础

图1 A黑体辐射曲线 B大气效应[1]（展示黑体辐射曲线图A）根据黑体辐射理论，凡是温度高于绝对零度的物体，都会向外放出电磁波，且温度越高，波长就越短；温度越低，波长就越长。也就是说电磁波可分为很多不同的波段。但并不是所有的电磁波波段都能用于遥感，为什么呢？（展示大气效应图B）大家都知道，大气对电磁波有吸收、反射、散射效应，最后能够透过大气的电磁波就只有图中这些透射系数较大的波段了，这些波段不容易受到大气影响，叫“大气窗口”。那你能说出遥感一般用哪些波长的电磁波吗？紫外线、可见光、红外线、微波等。对不同类型物体的识别还要选择不同的波段，根据什么原则选呢？比如要识别森林、裸地、水体，就得用到这样的图了。图2 不同地物的光谱反射曲线图[1]（展示不同地物的光谱反射曲线图）横坐标是反射不同电磁波的波长，纵坐标是对不同波长的反射率，曲线反应的是水体、绿色植被、裸地对不同波长反射率的高低。一般来说，地物对某一波段电磁波的反射率与其他地物相比差异越大，就越能区分地物。如果想调查植被选择什么波段呢？选反射率最高的波段。绿色植被对哪个波段的反射率最高？波长是多少？那裸地呢？近红外线，0．7～1．3微米，差不多。有没有发现植被和裸地有一段非常接近？哪一段？0．9～1．3。选择这一段会出现什么后果啊？那怎么办？没法区分，需要剔除。所以要识别植被应该用哪一段？近红外波段。如果要识别水体用哪一段？为什么？如果要同时区分植被和水体怎么办？两个波段组合起来用。2．2、真假彩色图像既然大家选近红外波段来识别植被，那我们来看看这个波段的图像。图3 单红外波段灰度图像和真彩色图像观察思考了解真彩色图像、假彩色图像，及其应用

[1] 谭木高考复习研究室． 新课标高中地理图文详解指导地图册[M]． 山东:山东省地图出版社 ,2015．

（展示灰度图像）结果是一张灰度图，上面白的可能是什么？黑的呢？植被，水体。这样的图能识别绿色植被吗？怎么办？不能。（展示彩色图像）这张图好识别吗？为什么？好识别了。因为它是彩色的，人眼分辨不同彩色的能力比分辨不同灰度级的能力强。所以我们总是希望得到彩色遥感图像。但彩色图像不是一个波段，而是用三个波段的灰度图像合成的。这幅图像怎么合成的呢？红光、绿光、蓝光三个波段分别用红、绿、蓝三种颜色显示，就和人眼看到的效果一样，绿色植被看起来是绿色的，比较真实，叫真彩色合成。图4 真假彩色合成用遥感软件合成假彩色图像但有的波段自身没有颜色啊，比如刚才大家想用来识别植被的近红外波段（NIR）。怎么办？这时就需要人为给这些波段赋予不同的颜色，这样的颜色是不真实的，把这样合成的彩色图像称为假彩色图像。通常情况下，如果我们把红、绿、蓝三个通道分别用近红外、红、绿合成，就得到了一张标准假彩色图像。这样合成的图像植被会是什么颜色呢？动手试试吧！（打开桌面上的笔记本电脑……）下面我们就用遥感软件来亲自动手合成一下。遥感软件：开始——所有程序——ENVI 5．1——ENVI大家电脑里是一份北京地区的分波段接收遥感数据，由美国航空航天局（NASA）Landsat-8卫星于2014-09-04获取。遥感数据：打开文件“D:BeijingBeijing．hdr”。原始数据一共有11个波段，今天只使用其中4个波段，分别是：波段2-蓝，波长（微米）0．45-0．51；波段3-绿，波长（微米）0．53-0．59；波段4-红，波长（微米）0．64-0．67；波段5-近红，波长（微米）0．85-0．88。目前显示的是什么彩色的图像？真彩色。所以真彩色合成一般也叫432合成。红绿蓝分别用什么波段表示的？红光，绿光，蓝光。打开数据管理器，改变一下组合吧……下面要大家合成标准假彩色图像，想一想标准假彩色图像怎么合成？所以假彩色合成一般说543合成。标准假彩色影像里咱们熟悉的绿色植被变成什么颜色了？蓝绿色的水体变成什么颜色了？为什么？红色。深蓝色。绿色植被对近红外波段的反射率高，而近红外波段用红色表示。图5 真彩色图像和假彩色图像其实，假彩色合成识别地物的例子还有很多，比如：7,6,4——假彩色合成，可用于城市监测；5,6,4——假彩色合成，能有效区分陆地和水体；6,5,2——假彩色合成，常用于农作物监测；7,5,2——假彩色合成，能监测森林火灾。图6 假彩色合成图像（左上7,6,4；右上5,6,4；左下6,5,2；右下7,5,2）

