两种教学法在遥感图像校正教学中的应用

邹柏贤，孟 斌

（1. 北京联合大学应用文理学院，北京100191）

两种教学法在遥感图像校正教学中的应用

邹柏贤1，孟 斌1

（1. 北京联合大学应用文理学院，北京100191）

在地理信息科学专业本科的遥感图像处理教学中，图像校正的教学是一个难点。经过多年的教学实践，系统完整地组织教学内容，提出采用比较教学法，从多方面、多角度进行概念的比较，同时运用图示教学法加强形象记忆，使知识系统化。实践表明，教学效果良好。

图像校正；比较教学法；图示教学法

在《遥感图像处理》课程中，有关遥感图像校正的概念比较多、易混淆，各个校正处理的概念之间相对独立，缺乏先后顺序关系，相互割裂，在各教材中对概念的描述不统一或不完整，对校正处理的分类不尽相同。针对遥感图像校正教学中遇到的问题，采用比较教学法，对遥感图像校正部分的内容进行重新组织，完整地列出容易混淆的概念，提炼出主要特点进行比较，同时运用图示教学法，直观地指明各概念解决的问题和所处的阶段、明确它们之间的前后邻接关系。利用示意图，系统、完整地说明各种校正的概念，并以列表的方式明确各概念的界限和特点，帮助学生理解和掌握。

1 比较教学法和图示教学法

比较教学法是教师在教学过程中体现教学内容之间异同关系的思维过程和方法[1-2]，即把彼此之间具有某种联系的教学内容放在一起加以对比分析，从多方面、多角度进行比较，明确之间的异同，帮助学生认知，使学生更好地理解和掌握。

图示教学法，也叫“图文示意”教学法,即通过简要的符号、浓缩的文字、线条（箭头）等构成特有的图文式样，形成板书、电脑课件等有效施教的教学方法[3]。图示教学法有其科学的理论依据，符合用脑科学，具有协同左右脑进行全脑思维的功能,符合学生认识和记忆的规律，能有效传递信息，提高信息传播的数量及质量。常用的图示方法有线条式、表格式、图像式等类型。教师在教学中运用图示教学法，展现抽象的“思维”过程，可以揭示教材内容的概念、原理及其相互关系，使讲解有所依据，思考有所指向，不仅能激发和提高学生的学习兴趣,促进新知识教学的效率提高,而且还能提高学生的思维能力和记忆能力。

2 遥感图像校正的教学内容

遥感图像是通过传感器感知来自目标地物的反射和辐射电磁波得到的，是目标地物特征的体现，其中蕴含着目标地物的多种信息，包括目标地物的色调、颜色、对电磁波（光线）的吸收和反射情况、表面布局结构、纹理结构和光滑程度等特征。遥感图像与地面景观的真实辐射之间存在误差，产生的原因可分为遥感器、大气、地形3个方面。在从目标地物反射和辐射的电磁波到达传感器的过程中，经过目标地物、大气、传感器前端以及传感器，还会受到气候条件、目标地物所在地理位置、太阳位置和照射角度、大气中的散射光线以及遥感成像系统误差等多种因素的影响，导致遥感图像失真。失真的遥感图像将会影响对地物目标的正确识别、分析与解译。因此，必须消除导致图像失真的各种因素的影响。

教材中通常把像素的亮度值相对于地面对应地物单元的真实辐射亮度的偏差称为辐射误差，像素的几何位置相对于对应地物真实位置的偏差称为几何误差，因此把遥感图像的校正分为辐射校正和几何校正[4-9]。

2.1 辐射校正

辐射校正包括传感器端的辐射校正、成像系统辐射校正、大气校正、地形辐射校正和太阳高度角辐射校正[4,5]；文献[6]中的辐射校正还包括日地距离校正。在各教材中并未完整地介绍各个校正的含义，以及各校正的先后顺序关系。在教学实践中，通过表格列出各种辐射校正的含义及说明，便于学习、比较和记忆，如表1。

2.2 几何校正

受传感器成像特性、遥感平台姿态变化、大气折射、地球曲率、地形起伏、地球自传等因素的影响，遥感图像会产生几何误差，需要进行几何校正[4]。几何误差校正分为系统校正和精确校正。由传感器特性和遥感器的瞬时位置、高度、偏航等引起的误差的校正属于系统校正，在卫星地面接收站完成。由地球曲率、大气折射以及地形变化等引起的误差校正，即精确校正，一般通过地面控制点进行[7]。

