Google Earth Engine云平台下的遥感实验 教学改革与实践

孔祥生，钱永刚，张安定

（1.鲁东大学 资源与环境工程学院，山东 烟台 264025；2.中国科学院空天信息创新研究院 定量遥感信息技术重点实验室，北京 100094）

遥感已经成为当今最为重要的对地观测技术之一，传感器的时间分辨率、空间分辨率和光谱分辨率越来越高，传感器种类和数量越来越多，遥感数据越来越丰富，遥感技术已在测绘、规划、资源环境、生态、农业、灾害、国土调查等方面发挥着越来越重要的作用[1-2]。遥感技术的进步与发展也极大促进了遥感教育的发展，到目前为止，我国有170多所高校开设了地理信息科学、150多所开设了测绘工程等本科专业，有50多所高校开设了遥感科学及技术本科专业，测绘类、地理类、农业类等学科及其他一些专业也开设有遥感基础理论与遥感技术与应用等遥感类课程，形成了本科、研究生等不同层次，职业教育与培训相结合的遥感教育体系，遥感教育与遥感技术相互促进，得到了飞速发展[3]。

近年来，为了适应我国高等教育改革与新技术发展的需要，结合地方高校的实际，我校遥感教学相关教师积极探索教学改革。一方面积极探索实践教学体系构成，优化了实践教学内容层次体系、过程考核标准[4]，提出了改进遥感野外实践教学模式[5]，编写了适应地方高校的遥感理论和实验教材[6-7]。这些改革工作系统提高了遥感实践教学质量，提升了人才培养质量，地理信息科学专业评为山东省特色专业，实践教学改革获得山东省教学成果二等奖和全国高校GIS教学成果二等奖。

然而，在培养学生应用开发能力和科研创新能力方面，还存在过度依赖本地计算力、遥感数据源有限及遥感图像桌面平台更新难等实际情况，存在计算机软硬件更新购置经费不足、计算力有限、海量遥感数据获取和处理能力不足及计算机系统维护难等问题，这些已成为制约教学质量提高和创新型人才培养 难题[8-9]。

超级计算力和海量遥感数据便捷获取为遥感实践教学改革提供了新的机遇。超级计算机和云计算应用的发展，使人们可以容易地获得巨大的计算力[10-11]。与此同时，“互联网+”技术发展和开放共享理念普及，一些结构如美国地质调查局（USGS）和航空航天局（NASA）提供了全球范围免费的TB、PB级卫星遥感数据及增值产品网络服务，为遥感实验教学改革带来新的机遇[12]。

GEE是Google公司面向全球提供的一个免费地理空间数据云处理网页接口平台，它提供了全球免费的卫星遥感数据、矢量数据、强大云计算力和大量数据处理函数，实现了信息提取算法实时共享[13]。我们在对遥感实践教学现状分析的基础上，将GEE引入到遥感实验教学改革中， 收到了较好的效果。

1 当前高校遥感实验教学现状与存在难点

1.1 遥感类实验教学现状

遥感类课程的地位和作用受到高度重视，遥感实验已成为地理信息科学、测绘工程和遥感科学与技术等普通高校本科专业的核心课程或主干课程的重要实践教学环节。我国地理信息科学专业是从地图学与地理信息系统硕士点发展起来的，在1998年教育部颁布的《普通高等学校本科专业目录》中，地理科学下设地理信息系统专业，北京大学、武汉大学、北京师范大学、南京师范大学等37所国内知名高校开始开设地理信息系统本科专业，2012年，在教育部新颁布《普通高等学校本科专业目录》中，将地理信息系统专业更名为地理科学专业，截止2018年底，全国已有 179所普通高校招收地理信息科学本科专业，地理信息科学专业在全国呈现出快速发展的势头，另外，测绘类下设的测绘工程和遥感科学与技术等本科专业，开设高校也分别达到157所和45所。纵观这些专业的人才培养方案和教学实践，不难发现，掌握遥感技术与应用方法是人才能力培养的重要目标之一，《遥感概论》、《遥感原理与应用》、《遥感图像处理》、《资源与环境遥感》、《摄影测量与遥感》、《定量遥感》等课程也被设置为主干课程或核心课程，遥感类课程在该专业人才培养中发挥着重要作用[8-9]。

