包剛 于紅博

[摘 要] 以Brovey方法圖像融合為例，文章介紹了內(nèi)蒙古師范大學(xué)人文地理與城鄉(xiāng)規(guī)劃專業(yè)、土地資源管理專業(yè)的“遙感數(shù)字圖像處理”課程的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，注重理論和實(shí)踐緊密結(jié)合和軟件功能的多樣化應(yīng)用的教學(xué)過程和方式，為推進(jìn)這門課程的教學(xué)質(zhì)量和效果的提升提供參考。

[關(guān)鍵詞] 遙感數(shù)字圖像處理;教學(xué);理論;實(shí)踐;多樣化

[作者簡(jiǎn)介] 包 剛（1978—），男（蒙古族），內(nèi)蒙古庫倫旗人，博士，內(nèi)蒙古師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院副研究員，主要從事遙感與地理信息系統(tǒng)應(yīng)用研究;于紅博（1977—），女（滿族），內(nèi)蒙古呼和浩特人，生態(tài)學(xué)博士，內(nèi)蒙古師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事區(qū)域生態(tài)及遙感圖像處理研究。

[中圖分類號(hào)] G642 ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A ? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2020）39-0199-04 ? ? [收稿日期] 2020-04-19

一、引言

遙感是現(xiàn)代空間信息科學(xué)的核心技術(shù)之一，其作為空間信息獲取的重要技術(shù)手段，對(duì)國民經(jīng)濟(jì)和人類社會(huì)發(fā)展起著極為重要的促進(jìn)作用。尤其隨著近年新興起的全球性的“數(shù)字地球”計(jì)劃、地理信息系統(tǒng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)手段的快速發(fā)展[1-4]，社會(huì)對(duì)遙感專業(yè)人才的需求量、專業(yè)素質(zhì)及其創(chuàng)新能力有著越來越高的要求?！斑b感原理”和“遙感數(shù)字圖像處理”課程正是為培養(yǎng)這方面技術(shù)人才而設(shè)置，是地理科學(xué)類專業(yè)的兩門十分重要的專業(yè)課程?！斑b感數(shù)字圖像處理”作為“遙感原理”課程的后續(xù)重要內(nèi)容，屬于實(shí)踐性、實(shí)用性和綜合性很強(qiáng)的課程，具有應(yīng)用的技術(shù)性和廣泛性特點(diǎn)。該課程主要講授遙感數(shù)字圖像處理技術(shù)的基本概念、原理、算法及其實(shí)踐應(yīng)用等，力爭(zhēng)培養(yǎng)一大批熟練掌握遙感科學(xué)理論和應(yīng)用技能的空間信息科學(xué)人才，是理論和實(shí)踐緊密結(jié)合的一門課程。在講授該課程的過程中最好將經(jīng)典的案例展示給學(xué)生，提出所涉及的相關(guān)實(shí)際問題和技術(shù)方法，將與案例有關(guān)的理論知識(shí)由淺入深地教予學(xué)生，并在軟件平臺(tái)（ENVI、Eardas等）上進(jìn)行實(shí)踐操作。

內(nèi)蒙古師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院自2005年以來一直開設(shè)“遙感數(shù)字圖像處理”課程，這不僅能夠鞏固學(xué)生在“遙感原理”課程所學(xué)的理論知識(shí)，同時(shí)還能夠提高遙感技術(shù)應(yīng)用水平，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐和動(dòng)手能力，是地理科學(xué)專業(yè)教學(xué)中的重要環(huán)節(jié)。教材的選用需綜合考慮教學(xué)大綱、學(xué)校和學(xué)生的實(shí)際需要、學(xué)生的基礎(chǔ)背景和教學(xué)學(xué)時(shí)。目前，學(xué)院人文地理與城鄉(xiāng)規(guī)劃專業(yè)、土地資源管理專業(yè)選用的教材為由朱文泉、林文鵬編寫，高等教育出版社出版的《遙感數(shù)字圖像處理——原理與方法》[1]和《遙感數(shù)字圖像處理——實(shí)踐與操作》[4]。這兩本教材在內(nèi)容講解上針對(duì)遙感圖像處理中的具體問題，結(jié)合遙感原理和數(shù)字圖像處理中的理論知識(shí)（《遙感數(shù)字圖像處理——原理與方法》），借助遙感軟件進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)踐訓(xùn)練（《遙感數(shù)字圖像處理——實(shí)踐與操作》），引導(dǎo)學(xué)生掌握遙感數(shù)字圖像處理的基本原理及操作過程，為學(xué)生將來從事遙感在空間信息、植被、生態(tài)、土壤、土地利用、資源環(huán)境監(jiān)測(cè)、國土規(guī)劃等領(lǐng)域的研究和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。此兩本教材框架清晰、概念具體、案例通俗易懂、內(nèi)容豐富由淺入深，最大限度地避免或降低了繁瑣的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)和理解。因此對(duì)學(xué)生，特別是人文地理與城鄉(xiāng)規(guī)劃專業(yè)以及土地資源管理專業(yè)的學(xué)生來說，是很容易接受的教材。

