孫芳蒂 陳忠元 張靈 沈繼偉

(廣州大學(xué)地理科學(xué)與遙感學(xué)院 廣東廣州 510006)

目前，遙感課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)各環(huán)節(jié)往往針對(duì)相應(yīng)的理論知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行獨(dú)立練習(xí)，零散性的實(shí)驗(yàn)不能形成完整的應(yīng)用。學(xué)生僅僅根據(jù)實(shí)驗(yàn)步驟按部就班地處理數(shù)據(jù)，過(guò)度依賴(lài)操作視頻等輔助材料，缺乏獨(dú)立思考，不能深刻地理解數(shù)據(jù)處理背后的原理，也不能對(duì)數(shù)據(jù)處理結(jié)果進(jìn)行深入分析。該文在《遙感概論》的實(shí)驗(yàn)課程中，引入研究性課題，以鄱陽(yáng)湖近20 年干濕季水域面積的變化為例，引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。一方面，可以促使學(xué)生在一個(gè)完整的遙感應(yīng)用實(shí)例中進(jìn)行遙感技術(shù)的各種操作；另一方面，促使學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)的地理科學(xué)知識(shí)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果，認(rèn)識(shí)地理現(xiàn)象，分析地理問(wèn)題，并對(duì)地理現(xiàn)象背后的原因進(jìn)行解釋?zhuān)龅健爸淙弧焙汀爸渌匀弧薄?/p>

1 研究性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)施

1.1 研究性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

1.1.1 研究性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)

基于近20年的月尺度遙感影像，研究典型內(nèi)陸水體，中國(guó)第一大淡水湖——鄱陽(yáng)湖的年際時(shí)空變化特征和年內(nèi)干濕季的波動(dòng)情況，并結(jié)合氣候、土地利用數(shù)據(jù)對(duì)該變化特征進(jìn)行驅(qū)動(dòng)力分析。

1.1.2 研究性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容

該研究性實(shí)驗(yàn)主要包含以下5部分內(nèi)容。

（1）水體指數(shù)方面，在已學(xué)理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，結(jié)合水體的光譜特征，理解水體指數(shù)設(shè)計(jì)的原理及適用情況，熟悉多種水體指數(shù)。

（2）掌握利用ENVI 軟件計(jì)算水體指數(shù)，基于多期遙感數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)鄱陽(yáng)湖近20年干濕季水域范圍的自動(dòng)提取。

（3）針對(duì)水體指數(shù)自動(dòng)提取的水域范圍，通過(guò)目視解譯進(jìn)行修正。

式中，是經(jīng)伸縮變換后的K（·）核密度，h是帶寬，wi是質(zhì)點(diǎn)i的歸一化權(quán)重。相比而言，Kh（θ）則對(duì)應(yīng)于常規(guī)質(zhì)點(diǎn)濾波方法中的狄拉克δ函數(shù)δ（θ）。核密度函數(shù)的設(shè)計(jì)需要特別注意，以確保近似分布和實(shí)際分布之間的殘差最小。假設(shè)所有質(zhì)點(diǎn)都是等權(quán)重的，且密度是高斯型的，那么最優(yōu)的核為Epanechnikov核（Musso et al，2001）。

（4）分析鄱陽(yáng)湖近20 年干濕季水域面積的變化特征。

（5）驅(qū)動(dòng)力分析方面，組織學(xué)生搜集數(shù)據(jù)，結(jié)合氣候、土地利用數(shù)據(jù)，分析鄱陽(yáng)湖近20 年干濕季水域面積變化的影響因素。

1.2 研究性實(shí)驗(yàn)的實(shí)施

1.2.1 選取研究性案例

《遙感概論》的實(shí)驗(yàn)課程所涉及的數(shù)據(jù)處理內(nèi)容一般包含數(shù)據(jù)前期預(yù)處理、幾何校正、鑲嵌拼接、自動(dòng)分類(lèi)，專(zhuān)題類(lèi)型的提取，目視解譯等內(nèi)容。在研究性課題或者案例選取方面，只要可以將上述數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)綜合，能讓學(xué)生利用所學(xué)的地理學(xué)知識(shí)分析數(shù)據(jù)結(jié)果，從而獲取新的知識(shí)，均可以作為研究性實(shí)驗(yàn)的案例。

