土地管理遙感課程教學(xué)改革研究

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摘要：針對土地管理實(shí)踐，對遙感課程的教學(xué)改革進(jìn)行了一系列探索。首先分析土地管理學(xué)科中遙感課程的定位，提出了關(guān)聯(lián)課程設(shè)置方案。其次采用需求啟發(fā)的方式動(dòng)態(tài)跟蹤市場變化，建立教學(xué)框架，并調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，同時(shí)輔以實(shí)驗(yàn)信息反饋等教學(xué)手段，實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的交叉與融合。最后在課程設(shè)計(jì)中基于Matlab平臺(tái)培養(yǎng)學(xué)生的程序開發(fā)技能，從而為土地管理單位輸送更加優(yōu)秀的復(fù)合型技術(shù)人才。

關(guān)鍵詞：遙感教學(xué)；土地管理學(xué)科；需求分析；任務(wù)驅(qū)動(dòng)；Matlab

在土地資源管理工作中，遙感對地觀測方法憑借其覆蓋范圍廣、周期性強(qiáng)、信息豐富等優(yōu)勢，已為相關(guān)部門提供了大量實(shí)時(shí)有效的基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)[1-3]。許多高校已將遙感設(shè)置為土地資源管理專業(yè)的基礎(chǔ)課，但一些遙感教學(xué)的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)和方法，如需求分析法、任務(wù)驅(qū)動(dòng)法，Matlab輔助學(xué)習(xí)法等，在本專業(yè)雖有所提及卻沒有形成系統(tǒng)的研究[3-5]，導(dǎo)致學(xué)生對知識(shí)要點(diǎn)掌握不全面，在實(shí)際工作中缺乏自主創(chuàng)新能力。另一方面，隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，教學(xué)內(nèi)容也不斷發(fā)生變化，其數(shù)據(jù)類型、理論重點(diǎn)、處理流程和處理方法都已更新。因而，針對土地管理實(shí)踐進(jìn)行遙感課程教學(xué)改革，對于學(xué)科建設(shè)及人才培養(yǎng)都是必要而緊迫的。

1土地管理學(xué)科的遙感課程教學(xué)改革需求分析

當(dāng)前，我國土地管理事業(yè)快速發(fā)展，對3S技術(shù)人才結(jié)構(gòu)及人才素養(yǎng)的需求也發(fā)生較大變化[6-7]：在各級土地勘測、土地開發(fā)整理儲(chǔ)備、土地規(guī)劃等事業(yè)單位，基于3S技術(shù)的應(yīng)用工程項(xiàng)目增多，需要大量的技術(shù)熟手和一定的高端技術(shù)管理人才，目前專科生和碩博士因人力成本合理而較受青睞；高等院校對人才的學(xué)位要求較高，主要吸納博士畢業(yè)生就業(yè)；3S技術(shù)類公司近年來發(fā)展勢頭迅猛，人才需求量巨大，但隨著市場競爭激烈，各公司致力于提供特色服務(wù)或打造高端軟件產(chǎn)品（如MapGis、SuperMap等），因此要求雇員擁有多學(xué)科交叉的知識(shí)體系，同時(shí)具備3S技術(shù)集成應(yīng)用和創(chuàng)新的能力。可見，市場上較多地解決了?？粕痛T博士的就業(yè)，本科畢業(yè)生雖然具備豐富的學(xué)科知識(shí)背景，但動(dòng)手能力弱，技術(shù)特色不突出，即使通過部門培訓(xùn)也很難培養(yǎng)創(chuàng)新和拓展能力，往往處于一種“高不成、低不就”的尷尬狀態(tài)。實(shí)際上，大部分教師期望通過遙感實(shí)踐課程的開展，實(shí)現(xiàn)與具體工作的銜接[2-5]，但離“學(xué)以致用”的教學(xué)目標(biāo)仍有一定距離。首先，土地管理的專業(yè)課程眾多，因此安排的遙感實(shí)驗(yàn)課時(shí)通常較少，也缺乏對口的實(shí)習(xí)基地建設(shè)；其次，相關(guān)科研成果的跟進(jìn)與融合較少，與實(shí)踐的關(guān)聯(lián)較弱；往往局限于對既有軟件的運(yùn)用，缺乏對開發(fā)類軟件平臺(tái)的學(xué)習(xí)，導(dǎo)致技術(shù)手段單一、僵化，不符合學(xué)科關(guān)聯(lián)與學(xué)科創(chuàng)新的發(fā)展趨勢。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，嚴(yán)峻的就業(yè)形式對人才培養(yǎng)提出了更高要求，教學(xué)過程必須結(jié)合具體的應(yīng)用，從課程結(jié)構(gòu)、內(nèi)容體系、教學(xué)手段等方面進(jìn)行調(diào)整[8]，并通過學(xué)習(xí)一些軟件開發(fā)知識(shí)[9]，跟蹤最新的科研成果，從而發(fā)展學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力。

