遥感图像在中学地理信息化教学中的应用原则与方法＊

胡顺石 潘 婷 谭子芳

（1.湖南师范大学 资源与环境科学学院 湖南长沙 410081；2.湖南省地质中学 湖南长沙 410011）

近年来，遥感应用在各行业不断地深入渗透，从国家需求为主逐渐扩展到企业、行业应用层次，甚至进入到普通百姓日常生活中。高中地理新课程标准强调加强信息技术在地理学习中的应用，要培养学生学习有用的地理知识，而遥感技术是信息技术的重要手段之一，可以在中学地理信息化教学中发挥重要作用。遥感技术可以从不同高度、大范围、快速和多谱段地对地表进行周期性的观测，获取大量地表信息，它已是地理学相关领域研究的重要数据来源[1]。不同阶段的中学地理课程中均设置了包含遥感技术的相关教学内容，卫星遥感图像能够增强地理教学信息的表现力和视觉冲击力，激发学生的兴趣[2]。将遥感技术运用在地理信息化教学中，将改变地理教学内容的展示方式、丰富地理课堂教学内容和改变地理课堂的教学方式[3]。应用遥感技术进行中学地理信息化教学也是新课标对地理教学时代性和前沿性的要求。本文将介绍在中学地理信息化教学过程中，中学教师应如何选择合适的遥感图像，采用哪些方法将遥感图像应用到教学过程中，以及介绍哪些教学内容可以采用遥感图像。

一、地理教学中遥感图像的选择原则

中地理教学内容包括自然地理、人文地理和区域地理等基础教学内容，教师应根据特定的教学目标和内容，选择符合要求的遥感图像。鉴于遥感技术手段、平台的多样性，在实际选择遥感图像时，一般应从以下几个方面进行综合考虑。

1.选择合适的遥感图像类型

按照遥感成像的电磁波段分类，遥感可分为可见光、红外和微波遥感；按照平台分类，可分为近地面遥感、航空遥感、航天（卫星）遥感。由于地物对电磁波辐射作用的差异性，教师应还需要根据课程教学内容选择合适的图像类型，例如在讲述城市环境——城市热岛效应主题时可采用热红外卫星遥感图像；河流地貌的发育过程主题可采用多时相可见光遥感图像；地形地貌主题可采用微波遥感图像；天气系统主题可采用气象卫星数据等。目前，有很多网站可以提供免费卫星遥感图像下载，如地理空间数据云网站（http：//www.gscloud.cn/）、中国遥感数据网（http：//rs.ceode.ac.cn/）、国家卫星气象中心数据服务网（http：//satellite.nsmc.org.cn/portalsite/default.aspx）等。

2.选择最佳波段组合进行图像可视化

遥感传感器可以在多个电磁谱段成像获得遥感图像，遥感图像所反映的是传感器接收地表不同地物电磁辐射信号。然而由于地表各类地物电磁辐射性质不相同，地物电磁波辐射信号差异性会在遥感图像上有所体现。根据RGB色彩空间的彩色合成原理，我们应该选择合适的波段进行组合，突出地物信息，服务于教学内容。在实际工作中，我们可以选择地物波谱特征差异较大的波段图像，即可以选择不同波段影像密度方差较大且相关程度较小的图像，同时还应注意到不同波段组合对目视判读效果的影响。例如ENVI-IDL技术殿堂博客网站，卫星遥感图像不同波段组合及其使用方式进行了较为详细的说明，读者可以参考借鉴。

3.选择恰当时相的遥感图像突出地物信息

自然界中，地表景观会由于季节变化而产生差异，如植物生长具有明显的季节性、气候具有干湿变化特征等，这些变化会使得地物对电磁波辐射特性产生严重影响，从而影响地物在遥感图像上呈现的特征。同时由于云、雾霾等对遥感图像影响十分严重，所以在选择时也要尽量避开，宜选择那些含云量少的遥感图像，从而可以提高目视判读效率，提高课堂教学效果。

4.选择合理空间分辨率图像反映地理空间尺度现象

地理学是研究地球表面自然、人文现象及其空间演化规律的科学，它涉及到地理空间尺度问题。诚然，清晰度高的图像更能从细节上反映地物外部轮廓形状、纹理特征等，也有利于地物的判读和识别，但是对于反映大尺度特征的地理教学内容时，如地形地貌、地域分异规律等，遥感图像空间分辨率过高，图像尺寸将也会增加，在遥感图像显示时则往往会超出课件显示窗口，不利于学生从宏观角度把握地理空间特征。选择合适的空间分辨率的遥感图像来进行教学设计是教师需要慎重考虑的问题，一般而言，小尺度、局部区域地理教学内容时，可以选择高空间分辨率图像，反之，宜选择低空间分辨率遥感图像。

二、遥感图像在中学地理教学中的应用方法

由于遥感成像原理和技术手段的不同，在使用遥感图像进行信息化教学时，教师应充分考虑到教学目标、课程标准、教材及学情等实际情况，从而对遥感图像进行相应的处理和应用。以下以常用到的可见光-近红外遥感图像为例，介绍遥感图像在中学地理信息化教学过程中将会使用到的图像处理方法、遥感图像的适用的教学内容。