該文以鄱陽(yáng)湖為研究對(duì)象，利用遙感技術(shù)分析其近20 年來(lái)干濕季的水域范圍波動(dòng)情況。鄱陽(yáng)湖的坐落范圍為28°11'N～29°51'N，115°49'E～116°46'E，是中國(guó)最大的淡水湖，與長(zhǎng)江相連，其水域范圍從濕季到干季經(jīng)歷較大的變化，有“豐水成面，枯水呈線(xiàn)”的說(shuō)法[2]。鄱陽(yáng)湖面通常從南往北傾斜，湖水從南往北流入長(zhǎng)江[2]。每年11月至次年2月是鄱陽(yáng)湖的干季，面積可低至500 km2，每年6～9月份是鄱陽(yáng)湖的濕季，面積一般大于2 500 km2。濕季湖泊流入長(zhǎng)江的水量平均為14.36 km3/yr，干季湖泊流域長(zhǎng)江的水量為4.96 km3/yr。鄱陽(yáng)湖流域的氣候?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，流域內(nèi)降水有明顯的季節(jié)性差異，年均降水量約1 500 mm，降水主要發(fā)生在每年的4～6 月，占全年降水量的45%。流域內(nèi)平均氣溫為16.5 ℃～17.8 ℃，夏季氣溫介于28.4 ℃～30.0 ℃，冬季氣溫介于4.2 ℃～7.2 ℃[3]。三峽水庫(kù)工程的運(yùn)行影響長(zhǎng)江—鄱陽(yáng)湖的水量交互，造成鄱陽(yáng)湖對(duì)長(zhǎng)江的補(bǔ)給增加，進(jìn)而影響鄱陽(yáng)湖的水域范圍。有研究指出，2000—2010年，鄱陽(yáng)湖水域面積以每年30 km2的速度在萎縮，導(dǎo)致流域內(nèi)南磯山濕地保護(hù)區(qū)的植被面積擴(kuò)張了30%[4]。因此，研究鄱陽(yáng)湖水域范圍的干濕季變化特征有利于了解其與長(zhǎng)江之間的水量交互，有利于研究流域內(nèi)的水量平衡關(guān)系，對(duì)流域的水文和生態(tài)環(huán)境具有非常重要的意義。

1.2.2 課堂教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施

此次研究性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)組織如圖1 所示，分為課前、課中、課后這3個(gè)部分。

圖1 《遙感概論》研究性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)組織結(jié)構(gòu)圖

（1）前置學(xué)習(xí)。教師的前置學(xué)習(xí)：①準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)所需的數(shù)據(jù)；②提前錄制好操作視頻。其中，教師預(yù)備的學(xué)習(xí)資料可以是多種形式，比如：網(wǎng)絡(luò)鏈接、課件、或者是附有主題詞關(guān)鍵詞的指導(dǎo)，以便鍛煉學(xué)生進(jìn)行信息篩查、選取和檢索的能力。該次實(shí)驗(yàn)共搜集2000—2020年每年濕季（6～9 月）、干季（每年11 月到次年2 月）共349景高質(zhì)量的中分辨率成像光譜儀（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer，MODIS）影像來(lái)進(jìn)行研究[4]，其中濕季有179 景，干季有170 景。MODIS 數(shù)據(jù)可以提供高時(shí)間頻率的可見(jiàn)光影像，能夠監(jiān)測(cè)湖泊在短時(shí)間內(nèi)的波動(dòng)和多年變化趨勢(shì)[5]。

學(xué)生的前置學(xué)習(xí)：①查閱資料，了解鄱陽(yáng)湖的氣候、水文特征；②下載類(lèi)似案例論文進(jìn)行學(xué)習(xí)，便于對(duì)該案例的研究思路、數(shù)據(jù)處理流程和驅(qū)動(dòng)力分析方法有初步的認(rèn)識(shí)。在前置學(xué)習(xí)中，通過(guò)閱讀其他論文，學(xué)生對(duì)于驅(qū)動(dòng)力分析有了一定理解，可以根據(jù)數(shù)據(jù)處理的結(jié)果和教師提前預(yù)備的氣候、土地利用數(shù)據(jù)，對(duì)鄱陽(yáng)湖水域的干濕季變化特征進(jìn)行驅(qū)動(dòng)因子分析[6]。

（2）課中。教師在課中需要全程指導(dǎo)學(xué)生的操作過(guò)程，并對(duì)學(xué)生在數(shù)據(jù)處理中遇到的疑惑進(jìn)行解答。教師通過(guò)課堂上師生之間的互動(dòng)交流，了解學(xué)生的疑惑，再將實(shí)驗(yàn)中涉及的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)充穿插，使學(xué)生系統(tǒng)地掌握實(shí)驗(yàn)思路，促進(jìn)學(xué)生積極思考、反復(fù)訓(xùn)練，進(jìn)而提高學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，激發(fā)學(xué)生的探索欲[7]。

該實(shí)驗(yàn)設(shè)置學(xué)生分組學(xué)習(xí)，以便提高學(xué)習(xí)效率，同時(shí)有利于學(xué)生之間不同思路的交流。課中學(xué)習(xí)任務(wù)包含以下幾個(gè)方面。

①利用ENVI軟件進(jìn)行水體指數(shù)計(jì)算，并設(shè)定合適閾值，自動(dòng)提取陸表水體。②針對(duì)自動(dòng)提取的結(jié)果進(jìn)行目視糾正。③對(duì)多期鄱陽(yáng)湖干濕季的陸表水域面積結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。④分析鄱陽(yáng)湖干濕季水域范圍的時(shí)空變化特征。⑤結(jié)合已有的氣候、土地利用數(shù)據(jù)，分析鄱陽(yáng)湖水文特征變化的驅(qū)動(dòng)力[8]。

