《遥感概论》研究性实验的设计与实施

孙芳蒂 陈忠元 张灵 沈继伟

(广州大学地理科学与遥感学院 广东广州 510006)

目前，遥感课程的实验教学各环节往往针对相应的理论知识点进行独立练习，零散性的实验不能形成完整的应用。学生仅仅根据实验步骤按部就班地处理数据，过度依赖操作视频等辅助材料，缺乏独立思考，不能深刻地理解数据处理背后的原理，也不能对数据处理结果进行深入分析。该文在《遥感概论》的实验课程中，引入研究性课题，以鄱阳湖近20 年干湿季水域面积的变化为例，引导学生开展实验。一方面，可以促使学生在一个完整的遥感应用实例中进行遥感技术的各种操作；另一方面，促使学生综合运用所学的地理科学知识，根据实验的研究结果，认识地理现象，分析地理问题，并对地理现象背后的原因进行解释，做到“知其然”和“知其所以然”。

1 研究性实验的设计与实施

1.1 研究性实验的设计

1.1.1 研究性实验的教学目标

基于近20年的月尺度遥感影像，研究典型内陆水体，中国第一大淡水湖——鄱阳湖的年际时空变化特征和年内干湿季的波动情况，并结合气候、土地利用数据对该变化特征进行驱动力分析。

1.1.2 研究性实验的教学内容

该研究性实验主要包含以下5部分内容。

（1）水体指数方面，在已学理论知识的基础上，结合水体的光谱特征，理解水体指数设计的原理及适用情况，熟悉多种水体指数。

（2）掌握利用ENVI 软件计算水体指数，基于多期遥感数据，实现鄱阳湖近20年干湿季水域范围的自动提取。

（3）针对水体指数自动提取的水域范围，通过目视解译进行修正。

式中，是经伸缩变换后的K（·）核密度，h是带宽，wi是质点i的归一化权重。相比而言，Kh（θ）则对应于常规质点滤波方法中的狄拉克δ函数δ（θ）。核密度函数的设计需要特别注意，以确保近似分布和实际分布之间的残差最小。假设所有质点都是等权重的，且密度是高斯型的，那么最优的核为Epanechnikov核（Musso et al，2001）。

（4）分析鄱阳湖近20 年干湿季水域面积的变化特征。

（5）驱动力分析方面，组织学生搜集数据，结合气候、土地利用数据，分析鄱阳湖近20 年干湿季水域面积变化的影响因素。

1.2 研究性实验的实施

1.2.1 选取研究性案例

《遥感概论》的实验课程所涉及的数据处理内容一般包含数据前期预处理、几何校正、镶嵌拼接、自动分类，专题类型的提取，目视解译等内容。在研究性课题或者案例选取方面，只要可以将上述数据处理环节综合，能让学生利用所学的地理学知识分析数据结果，从而获取新的知识，均可以作为研究性实验的案例。

该文以鄱阳湖为研究对象，利用遥感技术分析其近20 年来干湿季的水域范围波动情况。鄱阳湖的坐落范围为28°11'N～29°51'N，115°49'E～116°46'E，是中国最大的淡水湖，与长江相连，其水域范围从湿季到干季经历较大的变化，有“丰水成面，枯水呈线”的说法[2]。鄱阳湖面通常从南往北倾斜，湖水从南往北流入长江[2]。每年11月至次年2月是鄱阳湖的干季，面积可低至500 km2，每年6～9月份是鄱阳湖的湿季，面积一般大于2 500 km2。湿季湖泊流入长江的水量平均为14.36 km3/yr，干季湖泊流域长江的水量为4.96 km3/yr。鄱阳湖流域的气候属于亚热带季风气候，流域内降水有明显的季节性差异，年均降水量约1 500 mm，降水主要发生在每年的4～6 月，占全年降水量的45%。流域内平均气温为16.5 ℃～17.8 ℃，夏季气温介于28.4 ℃～30.0 ℃，冬季气温介于4.2 ℃～7.2 ℃[3]。三峡水库工程的运行影响长江—鄱阳湖的水量交互，造成鄱阳湖对长江的补给增加，进而影响鄱阳湖的水域范围。有研究指出，2000—2010年，鄱阳湖水域面积以每年30 km2的速度在萎缩，导致流域内南矶山湿地保护区的植被面积扩张了30%[4]。因此，研究鄱阳湖水域范围的干湿季变化特征有利于了解其与长江之间的水量交互，有利于研究流域内的水量平衡关系，对流域的水文和生态环境具有非常重要的意义。