遥感图像处理软件桌面平台系统成为遥感实验教学的基础平台。现有资料分析表明，遥感实验教学依托遥感图像处理软件方能有效开展，遥感图像处理桌面软件产品逐渐丰富，图像处理功能越来越强大， 一方面，市场上有ENVI[14-16]、ERDAS[17]、PCI、ER Mapper等应用类遥感图像处理软件[18]，遥感实验教学就是将教学内容与软件功能相结合，通过掌握软件功能来实现教学目标；还有一类适合于二次开发的桌面遥感工具平台，如Matlab[19]、C++、IDL等[20]，依托该软件平台，通过编写一定的代码和程序完成教学目标。遥感图像处理软件一般都是一个完整的遥感图像处理平台，无论是应用类还是开发类的图像处理平台，其处理技术涵盖了遥感图像输入/输出、定标、配准、增强、分类、雷达图像处理、制图等功能，成为连接遥感基础理论与技术应用的桥梁和纽带，在遥感类实验教学中都发挥着不可替代的重要作用。

遥感实验教学所使用的数据为两种，一种是模拟数据，主要是光学图像处理；另外一种就是数字图像，即，使用计算机处理方法。随着计算机硬件性能的不断增强和遥感图像数字化程度的不断提高，遥感图像数字处理已经成为遥感图像处理的主要方法，计算机已成为遥感数字图像系统的核心构件，遥感类实验教学重要支撑条件之一就是计算机软件和硬件系统，二者的关系也越来越密切，遥感类图像处理桌面平台与计算机系统、计算机硬件条件的关联程度也越来越高，二者协同更新能助力遥感实验教学的开展[21]。

遥感类实验教学内容趋向应用性和系统性，对开发能力要求越来越高。实践教学内容涵盖操作性、验证性以及综合性等多个层次，一些操作性实验内容需要的数据量小，需要的计算力也低，耗费的时间也短；但一些综合性的内容，则需要大量的数据和强大的计算力才能进行，比如，为提高学生的综合运用遥感技术的能力，会增加一些较大区域性、长时间的遥感监测实验内容，需要的数据量不是一景两景，而是几十景，甚至成百上千景。时间序列也不是一两年，跨度往往可以达几十年，需要的数据源不是一种传感器，而是多源卫星传感器，形成了多源、长时间序列、大数据的综合性系统性遥感时空监测实训项目与知识性、验证性相结合的遥感实践层次体系，各层次内容的构成比例因学校层次和教学积累的不同而各异，这种层次化与系统化并举的格局，保障了遥感实践教学的基础性与时代先进性的有机结合，同时对开发能力提出了更高的要求。

1.2 遥感实验教学难点

遥感实验教学软件更新与维护难。ENVI桌面端平台从1992年第一个版本始至今有近30年的历史，从3.0系列、4.0系列到最新版本5.0系列，先后有10多个版本，版本更新一方面增加了新功能，另外给用户带来了软件维护难题。

计算机硬件维护难。机房是遥感类课程实验教学的主要场所，计算机操作系统多，遥感图像处理软件、GIS软件庞杂，学生使用水平及计算机维护技术参差不齐，导致计算机感染病毒多、计算机硬件损害率高、图像处理软件崩溃、遥感数据丢失等问题，成为掣肘遥感实验教学顺利开展的难题之一。以鲁东大学为例，机房计算机硬件完好率不足70%，遥感图像桌面平台软件部分功能无法使用，计算机性能如CPU、内存、显卡、读写方式等配置也无法与时俱进。遥感图像处理技术的不断革新，对计算硬件性能的要求也越来越高，这对于一些地方高校而言，由于经费问题，遥感图像桌面平台和硬件更新往往不及时，出现计算机性能和软件版本不能很好地满足教学实际要求，一些最新的遥感图像技术和应用无法在教学实践中实施，二者的协同更新成为制约遥感实践教学改革的瓶颈 问题。

数据下载和管理难。自上世纪70年代至今累积了海量数据，且遥感卫星发射数量仍在不断增加，遥感数据量以每天TB级增长。海量的遥感数据为遥感教学带来了便利，但同时也为数据下载和管理带来挑战。目前遥感实验教学使用的数据，教学用遥感数据一般是通过老师提供、网站下载、学校购置等形式获得，需要课前将教学中使用的遥感数据分发给学生，学生也需要准备U盘、移动硬盘等存贮介质来保存数据。在一些综合性的遥感实验项目中，学生需要从网站上直接下载大量的数据，每景数据的大小从200 M 到 1G不等，受到下载速度和带宽限制，一景需要10～60 min时间不等，如需要多景、几十景，甚至更多景数据，下载会消耗大量时间，数据收集会成为一件难以完成的工作，同时，遥感数据多，给遥感数据的管理和共享也带来不少问题。

海量遥感数据信息提取能力不足，新技术、新理论和新方法不能及时充实到实践教学中去。目前，全球在轨运行的光学、雷达、多角度卫星数量已经达到 2 000多颗，遥感数据TB级供给与遥感图像处理桌面平台处理能力不足的矛盾，制约了遥感技术与应用发展，在遥感实验教学中，教学内容对桌面平台功能的依赖，制约着遥感综合内容的开展，导致学生创新意识、创新能力不足，因此急需用新理论、新方法和新技术对遥感实验教学进行改革。

