开源软件辅助下“微波遥感”实践教学改革与探索

王志勇

(1. 山东科技大学测绘科学与工程学院，山东 青岛 266590;2. 山东科技大学测绘工程国家级实验教学示范中心，山东 青岛 266590)

开源软件辅助下“微波遥感”实践教学改革与探索

王志勇1,2

(1. 山东科技大学测绘科学与工程学院，山东 青岛 266590;2. 山东科技大学测绘工程国家级实验教学示范中心，山东 青岛 266590)

针对“微波遥感”教学中存在的学生动手能力差、实践能力培养欠缺等问题，探索利用开源软件进行实践教学辅助的教学改革。分析了开源软件在实验教学中的优缺点，介绍了微波遥感中常用的开源软件及主要功能。在此基础上，构建了一套开源软件辅助下的“微波遥感”实践教学项目，建立了标准实验数据集，编写了实验指导材料，并通过百度云盘等方式实现了网络共享。通过教学改革，拓展了学生的实践教学途径，提高了学生的实践动手能力及微波遥感数据处理能力。

微波遥感；实践教学；开源软件；教学改革

微波遥感是遥感科学技术的一个重要分支，主要利用微波传感器接收地面各种地物反射或散射的微波信号，借以识别、分析地物，提取所需的信息[1]。微波传感器主要包括合成孔径雷达(SAR)、散射计、高度计、辐射计等。由于微波遥感的全天候、全天时等优势，已经在测绘、农业、林业、海洋等领域得到了广泛应用[1]。

为了培养高素质的微波遥感领域人才，目前国内多所高校在遥感科学与技术本科专业开设了“微波遥感”课程[2- 4]，但在“微波遥感”的实践教学中还存在很多问题：

(1) 没有专门的商业软件系统。微波遥感发展迅速，近年来虽然也推出了一些商业软件，如GAMMA、Earthview InSAR、SARScape等，但这些软件价格比较昂贵，并且主要是为了满足某一方面的需求而研发的，软件功能有一定的局限，还没有专门服务于“微波遥感”实践教学的商业软件。

(2) 经费投入不足。学生数量较多，一般需要70～80套软件才能满足正常的实践教学需求，而目前本科教学中普遍存在教学经费不足的问题。

(3) 缺少针对性训练，学生动手能力差。目前，在“微波遥感”教学中一般是安排36学时的课堂教学，缺少专门的、针对性的实验教学，致使学生的动手能力普遍较差，对“微波遥感”的基本理论理解得也不够深入。而“微波遥感”是一门实践性和应用性都很强的学科[2]，必须加强“微波遥感”实践环节的教学，使实践环节与课堂理论教学紧密联系起来，切实提高学生的动手实践能力及创新能力。

(4) 编程开发能力较差，创新能力培养欠缺。虽然面向遥感科学与技术的本科生开设了多门程序设计的课程，但从目前的教学中发现，学生的编程开发能力普遍较差，对“微波遥感”中的一些关键算法难以编程实现，这主要是缺少专门的专业编程训练所致。

针对以上问题，在分析“微波遥感”实践教学中存在问题的基础上，以“微波遥感”课程的实验教学为例，提出基于开源软件辅助的实践教学，构建基于开源软件的实践教学项目，拓宽学生课下自主进行实验实践的渠道，进而提高学生的实践动手能力、综合分析问题能力、科学研究能力和创新意识。

1 开源软件及优势

虽然针对SAR数据处理推出了商业软件，如GAMMA、Earthview InSAR等[11]，但更多的研究人员在使用开源软件，开源软件在科学研究及实验教学中都有不可替代的地位。

1.1 什么是开源软件

开源软件指的是开放源代码(open source)的软件，其源代码可被公众使用，并且软件的使用、修改和分发也不受许可证的限制[5- 6]。即源代码公开、可以免费使用及扩充的软件。开源软件一般在Unix/Linux操作系统下运行得比较多，最初大多是在Linux操作系统上开发的，后来有一些也移植到Windows操作系统下。