教材借助的軟件平臺(tái)為美國Exelis Visual Information Solution公司的旗艦產(chǎn)品The Environment for Visualizing Images 5.3（ENVI 5.3），由交互式數(shù)據(jù)語言（Interactive Data Languange，IDL）開發(fā)而成。筆者針對(duì)人文地理與城鄉(xiāng)規(guī)劃專業(yè)、土地資源管理專業(yè)學(xué)生的特點(diǎn)和需求，圍繞如何提高和優(yōu)化該實(shí)踐性課程的教學(xué)質(zhì)量、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法等方面，以教材提供的案例數(shù)據(jù)“Landsat8_OLI_multi.dat”和“Landsat8_OLI_pan.dat”為例，介紹Brovey圖像融合方法從理論到實(shí)踐的教學(xué)過程，為推進(jìn)這門課程的教學(xué)改善提供參考。

二、授課方式與方法

1.課前準(zhǔn)備——啟發(fā)式教學(xué)。人文地理與城鄉(xiāng)規(guī)劃專業(yè)、土地資源管理專業(yè)學(xué)生對(duì)遙感學(xué)科相關(guān)知識(shí)的掌握欠佳，尤其在學(xué)習(xí)理論和算法時(shí)明顯感覺學(xué)生有聽不懂或跟不上的現(xiàn)象。因此在授課伊始，通過提問啟發(fā)學(xué)生，引導(dǎo)他們思考有關(guān)圖像融合的概念和必要性。例如在課程開始時(shí)，在ENVI 5.3經(jīng)典版軟件中加載教材提供的兩種例子數(shù)據(jù)，即30米空間分辨率的多光譜標(biāo)準(zhǔn)假彩色合成數(shù)據(jù)“Landsat8_OLI_multi.dat”和15米空間分辨率的全色影像“Landsat8_OLI_pan.dat”（圖1），向?qū)W生提問兩種數(shù)據(jù)的優(yōu)缺點(diǎn)，使學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)有一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)，并通過互動(dòng)形式了解學(xué)生有關(guān)圖像融合方面的相關(guān)知識(shí)后，教師再具體分析兩種數(shù)據(jù)優(yōu)缺點(diǎn)和融合的必要性，引出遙感圖像融合的概念，并發(fā)現(xiàn)和糾正學(xué)生理解有誤的地方和知識(shí)點(diǎn)。同時(shí)，教師打開準(zhǔn)備好的兩篇關(guān)于Brovey方法的研究論文（“Color Enhancement of Highly Correlated Images.Channel Ratio and‘ChromaticityTransformation Techniques”[5]和“A wavelet transform method to merge Landsat TM and SPOT panchromatic data”）[6]，使學(xué)生了解科學(xué)研究的重要性，在學(xué)生腦海里塑造先有研究后有軟件平臺(tái)的發(fā)展過程，提高學(xué)生科學(xué)研究的意識(shí)和課后查閱文獻(xiàn)的興趣同時(shí)，不斷地鼓勵(lì)學(xué)生努力學(xué)習(xí)，將來通過自己的研究改進(jìn)現(xiàn)有方法中存在的問題或提出更好的融合方法。

圖1.ENVI軟件里加載的“Landsat8_OLI_multi.dat”（左）和“Landsat8_OLI_pan.dat”（右）;兩種數(shù)據(jù)的優(yōu)缺點(diǎn)：“Landsat8_OLI_multi.dat數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)為多波段彩色圖像（RGB顏色分別對(duì)應(yīng)于近紅外、紅光和綠光波段），但存在空間分辨率低，地物不夠清楚的缺點(diǎn);“Landsat8_OLI_pan.dat”數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)為空間分辨率高，地物相對(duì)清楚，但存在單波段灰色圖像的缺點(diǎn)。

2.Brovey方法的理論教學(xué)。理論教學(xué)旨在讓學(xué)生了解算法及其背后的原理，從而起到舉一反三的作用。遙感數(shù)字圖像融合是把時(shí)間、空間或光譜上存在互補(bǔ)的多源遙感數(shù)據(jù)，按照一定的規(guī)則或算法進(jìn)行運(yùn)算，發(fā)揮多源數(shù)據(jù)間的信息互補(bǔ)性，從而獲得比任何單一數(shù)據(jù)精度更高、信息量更豐富的合成圖像的過程。教材提供的例子數(shù)據(jù)主要是把在同一研究區(qū)的低空間分辨率的多光譜圖像（30 m）與高空間分辨率的灰度圖像（15 m）進(jìn)行融合，從而得到一幅高空間分辨率的彩色合成圖像，改善后續(xù)工作例如遙感圖像計(jì)算機(jī)解譯、目視判讀和特征提取結(jié)果的精度和可靠性。Brovey融合方法是一種歸一化后的多光譜圖像與高分辨率圖像進(jìn)行乘積運(yùn)算的融合方法[1，5，6]。其計(jì)算公式為：