2 GEE云平台

2.1 交互式图形接口

GEE是由可直接进行分析的PB数据集、高执行率计算机和并行计算函数构成的云服务平台[20]，它可以通过网络接口、API和网页交互设计环境（IDE）来获得服务，并能实现地理空间分析结果快速可视化和算法实时共享[17]。

通过Google Earth Engine门户网站（https://code.earthengine.google.com/），便可注册成为免费用户，成功后就可以便捷地使用GEE API库函数分析共有数据和私有数据，这些处理功能函数可以对数据自动完成并行和分布式处理，通过客户端或者基于网页的交互式环境设计接口来实现分析处理操作功能，推荐使用Google Chrome浏览器，交互式图形接口界面组成如图1所示。

图1 GEE代码编辑器交互式接口

GEE 代码编辑器接口界面主要由代码管理区、代码编写区、控制台和地图显示区等组成。①代码存放区，该区域存放用户编写的代码、GEE提供的案例代码、函数文档说明及用户私有数据目录等；②代码编写区，用于读取、筛选、分析、显示、共享、运行、发布等地理空间数据处理等功能代码编写；③控制台输出区，程序运行结果输出、数据检查及任务运行管理器；④图像显示、矢量绘制、图层管理区，用于运行结果叠加到地图数据/Google卫星影像显示，绘制点、线、区等矢量工具，显示区内图层管理。这四部分组成一个有机整体，围绕大数据空间分析核心功能，通过数据选择、代码编写存储与共享、结果显示与图形叠加等图像处理与分析，实现基于GEE的遥感数据云处理。

2.2 海量免费数据集

GEE上现有数据量超过8 PB，包含超过 200 个公共数据集，超过500万张影像，且每天新影像增超过4 000张，GEE注册用户可以免费使用这些数据。GEE数据集包括多源光学卫星遥感数据、航空数据以及雷达遥感数据，还包括环境、气象气候、陆地覆盖类型、地形、社会经济数据集等，该数据集都经过了地理配准等处理，便于分析和应用，用户也可以通过接口上传私有数据，实现私有数据共享与分析，GEE可以免费使用的部分数据集见表1[17]。

表1 GEE主要共享数据集

2.3 丰富的功能函数

GEE提供的函数库中含有800多个API函数，通过不同函数的组合方式向服务器请求地理空间数据云计算服务，函数包括从简单的数学运算到功能强大的地理空间分析、机器学习、图像处理。通过对图像对象代数表达，图像间的运算操作变得简易化，同时提供了高阶函数如map()和iterate()，可以实现对筛选的数据集进行统一处理，提供了reduce()统计函数，用来计算区域、时间、光谱和纹理等的统计参数，表2概要总结了GEE客户端操作函数。

表2 GEE部分功能函数简略表

用户可以用Python或者JavaScript语言来编写GEE程序，客户端库为用户提供了面向遥感图像、图像集、数值、字符串、矢量、列表、字典等代理对象，编写代码来处理这些代理对象，利用代码和程序组合表达完整的处理流程，之后这些请求组合被发送至GEE服务器进行处理。

GEE算法调用包括4种方法：①调用依附于对象上的方法；②调用算法类中的算法；③调用代码编辑器特殊函数；④调用自己编写的算法函数。

2.4 GEE与桌面平台对比

与传统基于桌面平台遥感实验教学相比，基于GEE云平台的教学，无论是其在处理对象、计算力、功能和操作方式，还是在教学理念、教学模式和成绩考核等方面，都有这很大的不同（见表3）。

表3 遥感实验教学GEE云平台与桌面平台差异性对比

3 遥感类实验教学内容设计与实践

3.1 实验教学内容改革设计

以GEE为遥感实践教学基础平台，针对传统桌面平台的不足，兼顾遥感实践教学内容层次性和前瞻 性[3,22-23]，改遥感数据下载为多源数据特点分析；改遥感桌面平台功能介绍为GEE云平台程序设计与实现，改单景影像处理为多景长时间序列综合处理，以解决遥感信息提取科学问题为主线，共设置32课时实践教学内容（见表4）。

表4 GEE云平台支持下的遥感实践教学主要内容及目标要求

3.2 NDVI长时间序列分析教学案例

以中国西北部地区四省（新疆、青海、甘肃、宁夏和内蒙）为实验区，利用NOAA和MODIS长时间序列（1982－2020）卫星遥感数据，使用NOAA数据768景，使用MODIS数据457景，通过分析NDVI变化趋势反映大区域尺度地表覆盖变化，尤其是植被长势变化[24]，对1 257景NOAA/MODIS数据进行像元尺度上的去云处理，并对每一个年度的数据取均值，代表39年的年度NDVI数据，选择部分年度图 （见图2），利用森估计[25]，得到了39年NDVI变化趋势图（见图3）。

