PIE软件在遥感综合应用实验教学中的实践

赵恒谦 李军 陈伟 蒋金豹 张成业

摘   要：在遥感综合应用教学过程中，需要实现由基础知识向实践应用的过渡，将基础知识应用于解决实际问题当中。该文使用国产遥感数据处理软件——PIE软件，以矿区生态环境综合评价为例，较为系统地分析了当今PIE软件在遥感综合应用教学中的优势，以及实际应用方法与软件操作流程。引导学生进行PIE软件的自我学习，激发学生的自主学习潜力，使遥感综合应用实践教学达到回归基础、提升能力的效果。

关键词：PIE软件    遥感综合应用    生态环境评价    教学改革

中图分类号：G642             文獻标识码：A

Practice of PIE Software in the Teaching of Comprehensive Application and Practice of Remote Sensing

—Taking the Comprehensive Evaluation of the Ecological Environment in Mining Areas as an Example

ZHAO Hengqian   LI Jun   CHEN Wei   JIANG Jinbao   ZHANG Chengye

（College of Geoscience and Surveying Engineering， China University of Mining & Technology （Beijing）， Beijing， 100083 China）

Abstract： In the teaching of Comprehensive Application of Remote Sensing， it is necessary to realize the transition from basic knowledge to practical application， and apply basic knowledge to solve practical problems. Using PIE software， a domestic remote sensing data processing software， taking the comprehensive evaluation of the ecological environment in mining areas as an example， this paper analyzes the advantages， practical application methods and software operation process of current PIE software in the teaching of Comprehensive Application of Remote Sensing in a more systematical manner， and guides students to self-learn PIE software to stimulate their self-learning potential， so that the teaching of Comprehensive Application and Practice of Remote Sensing can achieve the effect of returning to the basis and improving ability.

Key Words： PIE software; Comprehensive application of remote sensing; Ecological environment assessment; Teaching reform

遥感综合应用是遥感相关专业的本科生或研究生在专业课上机中的一项重要内容[1]。遥感具有专业知识更新快、理论方法多与研究领域广等特点[2]。通过使用遥感中的分类、解混、波段运算等方法，結合遥感综合实验，对解决生态系统环境问题等系列问题具有实践指导意义[3-4]。遥感综合应用通过设计软件实操和编程实践等内容，让学生们巩固遥感图像处理的基本原理，加深对图像处理过程中的重要算法的理解，提升对遥感图像进行多方面综合分析的能力，提高其对遥感应用方向的兴趣及主观能动性，为培养高素质遥感专业人才奠定基础[5-7]。

当前，在遥感综合应用实验教学中，仍然过度依赖国外遥感软件（例如ENVI、ArcGIS等），而对国产遥感软件的使用相对不足，这将严重制约国产遥感应用业务化生态圈的建立与可持续发展[8]。近年来，国产遥感软件发展迅速，以航天宏图的PIE系列遥感软件为例，其包含的一系列遥感数据处理软件，以及PIE的云开发平台所拥有的大量的国产遥感数据集，可以基本覆盖日常办公及学习的需要。在软件国产化发展的趋势下，改革应用实践，引入国产数据和软件，提高学生使用国产数据和软件的能力，从而形成新的教学体系和教学案例，是非常重要和迫切的。因此，该文以矿区生态环境综合评价应用为例，充分运用国产PIE系列软件，将遥感科技前沿引入遥感高阶专业课实验教学实践中。

1 实践教学现状与问题

（1）教学理念和内容重理论轻实践，缺乏优秀的实践教学案例。在传统的教学过程中，人们更加注重教师教授了多少理论，而常常忽视了学生能掌握多少、吸收多少、运用多少。重理论轻实践，导致学生会答题应试，但是对遥感图像的处理及分析过程一知半解。因此，在教学改革中，需要结合实际应用来设计实践教学案例，在培养学生时，更应该重点培养学生的实践能力、数据处理能力、综合分析问题能力。

（2）在实践教学中，涉及国产遥感软件数据处理的内容非常少，对国外遥感软件和数据过度依赖。目前，在遥感专业课的应用实践中，大多使用ENVI软件对图像进行处理，用来分析的数据源也大多是国外的影像数据，例如MODIS影像、Landsat影像和Sentinel影像等。

（3）教学模式单一，学生缺乏自主学习与研究精神。目前，课堂教学大多数都是老师讲，学生听的状态，基本上都是满堂灌的授课形式，学生缺乏自己发现问题并解决问题的精神，不善于自主学习与研究，从而导致学生缺乏学习兴趣。因此，推进遥感综合应用教学改革，利用好现有的优秀学习资源，让学生主动学习并掌握国产遥感软件和数据的应用，显得非常重要和紧迫。

