PIE系列遥感软件在测绘类专业体验式教学中的应用

张成业 李 军 赵恒谦 刘东升 任 芳 王宏鹏

（1.中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院，北京 100083；2.中国矿业大学（北京）煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京 100083；3.航天宏图信息技术股份有限公司，北京 100195）

0 引言

近年来，随着航空航天、计算机、光电成像、传感器制造等技术的快速发展，遥感技术无论是在数据、算法、算力，还是应用上都取得了长足的进步，目前已经广泛应用于农业、林业、水利、交通、地质、生态环境、防灾减灾、军事侦察、城市建设等各个行业领域［1-6］，在国民经济和社会生产中发挥了越来越多的作用，与此同时也受到了美国、英国、法国、俄罗斯等世界主要大国的广泛重视。

然而长期以来，我国各类高等院校、科研院所、工程应用单位在遥感数据处理任务中绝大多数使用国外版权的软件，为国产遥感技术的独立自主发展和国家地理信息安全埋下了一定的隐患。其主要原因之一，就是现阶段高校测绘类专业实践课程教学长期依赖国外版权的遥感软件，国产遥感软件的实践教学内容涉及较少。根据教育部公布的“普通高等学校本科专业目录（2020 年版）”，高校测绘类专业包括测绘工程、遥感科学与技术、导航工程、地理国情监测、地理空间信息工程等，是向社会输送各层次遥感人才的重要源头。如果单纯使用国外版权的软件进行遥感实践教学，必然导致学生后续无论是读研深造还是从事遥感一线应用工作，都习惯于依赖国外版权的遥感软件完成数据处理任务。为了从源头上减轻对国外版权软件的依赖，有必要开展国产遥感软件在测绘类专业实践教学中的应用研究，推动国产遥感软件在高校的使用和发展。

像素专家（pixel information expert，PIE）系列遥感软件由航天宏图信息技术股份有限公司研发，具有国产完全自主知识产权，目前已经在国内的气象、农业、林业、水利、国土、环境保护等多个行业开展了广泛应用，发表了一系列的成果［7-12］。然而，相对于PIE系列遥感软件在国内迅速发展应用的现状来说，PIE 相关的本科教学研究尚处在起步阶段。2021 年，PIE 软件的系列实践教材相继出版，分别为《PIE 遥感图像处理基础教程》［13］《PIE 遥感图像处理专题实践》［14］《PIE 遥感图像处理二次开发教程》［15］。三本教材分别从基础操作、专题操作、二次开发这三个方面按照教学需求层层递进的思路为PIE本科实践教学提供了基础资料。然而，教材只是实践教学实施过程中的工具之一，PIE 真正走进高校课堂还需要教学大纲、教案、教学视频等一系列教学素材。尤其是国产遥感软件功能是否适合测绘类本科实践教学的特点、是否能够满足本科教学的需求，值得进一步分析探讨以及案例试验。然而，经文献检索发现，尚未有公开的论文对PIE 系列遥感软件进行教学方面的研究。

测绘工程、遥感科学与技术等测绘类本科专业对工程实践的要求具有复杂性、严谨性以及一定程度的机械重复性。学生在实践操作中容易滋生“兴趣低、不愿学”的负面情绪［16-18］。体验式教学是通过各类型的情境教学来帮助学生认识事物与学习知识，能够使学生以亲身体验的方式完全参与学习过程，使学生由被动角色转变为真正的主角，充分激发学生的学习兴趣［19-21］。基于体验式教学理念进行实践教学方案设计，能够让PIE 系列遥感软件在测绘类专业实践教学中寓教于乐——让学生既能体会到实践课程的乐趣，又能掌握专业技能。

本文从测绘类本科专业遥感实践课程教学的角度出发，分析PIE 系列遥感软件在教学应用中的必要性和适用性，充分利用体验式教学理念和翻转课堂，设计教学案例并在本科教学实践中进行试验，以期为PIE 在测绘类专业体验式实践教学中的推广应用提供借鉴，推动国产遥感软件实践教学的发展。

1 PIE软件体系

PIE 系列遥感软件主要面向国内外主流的遥感影像数据提供图像预处理、信息解译与提取、参数反演、专题制图等多种功能［22-23］。自2008 年以来，PIE 从1.0 版本发展到目前广泛使用的6.0版本。以PIE 二次开发工具（PIE-SDK）为支持，主要工具软件包括：遥感图像基础处理软件（PIE-Basic）、卫星影像测绘处理软件（PIEOrtho）、雷达影像数据处理软件（PIE-SAR）、高光谱影像数据处理软件（PIE-Hyp）、无人机影像数据处理软件（PIE-UAV）、尺度集影像分析软件（PIE-SIAS）、遥感图像智能处理软件（PIE-AI）、地理信息系统软件（PIE-MAP），主界面如图1所示。此外，还包括遥感云服务平台PIE-Engine。

