遥感数字图像处理方法-实验课程建设方案.doc

遥感数字图像处理方法 实验课程建设方案

负责人：钱乐祥
参与者：崔海山，夏丽华，陈颖彪，王 芳，区奕浦

一、实验课程的指导思想、基本构想
经过几十年的发展，地理信息系统学科已经形成了“地理信息系统理论”、“地理信息技术”和“地理信息系统实验”的基本特征，只是人们传统的叫法难以一时纠正。因此，在地理信息系统教育中加强培养学生综合应用地理信息系统知识构建地理信息系统模型，进行地理信息系统实验、解决实际问题的能力，也就成为21世纪地理信息系统教育改革面临的重大课题，并构成了地理信息系统创新教育的重要方面。这里以地理信息系统实验课程体系中的“遥感数字图像处理方法”实验课程为例，探讨该实验课程的指导思想、教学内容、教学模式和评价体系等课程体系的各个方面。
但“遥感数字图像处理方法”实验是怎样的一门课程?应如何开设?是各高等院校正在尝试和探索的一个重要课题。借鉴国内外院校教改的经验，结合我院的专业特点，对“遥感数字图像处理方法”实验课程进行了多方面的探索和实践，初步确立了“遥感数字图像处理方法”实验课程的教学指导思想、教学内容、教学模式和评价体系。
地理信息系统教学中的“遥感数字图像处理方法”实验，就是从给定的实际问题出发，利用计算机系统作为实验工具，以遥感理论作为实验原理，以参数反演、模型构建或图像演示等作为实验内容，以实例分析、信息提取、归纳总结等为主要实验方法，以实验报告、论文等为最终形式，以学生为主体的实践教学活动。强调学生亲自动手和设计，体验解决问题的过程，从实验中去学习、探索和发现遥感规律。通过教学使学生了解利用遥感理论和遥感方法分析和解决问题的全过程，激发他们学习遥感的兴趣和应用遥感解决实际问题的意识与能力，提高他们利用计算机软件及当代最新科技成果的意识，能将遥感、计算机有机地结合起来去解决实际问题，培养学生的创新精神和创新能力。
我们强调，“遥感数字图像处理方法”实验是以实验为主体、以学生为主体的课程。在内容上不追求系统性与完整性，而着眼于学生感兴趣、具有探索性、综合性和启发性的遥感或其他领域内的遥感问题；在讲授上以教师介绍、引导和鼓励为主要方法，突出学生参与的讨论教学模式；在考核上侧重以实验设计的创造性、实验过程的参与热情和专注精神、实验报告的可靠性和规范性为主进行综合评判。
二、实验课程内容、分层次实验项目的设置、学时安排、考核方式
1、内容部分
我们认为，“遥感数字图像处理方法”实验可分为三个层次：基础性实验、设计性实验、研究性实验，总学时为54，三层次实验的合理比例为30%，50%，20%。其详细内容可根据学生的特点自由取舍和增补，在表1中给出了我院在教学中选择的实验内容和素材。实际授课时基础实验学时必须保证，如果学生计算机水平较差，可适当增加2个学时的软件学习实验，设计性实验选取其中的7～8个题目，在16～18学时内完成。研究性实验一般选取1～2的题目，在4～8学时内完成。
表1 “遥感数字图像处理方法”实验课程的教学内容
层次
参考内容
基础性实验
ERDAS image或ENVI软件入门
各种格式图像的输入/输出；三维地形表面；图像分幅裁剪；图像几何校正；图像拼接处理；图像投影变换
设计性实验
空间增强处理；辐射增强处理；光谱增强处理；地形分析；非监督分类；监督分类；变化检测与代数运算；图像掩膜与退化；空间建模方法与运用
研究性实验
基于光谱混合分解分析的像元分类；遥感图像反射率反演；地表温度反演；基于空间建模方法的土地利用/覆盖分类
① 基础性实验
基础性实验主要是使学生掌握必要的实验软件、熟悉实验的过程。着重讲解ERDAS image或ENVI等通用性遥感软件的软件特点、命令及其功能，布置一些“视窗操作”、“数据输入/输出”、“数据预处理”等为背景的习题，让学生在计算机上完成。通过练习，让学生学会使用这些软件工具来进行各种图像基本操作的同时，熟悉实验的准备、遥感模型设计、计算机实现、写出实验报告的整个实验过程，保证后续实验的效果。
②综合性或设计性实验