表1 各种辐射校正的含义及说明

精确校正又可分为严格校正和近似校正两种方法，前者依据传感器的成像模型进行,后者则根据通用的近似模型进行。严格校正法主要有3种针对不同类型图像的模型[4]：画幅式图像的几何校正模型、线阵CCD图像的几何校正模型以及侧视雷达图像的几何校正模型。不同类型图像的处理模型不同，确定模型需要的控制点数也各不相同。近似校正法校正模型有直接线性变换模型、多项式模型、有理函数模型[4]。近似校正法与传感器的成像方式无关。几何校正的两个基本环节是像元坐标变换和像元灰度值重采样。

3 教学内容的重新组织

在遥感图像的获取过程中，由于导致辐射误差、几何误差的因素很多，误差校正的类型或方法很多，容易使学生混淆，学生初次接受起来有困难，为了理清各种校正类型或方法的概念及其相互关系，对这些概念进行合理安排和组织。一方面，运用图示教学法（见图1～3），用遥感系统示意图显示产生辐射误差的各个环节和对应的校正方法；另一方面，采用比较教学法，借助列表（表2～4）对这些校正方法进行对比和分析，以数据流程图的形式展示辐射校正各步骤之间的先后顺序和邻接关系，使学生能够加深对各种辐射误差校正方法的理解、掌握和记忆。

3.1 辐射校正

根据遥感图像的目的意义，遵循遥感图像中误差产生的相反顺序，对辐射校正中各种校正类型进行组织，如图1所示。

表2 遥感图像辐射校正各步骤、纠正的误差及校正方法

图1 遥感图像辐射及校正各步骤示意图

表2列出遥感图像辐射校正的各步骤、各步骤校正的误差类型以及相应的校正方法。通过列表，可以进一步加深和巩固学生对各种辐射误差校正的理解，对比和分析各校正方法。

图2是遥感图像辐射校正的数据流程图。

3.2 几何校正

遥感图像几何误差原因多种多样，误差产生的原因可以分为遥感器原因、大气原因、地形原因和处理过程原因4种，表3是几何误差产生的原因以及相应的校正方法[7]。

精确校正的各种具体方法的输入都相同，目的都是针对原始的遥感图像（输入）进行变换，得到几何校正后的最终处理结果（输出）。各种几何校正方法是并列关系，只是不同的校正方法具有不同的特点。而辐射校正方法是针对导致各种误差的因素，在不同环节采取相应的校正方法，各种具体的辐射校正方法是一种先后、顺序关系，而非并列关系，如表4、图3 所示。

图2 遥感图像辐射校正数据流程图

表3 产生遥感图像几何误差的原因及相应的校正方法

图3 遥感图像几何误差及校正示意图

表4 精确校正法各种具体模型及特点

3.3 辐射校正与几何校正的实际应用

辐射校正并非总是必要的。一般而言，对于那些精确基于地物的反射亮度或发射亮度的信息分析方法，辐射校正是必须的，例如，温度和生物量反演、水体悬浮物、叶绿素、矿物成分、土壤金属元素等物质成分及其含量的反演是需要精确的辐射校正。单景图像进行的很多图像分类问题、基于可视图像特征的目标识别问题等则可以不要求严格的辐射校正[7]。

3.4 关于辐射辐射校正与几何校正的先后顺序

如果先进行几何校正，这期间需要重采样，会改变结果中的像素值，再进行辐射校正也会受到影响。在文献[10]中，通过改变变辐射校正、几何校正的先后顺序，从图像的统计特征和纹理特征两个方面定量分析辐射校正、几何校正顺序对处理结果的影响，发现这两种校正的先后顺序对结果的影响很小。这个问题的最终结论还需要科研工作者更深入、广泛的研究。

4 结 语

遥感技术的快速发展和广泛应用，对遥感图像处理课程的教学提出了更高的要求。应在理论上加强遥感图像处理的教学，打下扎实的理论基础，增强实践技能的培养，更好地适应社会需求。遥感图像处理课程起到了启发学生学习相关课程的重要作用，它能够更直观地反映遥感图像的表示、操作处理和实际应用，具有较强的实用性和视觉冲击力，对于调动学生学习兴趣、掌握遥感理论和技术有重要意义。

[1]奥勇.《遥感图像处理》课程教学探究[J].测绘科学,2007,32(5):195-196

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[4]卢小平,王双亭.遥感原理与方法[M].北京:测绘出版社,2012

[5]韦玉春,汤国安,杨昕，等.遥感数字图像处理教程[M].北京:科学出版社,2007

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[8]章孝灿,黄智才,戴企程, 等.遥感数字图像处理[M].杭州:浙江大学出版社,1997

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P237

B

1672-4623（2017）12-0108-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.12.035

2016-12-15。

国家自然科学基金资助项目（41671165、61650201）。

邹柏贤，博士，副教授，主要研究方向为图像处理、模式识别。