图2表明（选择1989，1999，2009和2019四个年度），在中国西北地区，NDVI时空变化规律明显，总体上看，NDVI值较小，表明植被覆盖程度较低。图3森估计表明，该地区NDVI有增加的趋势，在内蒙古东北地区增建趋势明显，该地的植被覆盖率较好，表明三北防护林成效显著，但靠近蒙古边界区域， NDVI呈减少趋势，受到来自蒙古国沙漠化增大趋势的影响。

图2 中国西北部地区NDVI时空分布

图3 中国西北部地区NDVI时序变化森估计

3.3 教学方法与效果分析

采用启发式教学，注重因材施教。表4中的10个 模块教学内容，采用“课前问卷-内容设计-问题启发-编程实验-对比分析”的五步启发式教学模式，充分了解学生总体水平，以项目驱动为内容设计基础，明确各个模块层次要求和知识链接性，既讲述了JavaScript面向对象脚本语言的基本语法规则和基本方法，又注重GEE面向图像和矢量的处理特点，以大数据、常时间序列分析为出发点和落脚点，通过与桌面平台的对比分析，培养学生的创新思想和创新能力。中国地地区NDVI时序变化分析教学案例表明，80%以上的同学能较好完任务，共享代码连接为https://code.earthengine.google.com/7566ac31986f6d099a457e3f 515b92cd。

课程前和课程结束能网上问卷调查及实际教学效果分析表明，学生此前学习了VB、C++等编程，具有一定的编程基础，较快掌握了GEE平台基础，增加了GEE平台与遥感图像处理桌面平台实验项目的对比分析，并能顺利完成教学设计内容，使得学生对GEE强大的处理能力、功能丰富的API函数、海量免费数据集及便捷地编程方式有了更加深刻的理解，激发了学生的学习兴趣，学生能在完成既定原有教学内容的前提下，有近三分之一学生可自行设计一些感兴趣的题目，进行项目练习，有的学生提出了GEE支持下的青藏高原水资源时空变化趋势分析、GEE平台下的太湖水质时空变化分析、GEE平台下的山东省地表水时空变化趋势等具有一定创新题目，学生的学习兴趣得到了激发，自主学习和创新能力得以提高。

4 结 语

GEE以其强大的并行计算力、海量地理空间数据、丰富的图像处理函数及交互式算法设计接口，为遥感技术的发展带来了新契机， GEE的突出优点是为普通用户屏蔽了并行处理细节，可免费使用Google强大的计算力[25]。GEE云平台用于遥感实验教学，摆脱了传统遥感桌面端软件对计算机系统及硬件资源的依赖，降低了计算机软硬件购置成本，解决了软硬件维护难等问题，并行处理破解了海量数据处理效率低下的难题，非本地分析海量数据方法解决了遥感数据下载和管理难题，实时共享算法极大提高了学习效率，改进了学习效果，学生的应用开发能力和创新能力得到进一步提升。

将GEE用于遥感实践教学，是对以往教学模式的一次全面改革，涉及到教学理念、教学目标、教学内容、教学方法、考核标准、教材及师资等方面，遥感实验教学全过程都需要进一步优化和改革[26-27]。目前，鲁东大学以人才培养方案修订为契机，将《遥感大数据处理》课程纳入到新的人才培养方案中，补充了遥感大数据处理新理论、新方法和新技术等内容，为学生提供符合时代需求的课程体系和教学内容。

基于GEE的感实验教学改革，也需要面对一些新的问题。一是在教学内容设计上，GEE不再关注遥感数据的基础性处理，如几何校正、配准以及大气辐射校正处理等，而这些内容在遥感实验教学中又必不可少，因此要处理好桌面平台和GEE云平台在内容设计上的内容衔接； 二是教学经验和资料上存在明显不足，尽管GEE提供了技术向导文档、在线社区和开发问题论坛等便利条件，为学习者提供交流与解决问题的途径，提供了较为详细网站学习资料和程序案例，但是目前还存在不少问题，比如，教学资料相对不足，缺乏GEE方面参考书或者教材，要加强GEE参考书和相关教材的编写，为实践教学提供更多地参考资料。教师需要加强自身学习，提高GEE教学技能，尤其是要改革传统依赖于桌面平台教学方法，进一步提高JavaScript/Python语言等编程软件技能，掌握GEE编程规则，将GEE强大的能力融入到遥感实验教学中。同时，需要为学生提供一些其他的遥感影像大数据分析平台，以拓展学生的视野，激发学生对遥感图像处理新理论、新技术、新方法和新平台的学习兴趣[28]，培养学生遥感技术支撑下的创新精神和创新能力。