2遙感課程的定位與關(guān)聯(lián)課程設(shè)置

在土地資源管理專業(yè)中，遙感是一門綜合性和技術(shù)性很強(qiáng)的課程，它與其他學(xué)科之間的交叉和聯(lián)系主要包括2個(gè)方面：首先，從技術(shù)層面分析，學(xué)習(xí)該課程要求具備數(shù)學(xué)、物理、計(jì)算機(jī)方面的基礎(chǔ)知識(shí)。同時(shí)，它與測量、制圖、信息科學(xué)等工具學(xué)科相互滲透和交融，在實(shí)際工作中共同發(fā)揮核心技術(shù)工具的作用。其次，在應(yīng)用層面上，經(jīng)濟(jì)管理類專業(yè)基礎(chǔ)理論學(xué)科為實(shí)踐操作提供背景知識(shí)，而專業(yè)應(yīng)用類學(xué)科為其提供了發(fā)展方向。可以說，多層次豐富的學(xué)科知識(shí)促進(jìn)了遙感技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)張，它們之間互為支撐和依托，相輔相承。為適應(yīng)市場對實(shí)踐創(chuàng)新型遙感人才的需求，根據(jù)對該學(xué)科的關(guān)聯(lián)與定位分析，按表1所示的方案調(diào)整相關(guān)配套課程。

3需求引導(dǎo)下的教學(xué)實(shí)踐方案

3.1啟發(fā)式教學(xué)框架設(shè)計(jì)

在課堂教學(xué)的首尾環(huán)節(jié)，分別增設(shè)需求分析與總結(jié)這兩項(xiàng)教學(xué)內(nèi)容，為教學(xué)框架的設(shè)計(jì)起到提綱契領(lǐng)的作用，使教學(xué)思路清晰、教學(xué)內(nèi)容系統(tǒng)。①在初次課堂教學(xué)中，對土地遙感應(yīng)用的領(lǐng)域及成果作重點(diǎn)介紹，圍繞當(dāng)前的應(yīng)用熱點(diǎn)，選擇全國土地遙感二次調(diào)查、城市三維空間遙感調(diào)查、城市土地利用遙感監(jiān)測執(zhí)法、重點(diǎn)項(xiàng)目選址與規(guī)劃、汶川地震災(zāi)害遙感監(jiān)測與評價(jià)、鄱陽湖生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測等經(jīng)典案例，采用圖示對比的方法與學(xué)生分享遙感應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和成果，并通過對案例中技術(shù)要點(diǎn)的提煉，讓學(xué)生了解該課程的實(shí)踐需求，對整體教學(xué)框架形成直觀的、系統(tǒng)的概念，即“提出問題”。②在具體的理論學(xué)習(xí)中引導(dǎo)學(xué)生自主思考：本堂課針對什么問題，學(xué)習(xí)什么內(nèi)容，怎么進(jìn)行學(xué)習(xí)，從而不斷地“回答問題”。③在理論教學(xué)完成后，安排專門的課時(shí)對知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行串講，逐一總結(jié)這些技術(shù)要點(diǎn)，并指出目前存在的問題及未來的發(fā)展方向，從而讓整個(gè)教學(xué)體系更加全面，教學(xué)過程更有針對性，形成“前后呼應(yīng)”的模式。

3.2反饋式理論知識(shí)學(xué)習(xí)