2  PIE系列软件的应用现状及优势

2.1   PIE系列软件的应用现状

航天宏图信息技术股份有限公司（以下简称航天宏图）自主研发的PIE（Pixel Information Expert）系列软件，是一款高度自动化、简单易用的遥感工程化应用软件。PIE遥感产品体系包括PIE-Ortho卫星影像测绘处理软件、PIE-Hyp高光谱影像数据处理软件、PIE-SAR雷达影像数据处理软件、PIE-UAV无人机影像数据处理软件、PIE-SIAS尺度集影像分析软件、PIE-AI 遥感图像智能处理软件和PIE-Map地理信息系统软件以及云开发平台PIE-Engine软件功能设置。PIE系列软件提供了遥感数据处理、分析应用、云计算及二次开发的完整体系，基本功能已经与国外软件相当，部分处理国产卫星数据的能力已经优于国外软件。

此外，航天宏图公司为方便初学者进行学习，在其官网上还提供各个软件的培训视频，同时与众多专家合作创办了智慧地球大讲堂，为线上学习提供了宝贵的学习资源。其每年举办的PIE二次开发大赛也吸引了众多高校学生的参与。这一活动不仅激发了在校师生和广大青年科技工作者的创新创业热情，而且还促进了遥感技术在各行业领域的深化拓展和广泛应用。其很多成果已应用到各个领域，如运用无人机参与抗洪救灾、震后救灾等，连续采集灾害数据，为应急部门决策提供技术支持和保障等。

2.2   PIE系列软件的优势

与国内外其他遥感软件相比，PIE系列软件主要有以下几方面优势。

2.2.1  性价比优势

目前，ENVI、ArcGIS等国外软件的正版价格高昂，多数学生用的都是经过破解之后的版本。而PIE 的价格较低，如果只是短期使用，仅需简单地申请试用就能获得正版软件的使用权限，具有性价比优势。

2.2.2  国家政策支持

遥感数据资源是国家重要的战略资源，涉及国家安全问题。此前，国外的一些航天强国都曾对地理信息空间产业建立相关法律法规，以便为遥感影像数据提供相应政策保护。近年来，我国也进一步加强了信息安全监管的相关政策，鼓励行业应用以自主数据源和自主平台软件替代国外同类产品。正因如此，PIE系列国产软件的发展才有了国家政策的大力支持。

2.2.3  国产数据优势

随着我国遥感卫星的迅速发展，国产遥感卫星正在逐步实现对国外遥感卫星的替代。我国资源卫星、高分卫星、风云卫星等大量国产系列卫星发射成功并投入使用，商业高分辨率遥感卫星的队伍也逐步壮大，在此背景下，航天宏图公司凭借着对国产卫星平台和载荷特点的深入研究，其PIE软件在国产卫星处理的精度和效率方面较国外ENVI、PCI等产品相比，具有较强的技术优势。

3   基于PIE系列软件的实践案例设计

3.1   实验区及影像数据概况

此实践要求的研究区为安徽省淮南市的淮南矿区。淮南矿区位于东经116°21′21″～117°11′59″，北纬32°32′45″～33°0′24″之间的安徽省中北部的淮河沿岸，海拔16.5～240 m。矿区横跨淮河两岸，东西长约70 km，南北倾斜宽约25 km，总面积约1591 km2。淮南矿区得天独厚的地理条件使其蕴藏了丰富的煤炭。淮南矿区的矿产资源储备量大、质量上乘且热值较高，-1 500 m以上已探明的保有储量达为500亿t。然而，随着淮南矿区开采力度加大以及城市的快速发展，矿区开采导致了地下水的渗漏、地下水位不断下降等问题，造成了淮南市水资源短缺[9]。另外，由于煤炭在开采过程中的粗放式加工利用模式，导致地表塌陷、土壤破坏、地表植被损伤、大量农田塌陷成沼泽地、居民房屋受到不同程度的损坏甚至沿途的公路和铁路也受到影响，淮南矿区的生态环境遭受到不同程度的毁坏[10]。可见，淮南矿区可以作为典型矿区代表，对其进行生态环境综合评价。

实践过程中，给学生提供了2018年10月淮南矿区的“珠海一号”欧比特高光谱数据，其空间分辨率为10 m，成像范围150 km×2 500 km，光谱波段数32个，光谱分辨率2.5 nm，波长范围400～1 000 nm。“珠海一号”一共有4颗高光谱卫星，5 d左右即可实现对全球范围覆盖扫描一遍，对于特定地区可以实现每天多遍重访扫描。利用“珠海一号”高光谱卫星，可以充分发挥其高光谱分辨率的优势，能够采集到更丰富的地物光谱信息，有利于遥感信息的定量分析和更精细化的地物识别。近年来，“珠海一号”高光谱卫星数据在资源监测、环境检测、城市发展、生态保护等领域都具有非常广泛的应用。“珠海一号”高光谱数据波段覆盖范围为可见光/近红外波段，并未包含1 000 nm以外的中红外波段，但是在数据分析中，计算湿度指数、干度指数和热度需要短波红外和热红外作为输入波段，所以， 此实践中还需要使用同一时相的Landsat 8-OLI数据作为波段补充数据，进行波段融合。