1.2.2 课堂教学设计与实施

此次研究性实验的教学组织如图1 所示，分为课前、课中、课后这3个部分。

图1 《遥感概论》研究性实验的教学组织结构图

（1）前置学习。教师的前置学习：①准备实验所需的数据；②提前录制好操作视频。其中，教师预备的学习资料可以是多种形式，比如：网络链接、课件、或者是附有主题词关键词的指导，以便锻炼学生进行信息筛查、选取和检索的能力。该次实验共搜集2000—2020年每年湿季（6～9 月）、干季（每年11 月到次年2 月）共349景高质量的中分辨率成像光谱仪（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer，MODIS）影像来进行研究[4]，其中湿季有179 景，干季有170 景。MODIS 数据可以提供高时间频率的可见光影像，能够监测湖泊在短时间内的波动和多年变化趋势[5]。

学生的前置学习：①查阅资料，了解鄱阳湖的气候、水文特征；②下载类似案例论文进行学习，便于对该案例的研究思路、数据处理流程和驱动力分析方法有初步的认识。在前置学习中，通过阅读其他论文，学生对于驱动力分析有了一定理解，可以根据数据处理的结果和教师提前预备的气候、土地利用数据，对鄱阳湖水域的干湿季变化特征进行驱动因子分析[6]。

（2）课中。教师在课中需要全程指导学生的操作过程，并对学生在数据处理中遇到的疑惑进行解答。教师通过课堂上师生之间的互动交流，了解学生的疑惑，再将实验中涉及的知识点进行补充穿插，使学生系统地掌握实验思路，促进学生积极思考、反复训练，进而提高学生分析问题、解决问题的能力，激发学生的探索欲[7]。

该实验设置学生分组学习，以便提高学习效率，同时有利于学生之间不同思路的交流。课中学习任务包含以下几个方面。

①利用ENVI软件进行水体指数计算，并设定合适阈值，自动提取陆表水体。②针对自动提取的结果进行目视纠正。③对多期鄱阳湖干湿季的陆表水域面积结果进行统计。④分析鄱阳湖干湿季水域范围的时空变化特征。⑤结合已有的气候、土地利用数据，分析鄱阳湖水文特征变化的驱动力[8]。

（3）课后。课后，教师通过实验课上师生之间的互动交流情况，及时对实验中薄弱环节进行总结。学生课后需要对整个实验过程、研究结果、结论进行总结，撰写实验报告并制作PPT，在理论课堂上进行内容展示和汇报，如图2、图3 所示。2000—2020 年有179 景湿季数据和170 景干季数据，因此湿季和干季水域的淹没频率分别介于1～179和1～170。

图2 鄱阳湖2000—2020年干湿季水域淹没强度

图3 鄱阳湖干湿季面积与气候因子波动对比

2 效果评价

针对该次研究性实验的教学效果，设计了如表1所示的调查问卷。问卷从前置学习、课中数据操作处理、课后应用的角度去考察学生对这种教学方式的认可度，调查对象为46 名学生。结果显示，学生对该次研究性实验的接受度较高，除第9 项研究报告是否可以发表成文外，其余评价内容的认可度均高于90%，个别项目的认可度达到100%。说明学生认可这种课前学习、课中操作、课后应用的教学方法，同时提高了学生对《遥感概论》课程的学习兴趣。

表1 学生对研究性实验的认可度 n（%）

3 结语

传统的《遥感概论》实验课程，一般针对各理论知识进行零散性的实验，没有形成一个完整的应用流程；没有联系学生的专业背景，做到专业知识与实验课程相结合。该文将鄱阳湖干湿季水域范围时空变化的研究课题引入《遥感概论》的实验课程，学生在一个完整的遥感应用实例中进行遥感软件操作、遥感图像处理、专题信息提取以及遥感图像人机交互解译等练习，学生可以理解水体指数的设计原理、如何选取合适的阈值进行水面的提取、如何进行丰枯水期水域面积的波动监测、如何分析水域面积波动的驱动力。学生能够深刻地理解理论知识，并结合数据处理能力提升自身发现问题、解决问题的能力。该次研究性实验，学生充分利用课余时间进行实验前的预备和实验后的总结，课堂中进行深入理解和实践操作，有利于提升学生的科研思维，能够提升学生对遥感技术类课程的吸引力。同时，研究性实验的教学模式可以提升教师的专业水平。在研究性实验课的教学模式下，教师要广泛查阅文献，掌握国内外研究热点，搜集整理遥感技术应用案例。课上引导学生如何对案例进行实施，并在综合性问题出现时寻找知识点来解决问题，实现把 “研究性案例”与课堂内容相融合，互为支撑与验证。课后时间主要是客观地评价学生作业。整个流程中，教师在不断地拓展专业知识，不断扩充遥感应用的知识面，这样在教学的过程中也提升了教师的科研能力，促进了遥感学科的发展，为社会提供更多优秀的遥感应用人才。