遙感數(shù)字圖像處理涉及到眾多模型和算法，為在短期內(nèi)系統(tǒng)地掌握這些知識(shí)，需交叉利用課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行強(qiáng)化訓(xùn)練。當(dāng)完成關(guān)鍵技術(shù)理論的課堂教學(xué)后，穿插對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課教學(xué)分別有6次：圖像校正原理與方法、圖像增強(qiáng)技術(shù)、遙感影像目視解譯、最大似然法分類、圖像變化檢測。在實(shí)驗(yàn)課中，選擇功能齊備、與GIS兼容性強(qiáng)的Erdas軟件作為平臺(tái)，并采用SPOT5、QuickBird、IKNOIS等高空間分辨率影像作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，演示在既有軟件中如何實(shí)現(xiàn)課堂中所講授的理論方法。同時(shí)，指導(dǎo)學(xué)生完成課后模擬實(shí)驗(yàn)，并將結(jié)果及時(shí)反饋給教師，既是對學(xué)生的考核，也為下一輪教學(xué)提供了經(jīng)驗(yàn)和素材。經(jīng)實(shí)踐，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)效率不斷提高，反饋信息也逐步細(xì)化，這種理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相互交叉、反饋式學(xué)習(xí)的方法具有及時(shí)強(qiáng)化的效果，同時(shí)也鍛煉了軟件操作技能。

3.3基于Matlab的任務(wù)驅(qū)動(dòng)式遙感課程設(shè)計(jì)

3.3.1課程設(shè)置目的及實(shí)現(xiàn)模式

“遙感課程實(shí)習(xí)與設(shè)計(jì)”是對實(shí)驗(yàn)課的延伸與補(bǔ)充，它引導(dǎo)學(xué)生參與具體的實(shí)習(xí)項(xiàng)目，并培養(yǎng)基于Matlab的算法開發(fā)技能。為保證實(shí)習(xí)案例動(dòng)態(tài)更新，可以選用2種培訓(xùn)模式：一是與相關(guān)生產(chǎn)科研單位進(jìn)行聯(lián)合培養(yǎng)，建立長期的實(shí)習(xí)基地。本校土地資源管理專業(yè)與諸多單位有密切合作，如廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院、廣東省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院、廣東省土地勘測規(guī)劃院、廣州市國土資源和房屋管理局等單位。學(xué)生在實(shí)習(xí)單位見習(xí)項(xiàng)目的一般流程，并做相應(yīng)的輔助工作，總結(jié)其中的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)問題，再通過小組協(xié)作的方式選擇其中一些任務(wù)進(jìn)行軟件開發(fā)訓(xùn)練，最后完成實(shí)習(xí)報(bào)告。二是參與教師的相關(guān)科研項(xiàng)目，學(xué)習(xí)利用豐富的圖書館資源查找文獻(xiàn)，進(jìn)行綜述，再根據(jù)完成情況讓學(xué)生參與到部分項(xiàng)目設(shè)計(jì)與開發(fā)環(huán)節(jié)中來，通過實(shí)習(xí)任務(wù)引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)到技術(shù)研究中的新問題，真正培養(yǎng)學(xué)生的技術(shù)創(chuàng)新思維能力。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，我們已經(jīng)總結(jié)出一些遙感圖像處理的流水線工作任務(wù)，當(dāng)前涉及到的技術(shù)難點(diǎn)主要是影像特征提取、解譯、變化檢測、集成計(jì)算等。為此，我們選擇Matlab軟件進(jìn)行開發(fā)技能的培訓(xùn)，讓學(xué)生可以利用本專業(yè)多種信息技術(shù)集成的優(yōu)勢，取得良好的圖像處理效果。