3.2   数据预处理

利用PIE-Hyp高光谱影像数据处理软件对“珠海一号”影像和Landsat 8-OLI影像进行拼接处理、辐射校正和大气校正，并推荐将影像坐标和投影坐标统一选择为WGS84坐标系统和横轴墨卡托投影（UTM），并利用研究区基础数据裁剪预处理后的影像。PIE-Hyp是一款面向GF-5、珠海一号、Hyperion等国内外主流高光谱影像全流程处理系统。软件具有影像质量评价及修复、图谱分析、辐射校正、几何校正、目标探测、地物分类、参量反演分析等专业处理功能。因此，对于“珠海一号”影像，PIE-Hyp软件中有其OHS传感器的参数，无须设置过多参数，即可直接使用软件中的辐射定标以及大气校正功能进行校正，如图1、图2所示。

3.3   波段合成和RESI指数计算

为了计算RESI指数，需要将Landsat 8的中红外和热红外波段融合至“珠海一号”高光谱数据（如图3所示），完善高光谱数据波段，最后获得淮南矿区研究范围的最终影像（如图4所示）。

在RSEI指数计算和分析环节，不对其具体使用的公式做要求。学生们可以通过自行閱读相关文献，查阅各种资料，寻找合适的RSEI指数计算公式和分析方法。

在此，提供一种典型的RSEI指数计算方法供参考，公式如下[11]：

（1）绿度指标（NDVI）计算：

（2）湿度指标（WET）计算：

（3）干度指标（NDSI）计算：

式中，、、、、、分别为红、绿、蓝、近红外、短波红外1以及短波红外2波段。～为系数。

（4）热度指标（LST）计算：

式（7）（8）中，为TM或OLI影像热红外波段在传感器处的辐射值；DN 为灰度值；gain 和 bias 为波段增益与偏置值；、为定标参数。

通常TM影像中=607.76 、=1 260.56 K，OLI影像中=480.89 、=1201.14 K；T为亮温；为TM 或 OLI 影像热红外波段的中心波长；z =1.438×10-2 mK；为地表比辐射率，可以采用NDVI阈值法获取地表比辐射率。

针对“珠海一号”数据以及Landsat8数据的波段特征，选择合适的波段进行指数运算，如图5所示。

最后，基于上述指数计算的结果进行主成分分析，得到淮南矿区RSEI指数分布图（见图6），由此，对其生态环境进行综合评价。

4   实践教学改革效果

经过多个学期的教学实践，本科生和研究生对利用PIE系列软件进行高光谱数据处理及分析的熟练程度有显著提升。我们发现，学生会在实践课上通过自行查阅相关论坛或者观看航天宏图公司网站提供的学习视频，主动学习PIE系列软件的各项功能。相比于理论课程，在实践课上学生们更愿意思考问题，寻找解决问题的办法，不仅软件的操作能力得到了提升，学习效率也得到进一步提高，不只是通过老师和书本获取知识，而是通过多方途径自主学习。通过上交的结课作业最后的自我总结报告可以看出，多数同学对国产遥感图像处理软件的认识从无到有，认为国产软件的优势明显，操作简单易学。例如：有的同学在自我总结报告中写道，“本次实践所使用的无论是珠海一号遥感数据还是PIE遥感处理软件都是我们国产的，这次课程设计也有助于提升我们的民族自信心，只要肯用心，不依靠国外的技术也能够取得相应的结果。同时我也需要注意到，在遥感领域我们与国外仍然存在一定的差距，这就需要我们大家在将来投身祖国的建设当中，推动科学技术的不断进步，做出应有的贡献”，“这次实践不仅帮助我将课堂上的理论知识在实操中逐渐熟练，而且让我懂得了更多解决问题的方法，使我获得了PIE系列软件的进阶经验和技能提升”。总之，将国产遥感图像处理软件应用于遥感专业课的实践中，能让学生们更快、更好地达到实践目的，同时也推广了国产软件在学生中的应用。

5   结语

在遥感应用实践中引入PIE系列软件是对以往应用实践教学的一次全面改革，在这个过程中，老师需要根据实践内容和学生自身情况来对课程内容、实践要求及时进行调整。将PIE系列软件引入遥感专业课实践教学，极大地发挥出了国产遥感图像处理软件的多方面优势，其简单易学的操作界面极大提高了学习效率，改进了学习效果，使学生的数据处理及应用能力和创新能力得到了进一步提升。

参考文献

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[10] 耿宜佳.淮南煤矿区生态环境综合评价研究[D].合肥：合肥工业大学，2016.

[11] 郝应龙，王庆军，陈琪乐，等.基于RSEI的库车县林果特色种植区生态环境质量时空变化分析研究[J].新疆地质，2020，38（2）：257-261.