“遥感数字图像处理”应用型课程改革研究*

殷学永，李京忠

（许昌学院城乡规划与园林学院，河南 许昌 461000）

1 “遥感数字图像处理”课程概述

“遥感数字图像处理”是地理信息科学专业的一门专业基础课，注重学生实践能力的培养。该课程是随着计算机技术发展起来的新兴交叉学科，遥感数字图像处理技术的兴起和发展，为人们进行土地资源开发、研究环境状况、研究全球变化提供了新的认识途径。许昌学院从2002年招生地理信息技术专科开始设置本课程为专业基础课，很多学生已通过该课程的训练进入了遥感图像处理的行业。许昌学院升本以后，分别于2006年和2009年增设了地理信息系统（2013年改名为地理信息学科学）和测绘工程两个专业，“遥感数字图像处理”作为专业基础课程在这两个专业里开设。这门课程主要是使学习者了解遥感图像处理的基本原理，获得利用数字图像进行数据分析、处理和应用的基本技能。通过本课程的学习，学生应了解和掌握遥感图像校正处理、遥感图像频域变换、数字图像增强、计算机分类以及精度分析的原理、方法和技术流程，了解和掌握当前遥感图像处理软件的基本功能，培养学生能够在遥感图像处理分析、图像辐射校正和增强、信息提取等方面从事相关技术工作和研究的探索。

随着应用型办学思路的确定，地理信息科学专业在该思路的指导下，逐步进行核心课程的改革，“遥感数字图像处理”课程组老师也进行了积极的探索，在学校教务处的大力支持下，依托校级教研项目“遥感教学实习与精准农业相结合的框架研究”和“基于项目驱动式的遥感图像处理教学研究”取得了一些应用型案例成果，并把相关研究成果应用在课堂教学中，获得了多届学生的好评。随着毕业生的增加，根据从事遥感图像处理方面毕业生的反馈信息，以及与各个相关行业公司进行积极接洽，课题组从2016年开始推动实践教学与产业项目相融合，打造理论与实践一体化的教学模式，在传统教学的基础上，增加了单项技能训练、综合技能训练和生产项目实训等教学环节。为使学生能够从事遥感图像获取、遥感图像预处理、遥感信息提取等相关工作，围绕遥感信息提取生产过程重构了教学项目，根据教学项目开展课程教学。按照学院重技能、重实践、拿证书的要求，课程组根据全国大学生GIS 应用技能大赛、全国信息化工程师等考核要求，归纳总结了核心知识考点和关键技能，并在教学过程中展开针对性的专项训练。

2 “遥感数字图像处理”课程开发与设计思路

2.1 课程开发

课程开发的核心是重构理论和实践模块，以项目为整体打造理论学习与实践操作一体化的课程单元体系[1]。在此思想指导下，课题组成员联合企业工程师进行多次研讨，就课程内容体系的知识深度和宽度与行业人才需求进行解析，将学生的理论知识学习与职业能力培养融为一体，打造教学任务目标[2]。遥感图像处理的相关工作首先要根据项目需求选择合适的数据源，并根据所选择数据源确定数据处理的方法和信息提取技术，完成遥感信息的识别提取，并形成专题地图制图输出，在专题图上进行相关信息统计。

课程组成员在合作企业工程技术人员的协作下，将遥感图像处理的工作过程总结为以下4 个环节：影像的准备→预处理→遥感信息识别→遥感信息提取。

1）影像的准备：结合项目需求选择合适数据，根据数据确定处理方法以及所需工具，进行总体设计和制定遥感图像处理过程，并形成指导文件，指导遥感图像处理和信息提取的整个流程。

2）预处理：根据影像类别和成像条件，有选择性地进行图像拉伸、辐射校正和几何校正，并根据图像质量选择图像变换或滤波处理来增强图像信息，为遥感信息提取提供较好质量的遥感影像。

3）遥感信息识别：利用图像分割、图像分类或面向对象的提取方法对地物信息进行遥感识别，为下一步遥感信息提取提供基础图斑。

4）遥感信息提取：根据基础图斑和遥感影像覆盖地区地物类型特征确定地物信息并形成统计数据，然后形成遥感信息专题图。

2.2 课程设计理念

基于“工作过程”进行课程开发，培养学生实践动手的能力，把理论知识与实践技能融入工作过程，将学生培养成为一名合格的遥感图像处理工程师[3]。核心设计理念主要在以下4 个方面。