图1 PIE 6.0版本主界面

PIE-Basic 主要面向国内外主流的常规遥感载荷数据，实现辐射校正、几何校正、波段运算、专题制图等常见的遥感图像处理基础功能。PIE-Ortho 主要侧重于控制点生成、影像自动匹配、联合平差等卫星影像几何处理功能。PIESAR 主要提供相位提取、相干性计算、相位解缠、极化分解等合成孔径雷达（synthetic aperture radar，SAR）数据常见的处理功能。PIE-Hyp 主要侧重于光谱库建立、光谱浏览、端元数目估算、端元提取、混合像元分解等高光谱影像数据常见的处理功能。PIE-UAV 支持多种框幅式数码相机拍摄、任意航迹的无人机影像自动处理等。PIESIAS主要侧重于尺度集分割、人工样本选择、自动样本选择等面向对象分类所需的功能。PIE-AI主要支持基于深度学习的遥感影像自动化和智能化分类与目标识别。PIE-MAP主要提供空间数据管理、查询分析、地理标绘、矢量编辑、二维及三维动态可视化等地理信息系统（geographic information system，GIS）数据处理功能。PIE-Engine 主要提供在线可编程的遥感图像数据处理服务。

综上所述，PIE 系列各个软件面向的遥感数据、处理功能各有侧重，优势互补，这为走进测绘类专业实践教学课堂奠定了基础。

2 教学应用的必要性分析

在测绘类专业的遥感实践课程中大量增加国产遥感软件教学内容是一种需要付出大量人力、物力、财力的教学改革。本文从维护国家地理信息安全、支持国产遥感卫星事业发展、服务于课程思政教育这三个方面对国产遥感软件教学应用的必要性进行分析。

2.1 维护国家地理信息安全

国家地理信息安全是国家核心利益的基础，事关国家的主权、安全和发展［24］。国外遥感软件无法长期保障国民经济重要行业和事关国家安全的关键领域对遥感数据处理的需求，一旦国外软件停止服务，将会造成一定时期内无法有效处理遥感数据的尴尬局面。此外，遥感图像处理软件直接关系到遥感数据的信息安全，对一些国外软件在线服务功能的使用，具有地理信息数据泄露的风险。国产遥感软件走入课堂教学有助于提升学生对国产软件的操作技能，从长远来看，可以保证紧急情况下大量遥感数据能够得到及时有效的处理，支撑国家各行业部门对遥感数据处理的应用需求，维护国家地理信息安全。

2.2 支持国产遥感卫星事业发展

发展国产遥感卫星是《国家民用空间基础设施中长期发展规划（2015—2025 年）》的重要要求。经过多年发展，先后建设了资源系列、测绘系列、环境减灾系列、高分专项系列、自然资源业务星座等民用陆地观测卫星，以及风云系列、海洋系列等气象和海洋卫星，获取了海量卫星遥感影像数据，为各行业社会建设作出了巨大贡献［25-28］。然而，国产遥感卫星事业的发展仍然需要继续深挖现有海量数据的潜在应用价值。对国产高分系列、资源系列、风云系列等主流多源遥感影像数据兼容性和针对性处理，是PIE 国产遥感数据处理软件相较于国外软件的特色优势。国产遥感软件走入课堂教学能够促进学生更多地使用国产遥感卫星数据，进一步发掘国产遥感卫星数据在各行业领域的应用价值，支持国产遥感卫星事业发展。

2.3 服务于思政教育

课程思政是将思想政治教育元素融入各门课程中去，对学生产生潜移默化的影响。2020年，教育部印发《高等学校课程思政建设指导纲要》，要求全面推进高校课程思政建设，发挥好每门课程的育人作用。专业基础课是课程思政建设的难点［29］：如何发挥好遥感实践类课程在课程思政建设中的作用是高校测绘类专业共同面临的难题。2020年，美国政府发布了一系列关于GIS、物联网（Internet of things，IoT）类、MATLAB 等软件限制出口中国的条例。在此背景下，PIE国产遥感数据处理软件（图1）对标国外一流的遥感软件和遥感云服务平台，掌握遥感软件的国产完全自主知识产权，为在遥感实践类课程中融入思政教育提供了很好的素材和切入点，有利于推进测绘类专业的课程思政教育发展。

3 教学应用的适用性分析

3.1 知识覆盖性

PIE 系列遥感软件具有丰富而强大的图像处理功能、高度的遥感/地理信息系统集成功能、先进的图像处理技术以及面向广阔应用领域的产品模块，功能涵盖现有遥感相关课程的主要内容，难、易知识点均充分考虑。以《遥感数字图像处理》课程为例，PIE 系列遥感软件覆盖课程主干知识，针对课程主要内容均有对应的功能模块，如表1所示。