3.3.2Matlab軟件開發(fā)平臺(tái)的學(xué)習(xí)與實(shí)踐

Matlab是世界頂級的科學(xué)計(jì)算軟件，它采用面向?qū)ο蟮拈_發(fā)語言和面向任務(wù)的開發(fā)思想，為圖像處理用戶提供一個(gè)編寫簡單、計(jì)算快捷、兼容性好的開發(fā)環(huán)境，幾乎所有的圖像處理經(jīng)典算法及近期權(quán)威的研究成果都收集到了其工具箱（ImageProcessingToolbox）中。該軟件的學(xué)習(xí)應(yīng)從以下幾個(gè)要點(diǎn)展開：①掌握基本的圖像處理函數(shù)，包括圖像顯示、圖像算術(shù)運(yùn)算、幾何變換、圖像增強(qiáng)、線性濾波、色彩空間變換、鄰域與塊處理、空間濾波、形態(tài)學(xué)運(yùn)算等。②在擴(kuò)展的Matlab工具箱中，學(xué)習(xí)與影像解譯相關(guān)的經(jīng)典算法，包括紋理特征提取、主成分分析、相關(guān)性分析、聚類分析、最大似然法分類、最小距離法分類、誤差矩陣分析等。在熟練調(diào)用的基礎(chǔ)上，理解其運(yùn)算原理。同時(shí)，根據(jù)具體的實(shí)習(xí)任務(wù)需求，有針對性地研究某類算法，包括對設(shè)計(jì)思路、參數(shù)選擇、編程技巧等進(jìn)行深入學(xué)習(xí)與分析。③為促進(jìn)學(xué)科交叉融合，注重與GIS數(shù)據(jù)分析平臺(tái)的交互，實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新與突破。主要講授Matlab與ArcGIS軟件的自動(dòng)化集成運(yùn)算方法，即采用ArcGIS平臺(tái)中集成的VBA作為控制器來啟動(dòng)和控制Matlab，而Matlab作為ActiveX的自動(dòng)化服務(wù)器，接收通過引擎?zhèn)鱽淼臄?shù)據(jù)和指定信息進(jìn)行計(jì)算，完成鏈接擴(kuò)展。既利用了ArcGIS既有的強(qiáng)大的矢柵數(shù)據(jù)分析功能，也利用Matlab承擔(dān)了大部分與矩陣計(jì)算有關(guān)的任務(wù)，有利于融合GIS領(lǐng)域知識(shí)，實(shí)現(xiàn)快速自動(dòng)化、智能化的圖像處理任務(wù)。④在指導(dǎo)學(xué)生編寫具體算法時(shí)，充分利用Matlab自帶的矩陣運(yùn)算函數(shù)，避免循環(huán)語句的大量使用，從而為處理大數(shù)據(jù)量的影像打下良好基礎(chǔ)。筆者曾做過一個(gè)實(shí)驗(yàn)，在實(shí)現(xiàn)最小距離分類算法時(shí)，先使用二層循環(huán)語句for…end計(jì)算特征之間的距離，再調(diào)用既有函數(shù)repmat（A，N）在第N維空間重復(fù)矩陣A從而替代循環(huán)語句完成計(jì)算，僅針對1000×1000的二維矩陣，后者的效率就提高了8倍之多。可見，Matlab算術(shù)技巧將為我們節(jié)省大量運(yùn)算時(shí)間。類似的代表性函數(shù)包括：cat（dim,A,B），將矩陣A、B在第dim維聯(lián)結(jié)起來；permute（A,order），將矩陣A按設(shè)定order次序排序；reshape（A,[m,n]），將矩陣A按m×n維大小重新排列；sort（A,dim），將矩陣A按第dim維數(shù)值進(jìn)行排序；max（A,[],dim），返回矩陣A在第dim維的最大值；min（A,[],dim），返回矩陣A在第dim維的最小值；mean（A,[],dim），返回矩陣A在第dim維的平均值。

4結(jié)語

在土地管理專業(yè)的遙感課程教學(xué)中，探討了關(guān)聯(lián)課程的設(shè)置方案，采用需求引導(dǎo)法調(diào)整教學(xué)框架和內(nèi)容；對傳統(tǒng)教學(xué)模式進(jìn)行改進(jìn)，通過課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相互交叉、反饋的方法進(jìn)行強(qiáng)化訓(xùn)練，深化對理論知識(shí)的掌握；采用科研課題驅(qū)動(dòng)或與單位聯(lián)合培養(yǎng)的模式，指導(dǎo)學(xué)生參與具體的實(shí)習(xí)項(xiàng)目，并基于Matlab平臺(tái)學(xué)習(xí)經(jīng)典的圖像處理函數(shù)，使學(xué)生能具備一定的程序開發(fā)素養(yǎng)和技術(shù)創(chuàng)新能力。

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作者：蘭澤英1 劉洋2 林嘉怡1 單位：1.廣東工業(yè)大學(xué) 管理學(xué)院 2.廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院