《城市遥感》课程建设方案探讨

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　　摘要：遥感技术已成为空间信息与数字技术专业领域内的热门研究方向，基于遥感技术的城市问题研究受到广泛关注，本文主要探讨了空间信息与数字技术专业内开设《城市遥感》课程的必要性及建设方案，主要强调理论教学与实践训练相结合的培养模式。
　　关键词：城市遥感；空间信息与数字技术；课程建设方案
　　中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）23-0081-02
　　一、引言
　　中国地质大学（武汉）计算机学院开设了空间信息与数字技术专业，于2016年9月起正式招生。2015年本专业入选湖北省普通高等学校战略性新兴（支柱）产业人才培养计划项目，获批教育部专业综合改革试点项目。目前已经有包括武汉大学、电子科技大学、上海海洋大学、重庆邮电大学、成都信息工程大学、厦门理工大学等多所院校开设了相关专业。中国地质大学（武汉）的空间信息与数字技术专业结合本校在地质学、矿产资源能源、地理信息系统与测绘等地球科学研究领域的特色和优势，以培养掌握扎实的计算机技术和深厚的空间信息技术基础，能够在地质调查、地矿勘查、环境监测、城乡建设规划设计等地球科学行业或部门从事相关信息系统的管理、设计、开发和科学研究工作的高级人才为目标。遥感技术作为一种重要的空间数据获取方式，已经应用于陆地、海洋、大气和太空，科学和工程等众多领域。因此，为增加学生的综合素质与社会竞争力，众多高校的空间信息与数字技术专业开设了遥感技术的相关课程。目前，世界有一半以上的人口居住在城市中，城市问题是一个国家或地区社会经济问题的集中体现之一，所以城市问题的相关研究受到学者的广泛关注。其中，由于遥感技术具有短周期、大范围、可重复观测等优点，基于遥感技术的城市规划、生态等问题研究已成为研究热点。因此，城市遥感方面的课程开设对空间信息与数字技术专业的本科生了解本学科科技前沿、增强就业竞争力有着重要的实际作用。本文将主要探讨空间信息与数字技术专业开设《城市遥感》课程的建设方案。
　　二、课程内容
　　《城市遥感》的先行课为《遥感原理与应用》等遥感类基础课，以及高级编程语言、机器学习等计算机类课程。本门课程教材可参考文献所示的教材。本文建议本课程可以安排以下教学内容。
　　（一）城市遥感的基础
　　本章主要介绍城市遥感技术的基础知识与基本概念，为后续课程内容打下基础。主要内容有：遥感技术的物理基础、遥感影像的获取平台与传感器、城市遥感数据的一般特性、城市遥感影像的一般处理流程等。
　　（二）城市遥感影像解译
　　由于城市地物的复杂性和特殊性，针对城市区域的遥感影像解译已成为研究的热点。城市遥感影像的解译方法主要分为人工目视判别、人机交互半自动解译等方法。
　　本部分内容可安排一次实习课程，让学生们熟悉主流的遥感软件，学习基本的遥感影像操作。例如，人工目视判别内容的教学中以ENVI软件为例，通过软件进行遥感影像打开、放大缩小、多影像连接、ROI区域选择和导出等基本操作。
　　（三）城市遥感影像分类
　　分类是影像处理的重要步骤，本章将重点讲解监督分类、非监督分类、半监督分类为代表的经典分类技术，重点讲解三类影像分类在城市问题研究中的常用算法以及目前各类别代表算法的发展趋势。本部分内容可安排2—3次实习课程，实习内容分为两部分，第一部分为通过使用遥感软件进行经典分类算法实践，让学生们对分类过程与分类结果有一定的了解。例如，可选取支持向量机、最大似然法等经典监督分类方法针对城市区域的中、高分辨率遥感影像进行分类处理。第二部分为选取经典的机器学习算法，通过高级语言编程的方式让学生熟悉经典的分类算法原理，并结合编程实践让学生对城市遥感影像分类有更加感性的认识。后半部分实验课的开展可根据学生编程基础适当调整内容，如发现学生的高级语言基础较薄弱，可进行分组实验教学，并为学生讲解一个经典算法的完整代码示例。