1.充分利用遥感图像目视判读法，增强学生地理空间思维

遥感图像可以在整体上直观把握地理事物的空间分布规律和区域特征，通过目视判读方法可以让学生很直观地发现这种规律和特点。在使用目视判读法时，教师应依据中学生的认知特点、课标要求和遥感图像特征，联系该区域的自然和人文特征，通过一定的引导，激发学生参与到遥感图像目视判别中来，从而达到发现地物类型及空间分布规律和特征。在遥感图像上，不同的地物有不同的电磁波辐射特征，这些图像特征是判读识别各种地物的依据，这些特征称为判读或解译标志。在进行目视判读之前，我们需要了解不同地物在遥感图像上解译标志。我们经常会使用到的目视解译标志包括遥感图像的色调、阴影、形状、大小、位置、纹理、空间布局等信息。在进行遥感图像判读时，教师需要注意充分引导学生运用多种信息进行综合分析、采用多手段和多方法相结合的方法对地物进行判别和分析。遥感图像目视判读法主要应用于地物类型判别与分析、地理对象空间分布规律、空间分布特征等定性分析，让学生了解某种特征的地理事物在遥感图像上分布的特点，如泥石流、滑坡、地震等自然地质灾害及其受灾程度等，城市和农村在遥感图像上的分布特征，自然河流水系空间分布特征等。

2.巧妙采用遥感图像增强处理方法，增强遥感图像显示效果

在使用遥感图像进行地理教学展示时，为了增强学生兴趣、突出教学内容以及地物目标信息，我们需要对遥感图像进行适当图像增强处理，用以增强图像显示效果。遥感图像增强处理主要包括彩色增强处理、空间域增强处理，以及为了达到某些特征要求而实施的图像数学变换等，其主要目的是突出遥感图像某些地物的特征信息，便于我们更好地进行地理事物的识别和判断。鉴于中学地理课程教学内容，可采用的遥感图像增强处理方法有真彩色、假彩色合成方法、图像对比度拉伸方法等。根据彩色合成的原理，当输入图像的红光、绿光、蓝光波段分别输入到RGB色彩空间红、绿、蓝三个通道时，图像便再现地物的彩色原型，即为真彩色合成，而其他彩色合成方式均称为假彩色合成。对于遥感卫星影像而言，由于电磁波在大气层中传输时受到大气瑞利散射效应的影响，卫星传感器几乎无法接收来自地物反射的蓝光信息，因而卫星影像几乎无法重现真彩色模型。因此，对卫星遥感图像，我们可以采用彼此相关性较小的波段进行假彩色合成，以达到突出目标地物的特征信息的目的。图像对比度拉伸主要是通过改变数字图像灰度级分布，扩大图像显示的动态范围，从而突出地物间的差别。常用到的图像对比度拉伸方法有线性增强法、非线性增强法、直方图均衡化和直方图匹配等[1]。

3.合理利用动态变化监测技术，掌握地物空间变化驱动因素

动态变化监测技术一般采用多时相、多传感器的遥感图像对同一地区的地理对象进行监测和比较分析，以获取该区域某些地理现象的变化趋势和特点，特别地，还能促进学生对地物变化驱动因素进行探索性思考。在中学地理课堂中，利用遥感动态变化监测技术获取某种地物类型或地理现象在不同时间段变化信息的数量和位置关系是主要应用场景，通过具体案例分析，让学生直观地感受动态的地理过程和遥感技术的优越性，如人教版必修3教材第一章《地理环境与区域发展》中，教材中的图片显示了1998年长江流域发生洪灾前后，洞庭湖及荆江地区被洪水淹没地区的分布和范围。针对一些社会热点事件，也可以通过采用遥感动态变化监测技术，让学生了解遥感在区域自然灾害方面的应用，如5.12汶川大地震、2006年无锡太湖蓝藻大爆发事件等。总之，遥感动态变化监测技术可以广泛应用于自然环境变化、土地利用类型转化、城市空间结构变化、环境污染、自然灾害监测等方面的教学。动态变化监测常用的方法包括图像差值法、图像比值法、植被指数法、图像分类后比较法等。需要注意的是，在使用图像动态变化监测技术时，我们需要对不同时相的遥感图像进行精确几何配准，使它们具有统一的地理坐标系统。

4.创新使用遥感图像三维虚拟技术，激发学生学习兴趣

将遥感图像作为基础数据，利用地理信息三维可视化技术形成虚拟教学环境，可以帮助学生更加直观地理解地理过程和现象，充分发挥遥感图象在中学地理教育教学中应用的潜力和价值，最大程度地激发学生学习兴趣。例如，对数字高程模型（DEM）进行三维可视化后，可以让学生观察到三维可视化环境下的地形地貌特征，启发学生发现这种新的展示形式与传统等高线之间的差别，从而帮助学生更好地理解等高线模型及不同地形地貌的特点；通过DEM与遥感图像叠加显示，可以让学生更加直观地从宏观角度观察崩塌、滑坡、泥石流、水土流失等自然灾害现象，引导学生深刻理解引发这些灾害所需要的坡度、地表覆盖物等条件。一般地，针对复杂地理过程和现象以及与DEM相关的地理教学主题时，我们均可以考虑采用遥感图像三维可视化技术。在进行遥感图像三维可视时，一般需要先选定符合要求的较高空间分辨率的主题卫星影像，通过正射校正、图像增强处理等预处理后，借助一些地理信息系统（GIS）专业软件对遥感图像进行三维虚拟可视化显示，如经常可以使用的GIS软件有ArcGIS、MapGIS等。

中学地理课程内容包括自然地理、区域地理和专题地理等众多教学内容，而遥感技术可以从宏观角度更加全面的观察到这些地理过程和现象。在地理教学过程中恰当地运用遥感技术和遥感图像，可以更好地展示课堂教学内容，减轻教师负担，激发学生独立思考和创新意识，让学生从宏观角度理解感受和体验地理知识，更好地培养学生科学精神和创新思维能力。