1.2 开源软件的优势及劣势

免费是开源软件的最大优势，这正好可以弥补在实践教学中经费投入不足的问题，可以方便学生学习使用。另外一个比较大的优势是可以方便地扩展功能，由于软件的源代码已经开放共享，学生可以在这个基础上进行进一步的开发设计，扩充一些数据处理功能。

但是因其是由非营利性组织或个人开发的，难免会存在一些问题，如软件系统存在稳定性差、没有免费的技术支持、缺少相应的技术指导材料等，这就需要对开源软件进行深入研究，解决软件运行中存在的问题，建立专门的指导材料及使用说明等。

1.3 微波遥感中主要的开源软件

在微波遥感数据处理中，科研人员针对某一方面的研究及应用推出了一系列的开源软件，如欧空局研发的NEST、荷兰代夫特大学研发的Doris等，表1列出了一些微波遥感数据处理中常用的开源软件。

表1 常用的微波遥感数据处理的开源软件

2 开源软件主要功能介绍

2.1 Doris软件

Doris软件是荷兰代夫特大学radar小组开发的一款专门用于雷达干涉测量处理的开源软件，能完成从原始SAR复影像读取、配准、重采样、干涉图生成、去平地效应、相位解缠(需借助SNAPHU开源软件)、地理编码等功能，能满足InSAR数据处理的需要，目前可支持的星载SAR传感器有：ERS- 1/2、ASAR、PALSAR、TerraSAR等。该软件只能运行在Linux环境下，建议使用者安装双操作系统(Windows+Linux)或工作在Cygwin下，Cygwin是一个在Windows平台上运行的类Unix模拟环境。

Doris软件的官方下载网址为：http:∥doris.tudelft.nl/。

2.2 NEST软件

NEST软件是 Next ESA SAR Toolbox的简写，是欧空局基于GUN GPL协议发布的一款用于SAR数据的读取、处理、分析与显示的开源软件[12]，主要功能包括辐射校正、斑点噪声滤除、多视处理、配准、几何校正、雷达干涉测量数据处理、溢油监测、风速场反演等，目前可支持的星载SAR传感器有：ERS- 1/2、JERS- 1、ENVISAT ASAR、ALOS PALSAR、TerraSAR- X、 Radarsat 1/2、 COSMO- SkyMed、Sentinel- 1A等。

NEST软件的官方下载网址为：https:∥earth.esa.int/web/nest/home。

2.3 PolSARPro软件

PolSARPro软件是The Polarimetric SAR Data Processing and Educational Tool的简写，是欧空局推出的专门用于极化SAR教育教学的一款软件[13]，可以完成极化SAR数据的读取、极化SAR滤波、极化SAR目标分解、极化SAR分类等功能，目前可支持的星载SAR传感器主要有：SIR- C、ASAR、PALSAR、Radarsat- 2、TerraSAR等。

PolSARPro软件的官方下载网址为：https:∥earth.esa.int/web/polsarpro。

2.4 BRAT软件

BRAT是Basic Radar Altimetry Toolbox的简写，是欧空局和法国CNES推出的用于高度计数据处理的工具，主要功能包括波形分析、高度重跟踪、海洋表面高度SSH解算等，支持的高度计系统主要有：RA1、RA2、T/P、Jason- 1、Jason- 2、Cryosat- 2等。

BRAT软件的官方下载网址为：http:∥www.altimetry.info/toolbox/。

3 开源软件辅助下的“微波遥感”实践教学

3.1 基于开源软件的实验项目设计

根据“微波遥感”课程教学体系，结合现有的开源软件，构建了10个专题的实验教学项目，具体见表2，实验教学项目的建立一方面考虑了基础性，另一方面突出了微波遥感技术的应用及最新发展技术。根据培养的需要，将实验项目分为必做与选做，必做实验是为完成基本的数据处理能力培养而设计的，选做实验是考虑到学生能力的差异，为了进一步提高学生的综合分析问题和创新意识而设计的。