设计性实验是以遥感图像处理为中心向应用的发展，可涉及到空间增强、辐射增强、光谱增强处理等，也可涉及到现代图像处理的发展方向，如建模、函数分析等。这类实验的目的是根据问题的性质，选择和设计遥感模型，灵活运用已具备的遥感基础，精心设计实验，来验证结论，揭示自然现象、发现经济规律。一般情况下，设计性实验的遥感模型比较直接，有充分的限定条件，软件提供了成熟的解决算法，教师讲课时，主要是提出问题，适当介绍问题的背景，介绍主要的实验原理和方法。然后就让学生自己动手去做，去观察，通过观察得出结论。
③研究性或创新性实验或集中性综合实验
研究性实验以社会实践为背景，尝试解决某类应用背景的实际问题，使学生体验从物理问题分析，遥感模型的建立和调整，算法设计和上机计算，结论分析，形成论文报告的全过程。研究性实验一般问题的原型条件、约束不明显和直接，需要学生重塑问题，简化和限定模型，并根据实验数据进行模型调整，算法实现需借用软件的多项功能或综合调用多个软件。教师在授课时，主要提供问题背景资料，与学生共同参与问题的讨论，审核和指导学生的方案，提供必要的指导，不宜过多介入学生的实验过程，锻炼学生的独立能力，培养学生的创新精神和创新能力。
2、学时安排
在教学安排上，“遥感数字图像处理方法”实验不强调系统性，各个实验基本上是独立的。前后实验没有顺序上的冲突，实验安排的顺序基本上是由易到难，基础内容在前，较高级的扩散性的内容在后。此外，在安排上，时间不宜太紧，因为实验的设计和准备需要学生在课下进行，要留有学生查阅资料和实验准备的时间，以便提高实验学时内的学习效率。除基础实验外，一般每周3～4学时，每1～2周完成一个实验为宜。”遥感数字图像处理方法”实验课程的教学模式如表2所示。
表2 “遥感数字图像处理方法”实验课程的教学模式
层次
教学要点
学时安排/h
教学方式
考核方式
理论
实验
基础性实验
软件的结构、特点、功能；以实验巩固、验证遥感知识，掌握软件
6
10
讲授、演示、实验
实验报告
设计性实验
遥感模型、算法设计、工具箱的使用、验证结论，揭示规律
8
16
讲授、演示、实验讨论、分组
实验报告
研究性实验
问题的重塑、简化和限定模型、综合调用软件、算法设计、结果分析、实验论文写作
4
10
讨论、分组、实验
实验报告
实验论文
3、考试考核方式
在考核形式上，“遥感数字图像处理方法”实验不适合笔试进行，主要有实验报告和实验论文两种方式。
实验报告记录所做的实验内容，记录实验时的观察和猜测。实验报告的主体可以分为以下四个部分。(1)实验的策略或设计。包括介绍所提出问题及提出问题次序的动机，遥感模型的建立，实验数据的准备，实验各阶段的目标和实现手段。(2)实验过程。在实验中，应随时记录所做的实验内容，记录实验时的观察和猜测。(3)实验结果。通过仔细组织所得数据，有效地利用表格、图形和图片表示实验结果。(4)数据结果分析。认真分析结果的地理意义、物理意义，并提出猜想、论证猜想。实验报告要通俗易懂，要努力做到行文清晰流畅。
实验论文的撰写类似研究论文，要求包括题目、摘要、正文、参考文献等部分，正文部分要写出实验内容的背景，实验的目标，实验的方法与设计，实验的结果，实验的数据分析，实验结果所反映的实际意义等内容。主要培养学生分析问题、解决问题、表达问题的能力。
基础性实验、设计性实验和研究性实验均可用实验报告的形式考核，但实验报告的撰写略有不同。基础性实验的实验报告注重软件的功能，参数的含义，计算结果的表格化、图形化。设计性实验和研究性实验的实验报告要求注重实验设计、实验步骤、实验的结果、数据分析，突出问题的地理意义和实际意义。研究性实验建议以实验论文的形式为宜。
“遥感数字图像处理方法”实验课程以学生提交的实验报告和实验论文为主，兼以学生的实验态度和表现进行综合评价。学生的每个实验都由任课教师依据“真实性、知识性、实践性、创新性”这4个方面综合给出成绩，课程的最终成绩根据每个实验的成绩按加权平均的方法得出。实践表明这种方法能比较客观地反映出学生学习的实际状况和效果。
真实性是遥感实验的最基本的评分标准。实验报告应在学生自己动手设计、上机操作、观察、分析的基础上给出，要实事求是，即使计算的结果与理论结果不一致，也不能在实验报告中说假话。应当分析其原因，找出改进的办法，重新实验。
知识性是实验中运用遥感知识的程度，运用的正确程度，结论的可靠程度。