　　（四）城市影像的变化检测
　　我国目前城镇建设进程迅速、城市人工目标变化剧烈，基于遥感数据的变化检测方法应用广泛，在城市遥感问题领域具有重要的地位。本章内容主要阐述城市人工地物变化检测的经典方法（分类比较法、像素级变化检测、特征级变化检测）与基本流程。城市变化信息是城市规划部门决策的重要参考数据之一，因此本部分课程内容建议讲授一类或几类典型地物的城市规划违法建设监测案例，让学生了解城市影像的变化检测的应用方向和具体内容。例如，城市违规填湖监测、城市违章建筑监测等。用于城市违章建筑监测的遥感影像多为高分辨遥感影像，在实际监测中还常常使用GIS矢量数据、无人机影像数据，最终监测结果可加载在城市地理信息公共平台中，供用户查询。本部分内容可安排一次实习课程，在前期课程的基础上，选取代表性的变化检测算法，如分类比较法，让学生更加熟悉城市遥感影像的处理原理和编程方案。
　　（五）基于遥感影像的城市基础空间数据更新
　　城市基础空间数据更新是城市遥感的重要应用类型，本部分内容将结合一个应用实例进行遥感影像的城市基础空间数据生产和更新流程的教学。教师可在本部分内容教学完毕后，给学生布置一次调研任务，任务题目自选，但需以城市基础空间数据更新为主题。
　　（六）城市目标的三维重建
　　基于遥感数據的城市目标三维重建是城市遥感领域内的重要方向之一。可从不同数据源的重建技术方面进行分类介绍，如航片、卫星影像、激光雷达点云数据。由于城市目标提取与三维重建过程中可能会涉及多源遥感数据，本部分可讲授部分多源遥感数据融合和协同提取的原理，介绍多源遥感数据融合的经典算法。通过本部分内容的教学，使学生了解更多不同形式的遥感数据及处理方式，如介绍激光雷达数据的处理软件TerraSolid。
　　（七）城市遥感专题图
　　城市遥感专题图是城市遥感领域研究的重要成果体现，该方式简单、清晰地突出一种、几种对象要素。因此，建议学生掌握城市遥感专题图的制作流程。本部分内容可开设一次实习课程，要求学生们掌握基本的城市遥感专题图绘制流程。本实习课程建议安排至城市遥感影像分类实习课之后，可利用学生完成的城市遥感影像分类结果进行专题图制作。通过本实习课程可进一步熟悉遥感领域内的主流软件的使用，如ARCGIS、MAPGIS、ENVI等软件。 　　（八）城市遥感在规划和环境监测中的应用
　　城市大气、水生态、地表生态环境的监测是城市遥感环境监测中的重要分支。本部分内容将首先依照上述三个方面进行应用方面的综述与方向介绍。随后将通过重点讲解一个应用分支的实例，使学生了解具体应用中所涉及的遥感处理技术与流程。由于本部分内容的教学中需使用遥感的基础知识以及影像处理的基本原理，因此本部分的实例讲解内容将放置在课程后部分的教学中。
　　（九）城市遥感技术的最新发展
　　为了让学生了解更多的城市遥感领域的前沿知识，最后会向学生们介绍本领域最新的发展方向，例如，无人机遥感影像处理、卫星视频数据处理、夜光遥感数据处理等。本部分内容应当根据技术发展进行更新。
　　三、结束语
　　城市问题研究是空间信息与数字技术专业领域的重要研究分支，本文重点介绍了《城市遥感》课程开设的重要性及课程建设方案。本门课程的建设中将在讲解基本遥感基础知识的同时，重点通过案例讲授将理论联系实际，并且通过实践教学着重强调对学生的实践编程与软件操作能力的培养。在今后的教学过程中，本门课程应结合最新的遥感技术，定期引入基于遥感技术的城市问题研究的前沿案例从而进行教学内容的更新，并根据教学效果进行教学方案的完善与改进。
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