表2 建立的10个专题的实验教学项目

创新能力、创新意识的培养是当前本科教学改革的一个重点[7- 9,14- 15]，为了加强学生的创新能力培养，可以选拔部分优秀的学生，基于开源软件进行程序设计与软件开发方面的培养，特别是通过开放的源代码学习关键的数据处理算法，在此基础上，再编写微波遥感数据处理关键算法的代码，实现微波遥感数据处理中的某项功能，进而提高学生的编程开发能力及创新意识。

3.2 标准实验数据集及实验指导材料的构建

根据实验项目的设置，收集相关的实验数据集，建立了一批标准实验数据集，主要包括星载SAR数据、高度计数据。SAR数据方面包括了主流的星载系统，如ERS- 1/2、ENVISAT ASAR、Radarsat- 1/2、ALOS PALSAR、TerraSAR等，包括了不同空间分辨率(100 m、30 m、10 m、3 m、1 m)、不同极化方式(单极化、交叉极化、全极化)、不同视角、不同时相的遥感数据；高度计数据主要以T/P卫星、Jason- 2、Cryosat- 2为主。学生通过实验数据处理，可以掌握对主流微波传感器的数据处理方法。

在此基础上编写了“微波遥感”实验教学大纲及详细的实验教学指导材料，每个专题的实验指导材料主要包括以下几个方面的内容，如图1所示。

图1 专题实验指导材料内容构成

3.3 实验项目的分发与网络共享

借助于学校的资源共享平台，可以将建立的实验教学资源进行共享，学生可以方便下载学习，进而可以在课下实现自主学习，完成相关的实验任务。另外，由于雷达数据的存储量一般都非常大，需要解决大数据的共享与快速下载问题，针对这一问题，借助于百度云盘等专用网络共享软件进行资源的共享与发布，可实现大数据的快速下载，并且可实现向特定用户的私密共享，保证了实验数据及资源的相对安全[10]。

4 结 语

通过对“微波遥感”的实践教学进行研究，形成了较完整的实践教学体系，特别是基于开源软件构建了10个专题性质的实验教学项目，建立了一套专门用于“微波遥感”实践教学的标准实验数据集，编写了配套的实验教学大纲及实验指导材料，可以供遥感科学与技术、测绘工程等相关专业的学生课下实习实验使用。通过教学改革，拓宽了学生的实践教学的空间，可以很好地弥补当前“微波遥感”课程没有专门的实践教学的问题。通过实践教学，提高了学生的微波遥感数据处理能力和创新意识。

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Reforming of the Practice Teaching in the Course of Microwave RemoteSensing Assisted by Open Source Software

WANG Zhiyong1,2

(1.College of Geomatics, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China; 2. National Demonstration Center for ExperimentalSurveying and Mapping Education(Shandong University of Science and Technology), Qingdao 266590, China )

In view of the problems existing in the teaching of microwave remote sensing, such as the lack of practical ability and the lack of data processing ability training, we reformed the practical teaching for the course of the microwave remote sensing assisted by open source software. Firstly, it analyzed the advantages and disadvantages of open source software in experimental teaching. Then, it introduced the open source software and their main functions in the course of the microwave remote sensing. Then, a set of practical teaching projects of microwave remote sensing assisted by open source software were constructed. The standard experimental data set were established and the guidebook materials for the experiments were compiled. The experimental data and materials were shared through the network, such as the Baidu cloud disk and other ways. Through the teaching reform, it can extend the ways to practical teaching for the students. And it can improve the students' practical ability and data processing ability for the microwave remote sensing.

microwave remote sensing; practice teaching; open sources software; teaching reform

2016- 03- 14；

2016- 06- 27

山东科技大学教育教学研究“群星计划”项目(qx2013306)；山东科技大学优秀教学团队建设计划(JXTD20160502) 作者简介： 王志勇(1978—)，男，博士，副教授，从事微波遥感、数字摄影测量等方面的研究。E- mail：wzywlp@163.com

王志勇.开源软件辅助下“微波遥感”实践教学改革与探索[J].测绘通报，2017(3)：137- 140.

10.13474/j.cnki.11- 2246.2017.0104.

G64

A

0494- 0911(2017)03- 0137- 04