1）以企业需求为标杆。遥感数字图像处理课程针对遥感图像处理工程师、遥感图像算法工程师和遥感图像处理开发工程师岗位。本课程的培养目标是根据企业招聘需求，在图像校正、图像增强、遥感信息识别与提取等理论和技能的培养上重构教学内容，组织教学任务，实施教学过程。

2）紧扣“工作过程”。依据企业岗位需求设置职业能力培养目标，以合作企业提供的工作项目或任务为基础，设计教学项目；按照遥感影像的准备→预处理→遥感信息识别→遥感信息提取进行教学情境设计；遵循认识和学习规律，从简单到复杂组织课程教学。

3）以项目任务为载体。依托合作企业遥感图像处理和信息提取的生产任务设置项目任务，并重构教学内容，实施教学任务，组织教学活动[4]。

4）教师领航，学生为体。在实施教学任务和组织教学活动的过程中，教师作为领航员积极引导学生的学习和实践，同时要突出学生作为学习实践主体的重要性，引导和鼓励他们积极主动地学习。

2.3 课程设计目标

本课程的总体设计思路是将传统的以课本章节体系知识为主线构建的学科型课程模式转变为以能力为主线、以任务引领知识、以生产过程组织教学的应用型课程模式。

本课程以学生为主体，以就业为导向，以能力为本位，以岗位需要和职业标准为依据，满足学生职业生涯发展需求，适应国土资源、城市规划、房产、测绘、军事等遥感数据获取、遥感数据处理、遥感图像增强、遥感信息识别与提取等岗位的需要。在邀请行业专家对遥感图像处理行业所涵盖的岗位群进行任务与职业能力分析的基础上，以职业能力为依据设计整合课程内容，基于生产过程按序展示教学内容，边学边练，通过集中实训方式强化教学内容，培养学生图像获取与处理、信息识别与提取的基本技能，达到遥感图像处理各个岗位的技能要求。

基于工作流程进行课程开发，以提高学生综合实践能力为目标，以遥感影像处理为中心展开，将影像获取与预处理流程、遥感图像信息提取与分析流程贯穿于理论知识学习中[5]，培养能够以认真负责的态度从事遥感图像处理工作的一线工程技术人员。通过本课程的教学与实习，达到以下目标：一是能根据应用确定合适的影像数据；二是能对影像进行校正；三是能对影像进行增强显示；四是能利用分割和分类的方法提取遥感信息；五是能进行影像专题图制作和输出。该课程的目标制定从理论知识、实践技能和专业态度3 个方面保障了宽基础、高技能、厚人品的学生培养要求。

3 “遥感数字图像处理”课程教学内容设计

3.1 学习情境构建

根据本课程的教学内容，确定了3 个不同的学习情景：植被信息提取、水体信息提取和土地利用提取。遥感信息提取的目标不同，其所用数据源就不同，所涉及到的技术方法的难易程度也就不同。3 个情景所用数据量由少到多，技术难度逐渐增加；情景一植被信息提取所用数据为2 个波段，技术方法相对简单些；情景二水体信息提取所用数据为4 个波段，技术方法在植被信息提取的基础上又增加了一些难度；情景三梯度利用提取所用数据为7 个波段，技术方法覆盖了遥感信息识别和提取的所有内容，因此，3 个情景是逐渐递进的关系。

利用合作企业单位提供的项目对3 个不同的情景展开教学，相关内容如下所示：情景1 根据沈阳应用生态研究所的合作项目“东北地区植被覆盖信息遥感提取与分析”，基于MODIS 数据和Landsat数据提取东北地区植被覆盖信息；情景2 根据苏中中科天启遥感科技公司的合作项目“太湖水域面积遥感监测”，基于Landsat 数据提取太湖水体信息；情景3 根据中科宇图科技公司河南分公司“郑州市土地利用遥感解译”，基于Landsat 数据提取郑州市土地利用类型信息。

3.2 教学内容重构

根据工作过程，将原来的教学内容进行重构，知识的总量没有发生改变，只是将知识分散到不同的教学情景中，见表1。

表1 教学内容重构

4 课程教学组织

课程教学组织活动紧紧围绕遥感图像处理的内容进行，课程设计包括课前准备阶段、遥感信息识别与提取阶段和成果评价阶段3 个部分[6]。课前准备环节是否充分决定了这次课程教学质量的高低，只有充分的准备工作才能保障课程任务一体化训练的顺利完成。课程组老师根据班级学生的专业特点和前期支撑课程的学习情况，有针对性地设置理论学习计划和实践操作任务。