表1 遥感数字图像处理课程主要内容及对应的PIE软件模块

3.2 数据兼容性

PIE 系列遥感软件不仅支持对不同数据类型（栅格数据、矢量数据等）进行加载、显示及处理，而且对资源系列、高分系列、环境系列、珠海系列等国产卫星数据的兼容性处理是其软件特色功能。针对不同载荷、不同传感器获取的影像数据开发了相应的软件包，帮助用户快速、高效地提取有效信息。

3.3 人机交互性

PIE 系列遥感软件采用微软Ribbon 风格，界面简洁友好，学生在使用过程中可根据自身需要快速找到所需功能。同时，PIE 软件配套了操作视频和使用手册帮助学生上手操作。

以PIE-Basic软件【图像增强】工具中【彩色空间正变换】功能为例。用户只需将进行彩色变换的影像文件路径添加到【输入文件】，然后根据输入影像数据波段信息选择对应的红、绿、蓝通道及输出结果对应的色调、饱和度、亮度通道，再将变换后的结果文件存储路径及文件名添加到【输出文件】。最后，点击【确定】即完成彩色空间的转换。

与现有遥感影像处理软件相比，PIE 软件具有高度的灵活性和可扩展性，借助二次开发组件包，该工具支持插件式和组件式两种开发方式，学生在使用过程中可充分发挥其主观能动性，全面锻炼其遥感开发及创新能力。

4 体验式教学案例设计与常见问题

本文以遥感数字图像处理课程中辐射校正为例，在体验式教学创新理念的引导下，结合PIE系列遥感软件设计了1 个典型的实践教学案例，如表2所示。

表2 《遥感数字图像处理》课程体验式教学案例

中国矿业大学（北京）测绘类专业课程教学实践表明，基于体验式教学模式的PIE 系列遥感软件应用效果明显。近五年，测绘类专业平均每5名学生发表1篇学术论文、获得1项行业协会及以上级别的竞赛奖励。学生在课程实践过程中，不仅夯实了遥感理论知识基础，而且显著提高了遥感图像处理的动手实操能力，进而促进了大学生创新创业训练计划、毕业设计（论文）等培养环节的开展，形成了“新工科”背景下产学合作协同育人的有效模式。

5 结束语

（1）在教学应用的必要性方面。本文从维护国家地理信息安全、支持国产遥感卫星事业发展、服务于课程思政教育三个方面分析了国产遥感软件教学应用的必要性。首先，从维护国家地理信息安全角度出发，将PIE 系列遥感软件代替国外版权软件作为课堂教学的一部分，有助于摆脱长期以来对国外版权软件的依赖，有效避免地理数据处理过程中可能发生的信息泄露问题。其次，随着我国遥感卫星事业的快速发展，国外版权软件对于国产遥感数据的兼容性还有待改善，PIE 系列遥感软件针对我国高分系列、资源系列、风云系列等主流遥感影像数据开发了相应的功能模块，为进一步发掘国产遥感卫星数据的应用价值和支持国产遥感卫星事业发展奠定了基础。第三，从服务于课程思政教育的角度出发，PIE 系列遥感软件符合国家课程思政建设的方向，为思政教育建设提供了很好的素材和切入点，有利于推进我国测绘类专业的课程思政教育发展。

（2）在教学应用的适用性方面。作为国内首款国产遥感软件，PIE 在知识覆盖面、数据兼容性、人机交互性三个方面展现其特色优势。在知识覆盖方面，PIE 软件功能覆盖相关课程的主要内容，服务于课程实践及相关科研活动。在数据兼容性方面，PIE 支持多种数据文件类型，并针对国产卫星数据做了兼容性处理，开发了专门的数据处理模块。在人机交互性方面，PIE 界面简洁，符合大众审美，易于学生上手操作。此外，二次开发组件包为学生提供了良好的开发环境，便于激发学生学习兴趣、提高学生遥感开发和创新能力。

（3）未来展望。PIE 从1.0 发展到6.0 版本，功能模块不断丰富完善，性能指标不断提升，但还存在一些需要改进的地方。例如，PIE-Basic软件（6.0 版本）在线地图数据加载偶尔不够流畅，有待进一步改善。同时，软件在用户数量、品牌影响力等方面均有待提升。此外，PIE 国产遥感软件在教学中的应用还需进一步探讨研究，尽管已有PIE 软件相关的实践教材出版，但只有少数高校将其列入教学指定教材展开应用。对于高校而言，需要结合PIE 系列遥感软件特点，制定适合相关专业学生的标准化教案和教学视频，推进国产遥感软件在测绘类专业实践教学中的应用。