3.Brovey方法的實(shí)踐教學(xué)。當(dāng)教師將Brovey方法的相關(guān)研究論文和數(shù)學(xué)原理講解清晰后，在ENVI 5.3經(jīng)典版環(huán)境中逐步演示，實(shí)現(xiàn)公式的計(jì)算，將抽象的概念變得直觀生動(dòng)，使學(xué)生更容易理解和掌握，從而提高理論和實(shí)踐教學(xué)的質(zhì)量和效果，實(shí)現(xiàn)理論和實(shí)踐的連接。在此基礎(chǔ)上，為了加強(qiáng)學(xué)生對(duì)ENVI軟件的動(dòng)手能力和解決實(shí)際問題的能力，要求學(xué)生根據(jù)教材的知識(shí)點(diǎn)和教師講解的內(nèi)容，親自操作，處理數(shù)據(jù)，使學(xué)生對(duì)圖像融合方法的含義有更加深刻的了解，熟練掌握軟件的整個(gè)操作過程，為今后對(duì)其它數(shù)據(jù)融合方法的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。①Brovey方法的逐步實(shí)現(xiàn)過程。保證待處理圖像具有相同的行列數(shù)。為了在ENVI軟件環(huán)境中實(shí)現(xiàn)Brovey公式的計(jì)算，按照?qǐng)D像運(yùn)算的要求確保多光譜影像和全色波段影像具有相同的行列數(shù)，由菜單Basic Tools中的Resize Data （Spatial/Spectral）命令實(shí)現(xiàn)。輸出結(jié)果為行列數(shù)相同的兩個(gè)例子文件（圖2）。

歸一化處理。運(yùn)用菜單Basic Tools中的 Stretch Data命令，在Data Stretch Input File對(duì)話框中選擇Landsat8_OLI_pan.dat，點(diǎn)擊OK后彈出Data Stretching窗口，Stretch Type選擇Linear方法，Output Data Range設(shè)置為0～1，輸出結(jié)果即為歸一化后的文件（圖3）。Landsat8_OLI_multi_re.dat的處理步驟相同。

計(jì)算低分辨率數(shù)據(jù)的平均值。運(yùn)用菜單Basic Tools中的Band Math命令進(jìn)行波段運(yùn)算，在Band Math對(duì)話框中輸入公式（float（b1+b2+b3）/3.0）（圖4左）。在Variables to Bands Pairings窗口中分別選擇綠光、紅光和近紅外波段（圖4右），輸出文件名設(shè)置為L(zhǎng)andsat8_OLI_multi_re_mean3.dat，即為低分辨率數(shù)據(jù)的平均值。

Brovey圖像融合最終結(jié)果。在Band Math對(duì)話框中輸入公式（float（b1）*float（b2））/float（b3）（圖5左），并對(duì)b1，b2和b3參數(shù)分別賦為L(zhǎng)andsat8_OLI_multi_re_str.dat（b1），Landsat8_OLI_pan_str.dat（b2）和Landsat8_OLI_multi_re_mean3.dat（b3）（圖5右），輸出文件名設(shè)置為Brovey_result.dat，即為融合結(jié)果，高分辨率多光譜彩色圖像。

②Brovey方法的簡(jiǎn)易操作。Brovey公式的逐步操作過程可以進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)該方法的理解和掌握。ENVI 5.3也提供了傻瓜式操作，即菜單Transform中的Image Sharpening二級(jí)菜單下的Color Normalized （Brovey）命令。在Select Input RGB Input Bands界面分別選擇近紅外、紅光和綠光波段（圖6）。在High Resolution Input File窗口選擇Landsat8_OLI_pan_str.dat（圖7），輸出文件名設(shè)置為Brovey_Result2.dat，完成操作。

兩種操作過程各有優(yōu)勢(shì)，加強(qiáng)軟件功能的多樣化和傻瓜式操作，使學(xué)生做到舉一反三，達(dá)到靈活和創(chuàng)新性運(yùn)用軟件的目的。

三、結(jié)論

以教材案例為基礎(chǔ)，通過講授遙感圖像融合概念、含義、理論和實(shí)現(xiàn)過程，使學(xué)生對(duì)遙感圖像波段運(yùn)算、圖像重采樣、Brovey數(shù)據(jù)融合方法的ENVI實(shí)現(xiàn)能力得到顯著提高，軟件功能的多樣化應(yīng)用能力得以加強(qiáng)。但在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，由于“遙感數(shù)字圖像處理”作為人文地理與城鄉(xiāng)規(guī)劃專業(yè)、土地資源管理專業(yè)的一門選修課，課時(shí)有限（32學(xué)時(shí)），在教學(xué)過程中難以面面俱到，因此在確?；A(chǔ)知識(shí)和前沿技術(shù)的前提下有必要取舍，使學(xué)生在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)取得最大的收獲。

參考文獻(xiàn)

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