4.1 课前准备阶段

课前准备阶段要求教师在实习课程开始前做好相关准备工作，包含两项内容。

1）遥感信息提取任务设计。选取遥感信息提取任务时，要紧扣毕业要求，根据课程教材内容，结合生产任务需求，设计遥感信息提取任务。另外要根据工作区面积大小有针对性地选择数据源，保证学生实践课时量的同时还要考虑计算机对数据处理的承受能力，避免数据计算量超出计算机硬件或软件的承受力而造成课题训练效果差、学生等待时间长，达不到教学任务目标的结果。遥感信息提取任务设计的内容包括确定信息目标和所在区域、布置遥感数据预处理和信息提取内容、确定实习软件和辅助工具等。

2）学习实践任务分工。根据学生人数和工作量大小以及学习实践任务的选择情况，将学生按一定数量分成若干小组，为每个小组和小组的每个学生合理分配工作量。在分工过程中，要保持分工的合理性，并根据实际情况及时作出调整，保证每个学生都能得到锻炼。课前准备阶段内容见图1。

4.2 遥感信息识别与提取阶段

遥感信息识别与提取任务布置完成后，由教师指导学生申请遥感影像数据和工作区辅助数据及背景信息，并结合企业实际生产要求提出数据处理的规划和质量标准，然后由学生以小组为单位自主上机进行遥感信息的识别和提取。对于在实习过程中遇到的问题，教师应引导学生查阅相关资料独立解决，培养其自主学习能力。在遥感信息识别和提取阶段，教师按照遥感数据获取、辅助数据和信息收集、遥感影像预处理、信息识别和目标提取、检查与评价、成果输出的流程，逐步引导学生进行实践操作。

图1 课前准备阶段内容

1）数据准备阶段。根据目标地物提取的要求，确定遥感数据；根据确定的遥感数据，申请下载或者购买遥感数据，并通过遥感数据的头文件或元数据制定预处理和信息识别方法。在这个过程中让学生通过申请下载数据有获得感，进一步激发学生对遥感目标地物信息提取的兴趣。由教师引领学生收集工作区域的道路、地形、区划、人口分布、统计年鉴、社会调查等相关的辅助数据和信息，进一步加深学生对影像的理解和认知，便于后期对目标地物的识别和提取。

2）遥感处理阶段。学生根据影像质量，通过辐射校正、几何校正、图像增强完成数据预处理，为遥感信息识别提供空间坐标准确、图像显示清晰、目标地物明显的遥感影像。根据分工完成信息识别和目标提取的任务，这个阶段由学生独立完成，学生之间可以相互讨论和帮助，教师可以对大家遇到的共性问题进行指导。

3）检查阶段。学生完成各自的信息识别与提取任务后，教师应引导学生进行精度评价和质量检查。一般通过PDF 打印机或者软件自带输出工具形成专题图，主要内容见图2。

图2 信息识别与提取主要内容

4.3 成果评价阶段

在遥感信息识别提取完成之后，由学生将工作流程、实践成果以及学习实践体会与心得通过PPT进行汇报，由教师主持，全班同学参加，合作企业工程师参与听取汇报并进行分析评价。在分析评价环节，采取开放式讨论，鼓励学生踊跃发言，特别是成果中的优点、缺点和不足以能够提高和改进的方法进行讨论，并在小组之间做出客观公正的评价；参与工程师结合实际项目生产过程进行点评；最后由教师进行综合分析和点评。课程结束后进行项目成绩评定时，把学生工作结果、工作分工、讨论发言的积极性都作为学生考核的主要依据。为了最大限度地实现公平性，调动学生的积极性，激发学生的学习信心，应当建立一套完整、合理的实习成绩评分规则。具体操作内容见图3。

图3 成果评价具体操作内容

5 结束语

通过合作企业技术工程师的参与，将课程理论和实践操作融入到实训项目中，形成项目驱动下的理论实践一体化的教育培养模式，将学生的理论学习、实践技能培养、生产项目实习融为一体，打通学生—教师—技术工程师之间的理论技术壁垒，发挥各自特长，达到教师、学生和企业3 方共赢的局面，有效缩短毕业生的入职时间，大大降低企业的用人成本，进一步提高了学校的专业知名度。