在实际分析中，可以通过尝试，发现某个波段或者组合对于所做的区域效果明显，那么这个波段或者波段组合方式就是适合的。2．3、遥感图像解译通过解译遥感图像判断草坪真假刚才咱们看了个大概，下面以大家最熟悉的学校操场来验证一下。首先，你能在真彩色图像中找到咱们学校的位置吗？有难度。用学校周边主干道的相对位置能找到吗？行，西五环和莲石路交汇处。那好，给大家提供一个北京市快速路网作参照。打开文件“D:Beijing快速路快速路．shp”，在遥感图像上添加一个北京市快速路的图层。找到学校的位置了吧，看看足球场，真假彩色图像切换一下。咱们足球场在真彩色图像中什么颜色？绿色。在假彩色图像中呢？灰色。如果是真草坪，假彩色图像中应该是什么颜色？红色。咱们学校的假草皮在真彩色图像中还能以假乱真，在假彩色图像中就暴露无遗了。现在知道为什么调查人员能识破地方官员作假了吧。我们再来看看区体育馆足球场草坪的真假。真彩色图像中绿色，假彩色图像中红色，所以区体育馆足球场草坪是真草坪。在实际工作中，研究人员往往会在遥感图像中解译出不同类型的地物，并制作成专题地图以供研究使用，比如这幅北京市2010年地表覆盖图。应用遥感技术识别植被图7 北京2010年地表覆盖其实遥感技术不光能识别地物，还能统计某种地物的面积。比如这幅北京市2010年地表覆盖图中水体209 km2，湿地23 km2，人造地表2736km2，草地2731 km2，裸地2km2，耕地7908km2，灌木地9 km2，森林10277 km2。怎么统计出面积的呢？每幅遥感图像都有自己的空间分辨率，而且分辨率越高图像越清晰。比如，这幅图像的空间分辨率是15m，也就是说图上一个像素代表实地15m×15m的面积。（把一幅图像不断放大就能看见像素了）能统计出咱们学校假草皮的面积了吧？数点！试试！告诉我你的结果。标准足球场的面积应该是7140平方千米啊，误差够大的吧？这种误差是什么原因造成的？分辨率太小。为什么分辨率小？太远了。这已经是能够免费获得的最高分辨率卫星影像了！对于咱们学校操场这样的超小区域研究，用卫星航天遥感能满足要求吗？那怎么办？这就得靠它了！（展示飞行器）学校有专门获取地面信息的实验室，这是天眼航模社同学花了将近一年时间设计、组装的六旋翼无人机。（展示视频、图像）这是他们前段时间试飞的成果（见图8）。数点统计假草皮面积了解遥感图像中面积的统计原理

2．4、遥感时空尺度图8 学生自制飞行器和航空摄影测量图像相比卫星航天遥感的图像，无人机航空遥感的比例尺大多了，能轻松达到厘米级空间分辨率。现在你能再计算一下操场的面积吗？数点数不过来了吧！当然，空间分辨率越高精度会越高，像素也会越多，单纯依靠数点统计，令人崩溃，这时就要借助计算机系统强大的自动处理功能了。虽说用无人机研究学校比较好，但是如果要研究石景山、北京市、全国甚至全世界的植被覆盖情况，我们的无人机能满足要求吗？不能。所以在实际工作中大区域的研究用卫星航天遥感，小区域的研究用飞机航空遥感，他们是互为补充的。其实，遥感能做的事情远不止这些，如果动态来看，这项技术的意义更大。（就像数字星球正在演示的一样）1972年Landsat系列第一颗卫星发射升空，40多年来Landsat系列卫星每16天就会扫描地球一遍，像人类的天眼一样在太空中俯瞰着这颗蓝色星球，获取了大量地表数据。（播放视频地球资源卫星观测地球40年变迁）通过这些数据我们能够洞察城市的变迁、农业的发展、雨林的缩减……图9 巴西朗多尼亚州杰莫里河上塞缪尔水坝的地球资源卫星照片。左图是1984年情景，右图是2011年情景。也许只有从上帝的视角，人类才会被雨林的破坏程度所震撼，提高对地理环境的认识，随着认识程度的加深，反思人类可以多大程度改变地球的面貌，重新思考人地关系。思考遥感监测中的时空尺度（展示全球30米地表覆盖）网址：http://www．globeland30．org/Chinese/GLC30Download/index．aspx为了研究这种全球的变化，我国科学家利用这些数据历时四年，研制了全球30米分辨率的地表覆盖信息平台，并且作为中国赠与联合国气候峰会的礼物，分享给全人类使用。不同类型覆盖可以分类提取，并精确计算出面积，告诉你哪个地区地表水最丰富，哪个地方的森林覆盖率最高，哪里的耕地最多。不仅如此，通过2000年和2010年两个年份数据的对比，你将看到世界每个角落这十年的变迁。

* 本文系北京市教育科学“十三五”规划2016年度青年专项课题“中学跨学科教学实践基地的开发研究——以八大处及其附近地区为例”（课题编号：CCDA16115）的研究性成果。