实践性是学生在实验中遥感软件的运用水平，驾驭数据处理、分析角度和方法、表达等方面的能力，反映出学生处理问题的实践能力。
创新是对实验报告的更高的标准，对于有创造性的报告，要给以高分作为鼓励。
三、实验教学方法和教学手段
不同专业的学生，遥感基础不同，专注的遥感应用方向不同，如地理科学专业的学生专注于图像分类问题、图像特征的地理分布问题。因此在选择教学内容方面，应处理好如下几个关系：(1)实验素材与学生的专业兴趣的关系。实验素材是实验针对的实际问题，应利用实验素材的专业背景，激发学生的兴趣和热情，进而促使学生深入实际了解背景，寻找解决问题的遥感方法，达到从实验中去学习、探索和发现地理规律的目的。(2)实验内容与后续课程的关系。在“遥感数字图像处理方法”实验课的内容中往往会牵涉到一些后续课程，如虚拟地理环境等。“遥感数字图像处理方法”实验并不是要代替(也代替不了)这些课程，它只要求学生采用“拿来主义”，会用其中的处理方法，而不涉及这些课程的理论体系和结构。(3)问题难度与学生能力的关系。一个太难或涉及过多其它知识的问题会让学生无从思考，教师无从点拨。教师只好满堂讲解，学生被动接受。最后养成学生的依赖心理，达不到培养学生应用遥感知识解决实际问题能力的目的。而过于简单的问题也不利于引发学生的思考，反而会逐步失去对这门课程的兴趣。
在教学方式上，以讲授、演示、讨论、分组、实验报告等多种方式混合进行。虽然这些方式与其它课程有类似的教学方式，但处理上是不同的。(1)在讲授上，指导教师提出问题，适当介绍问题的背景、主要的实验原理和方法，不要求理论上的系统性和完整性，不必要做严格的理论证明和完整的推导。主要是启发和引导学生按可行的、合理的方案独立解决问题。教师最好以计算机辅助教学CAI课件的形式进行教学，充分利用计算机的交互性技术，形成一个全新的图文并茂、声像结合、数形结合的多媒体教学环境。(2)运用讨论式教学方式，激发学生参与热情，充分挖掘学生想象力和创新能力。教师给学生留有充分探索空间，不提供完整的解决方案，不给出实验的结果，组织学生在设计和结论分析过程中，充分发表意见和尝试，达到实验教学的目标。(3)分组协作是学生根据兴趣自由结组，利用各自的优势共同解决一个问题的教学方式。它弥补了问题规模与实验学时间的矛盾，同时可培养同学间团结协作精神和组织能力，在设计性实验和研究性实验中经常采取这种方式组织教学。
四、实验课程仪器设备列表
见附表1。
五、实验师资队伍建设
“遥感数字图像处理方法”实验要求教师在遥感基础方面具有扎实的功底，在各应用领域有较宽的知识面，还要具备较强计算机应用能力，有丰富的教学组织经验。因此，任课教师自身素质直接影响教学的效果。
可胜任该课程的教师5人，实验员1人。其中：教授1人，副教授3人，讲师1人，实验师1人；从学历结构看：博士学位获得者4人，正在攻读博士学位者1人；从年龄结构看，40-45岁2人，35-40岁2人，30-35岁2人。因此具有合理的职称结构、优化的年龄结构和较高的学历结构。可以说，该门课程的队伍建设工作十分完善，完全能够胜任未来15-20年的教学需求。

7

附表1
遥感数字图像处理方法 实验课程仪器设备列表

序号
实验项目
实验类型
教学内容提要
开出实验需要的实验仪器设备
现有实验仪器套（台）数
需购买的实验仪器设备
名称
型号
价格（元）
生产厂家
套（台）数
1
ERDAS image或ENVI软件入门；各种格式图像的输入/输出；三维地形表面；图像分幅裁剪；图像几何校正；图像拼接处理；图像投影变换
基础性实验
软件的结构、特点、功能；以实验巩固、验证遥感知识，掌握软件
40（需更新换代）
计算机

7000
DELL
50
2
空间增强处理；辐射增强处理；光谱增强处理；地形分析；非监督分类；监督分类；变化检测与代数运算；图像掩膜与退化；空间建模方法与运用
设计性实验
遥感模型、算法设计、工具箱的使用、验证结论，揭示规律

3
基于光谱混合分解分析的像元分类；遥感图像反射率反演；地表温度反演；基于空间建模方法的土地利用/覆盖分类
研究性实验
问题的重塑、简化和限定模型、综合调用软件、算法设计、结果分析、实验论文写作

填表说明：实验类型：基础性实验（演示实验、验证实验）、综合性实验、设计性实验、研究性实验