（3）課后。課后，教師通過(guò)實(shí)驗(yàn)課上師生之間的互動(dòng)交流情況，及時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)中薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行總結(jié)。學(xué)生課后需要對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程、研究結(jié)果、結(jié)論進(jìn)行總結(jié)，撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告并制作PPT，在理論課堂上進(jìn)行內(nèi)容展示和匯報(bào)，如圖2、圖3 所示。2000—2020 年有179 景濕季數(shù)據(jù)和170 景干季數(shù)據(jù)，因此濕季和干季水域的淹沒(méi)頻率分別介于1～179和1～170。

圖2 鄱陽(yáng)湖2000—2020年干濕季水域淹沒(méi)強(qiáng)度

圖3 鄱陽(yáng)湖干濕季面積與氣候因子波動(dòng)對(duì)比

2 效果評(píng)價(jià)

針對(duì)該次研究性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果，設(shè)計(jì)了如表1所示的調(diào)查問(wèn)卷。問(wèn)卷從前置學(xué)習(xí)、課中數(shù)據(jù)操作處理、課后應(yīng)用的角度去考察學(xué)生對(duì)這種教學(xué)方式的認(rèn)可度，調(diào)查對(duì)象為46 名學(xué)生。結(jié)果顯示，學(xué)生對(duì)該次研究性實(shí)驗(yàn)的接受度較高，除第9 項(xiàng)研究報(bào)告是否可以發(fā)表成文外，其余評(píng)價(jià)內(nèi)容的認(rèn)可度均高于90%，個(gè)別項(xiàng)目的認(rèn)可度達(dá)到100%。說(shuō)明學(xué)生認(rèn)可這種課前學(xué)習(xí)、課中操作、課后應(yīng)用的教學(xué)方法，同時(shí)提高了學(xué)生對(duì)《遙感概論》課程的學(xué)習(xí)興趣。

表1 學(xué)生對(duì)研究性實(shí)驗(yàn)的認(rèn)可度 n（%）

3 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)的《遙感概論》實(shí)驗(yàn)課程，一般針對(duì)各理論知識(shí)進(jìn)行零散性的實(shí)驗(yàn)，沒(méi)有形成一個(gè)完整的應(yīng)用流程；沒(méi)有聯(lián)系學(xué)生的專(zhuān)業(yè)背景，做到專(zhuān)業(yè)知識(shí)與實(shí)驗(yàn)課程相結(jié)合。該文將鄱陽(yáng)湖干濕季水域范圍時(shí)空變化的研究課題引入《遙感概論》的實(shí)驗(yàn)課程，學(xué)生在一個(gè)完整的遙感應(yīng)用實(shí)例中進(jìn)行遙感軟件操作、遙感圖像處理、專(zhuān)題信息提取以及遙感圖像人機(jī)交互解譯等練習(xí)，學(xué)生可以理解水體指數(shù)的設(shè)計(jì)原理、如何選取合適的閾值進(jìn)行水面的提取、如何進(jìn)行豐枯水期水域面積的波動(dòng)監(jiān)測(cè)、如何分析水域面積波動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力。學(xué)生能夠深刻地理解理論知識(shí)，并結(jié)合數(shù)據(jù)處理能力提升自身發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。該次研究性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生充分利用課余時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前的預(yù)備和實(shí)驗(yàn)后的總結(jié)，課堂中進(jìn)行深入理解和實(shí)踐操作，有利于提升學(xué)生的科研思維，能夠提升學(xué)生對(duì)遙感技術(shù)類(lèi)課程的吸引力。同時(shí)，研究性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式可以提升教師的專(zhuān)業(yè)水平。在研究性實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)模式下，教師要廣泛查閱文獻(xiàn)，掌握國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)，搜集整理遙感技術(shù)應(yīng)用案例。課上引導(dǎo)學(xué)生如何對(duì)案例進(jìn)行實(shí)施，并在綜合性問(wèn)題出現(xiàn)時(shí)尋找知識(shí)點(diǎn)來(lái)解決問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)把 “研究性案例”與課堂內(nèi)容相融合，互為支撐與驗(yàn)證。課后時(shí)間主要是客觀(guān)地評(píng)價(jià)學(xué)生作業(yè)。整個(gè)流程中，教師在不斷地拓展專(zhuān)業(yè)知識(shí)，不斷擴(kuò)充遙感應(yīng)用的知識(shí)面，這樣在教學(xué)的過(guò)程中也提升了教師的科研能力，促進(jìn)了遙感學(xué)科的發(fā)展，為社會(huì)提供更多優(yōu)秀的遙感應(yīng)用人才。