高光谱遥感课程教学与实践教学环节设计
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摘要：针对遥感科学与技术本科专业的培养目标，对高光谱遥感的教材选择、教学内容以及实践教学环节进行了设计与探讨。
关键词：高光谱遥感；教学内容；实践教学
Teaching Content Arrangement and Discussion on Hyperspectral Remote Sensing
SONG Yan, TIAN Yugang
（College of Information Engineering, China University of Geosciences, Wuhan 430074,China）
Abstract: According to training requirements in remote sensing and technology, a proper teaching book, teaching content arrangement and practice course were made and discussed.
Key words: hyperspectral remote sensing; teaching content; practice course
中国地质大学（武汉）信息工程学院遥感科学与技术专业于2006年正式成立，该专业的培养目标是：培养具有良好的职业道德，掌握遥感科学、地理信息及计算机科学的基础理论、知识和技能，能结合计算机技术、地理信息技术在国土资源遥感、城市规划、地质工程、环境监测、海洋勘查等领域从事遥感信息获取、处理与分析，及有关遥感信息工程建设与应用的专门高级技术人才。
为了完成其培养目标，在本科生大三下学期开设高光谱遥感课。通过该课程的学习，使学生对高光谱遥感原理具有清晰地认识，掌握高光谱的基本分析方法，培养他们运用高光谱原理和分析方法解决实际问题的能力。依据课程目标，笔者结合近两年在课程教学中的实践经验，提出高光谱遥感课程的本科生教学内容和实践教学环节的设计，希望能抛砖引玉与同行们共同探讨。
1 课程设置简介
高光谱遥感课程共32学时，先修课程主要有：遥感概论、遥感物理、数字摄影测量、遥感图像处理、遥感图像解译、遥感应用模型。在课程教学过程中，共安排20课时的课堂教学，12课时的上机实习操作。
2 教材选择
优秀的教材可以帮助学生完整的掌握课程内容，近年，随着遥感定量化应用的不断发展，高光谱遥感方面的专著逐渐增多。目前已出版的高光谱遥感书籍主要有：中科院遥感所的童庆禧院士、张兵教授等编写的《高光谱遥感:原理技术与应用》以及《高光谱遥感的多学科应用》、武汉大学张良培教授等编写的《高光谱遥感》、浦瑞良教授等编写的《高光谱遥感及其应用》。经过比较发现和分析，上述书籍均对高光谱的原理、基本处理手段以及应用方面均有介绍。其中，童庆禧院士编写的书籍理论较深，更适合用于对研究生的教学，浦瑞良教授编写的书籍分为不同的专题介绍高光谱的应用情况，更适合对科研人员作为参考。针对本科教学的目标以及本科生的专业基础，选择张良培、张立福撰写的《高光谱遥感》作为课程教材，并将童庆禧院士、浦瑞良教授编写的书籍作为主要参考书目。
3 教学内容
在授课过程中，以高光谱遥感数据的获取、处理和应用为线索[1]，设计如下的教学内容。
3.1 高光谱遥感简介
在回顾电磁波、电磁辐射等遥感的理论基础后，重点阐述高光谱遥感的定义、特点，通过分析多光谱遥感与高光谱遥感对同一地物的光谱曲线，加深学生对高光谱遥感的认识。分析目前主要的高光谱遥感传感器及其成像参数，并大致介绍高光谱遥感在国内外的应用情况。最后依据高光谱遥感传感器的特点，提出本课程的整体理论框架，给学生们清晰地认识。
3.2 光谱重建与几何校正
地物光谱数据的获取仪器及获取步骤，并分析地物的光谱特性，并列出国内外常用的光谱库。介绍辐射误差的概念，并依辐射误差产生的原因分别介绍传感器定标、大气校正以及地形校正的理论和方法[1]。在介绍高光谱遥感的辐射校正方法基础上，介绍高光谱遥感数据的几何校正方法[2]。这部分的重点内容有：野外光谱仪的使用步骤，高光谱数据大气辐射校正方法以及几何校正方法。难点内容在于，高光谱数据的大气辐射校正方法。
3.3 高光谱遥感数据的处理方法
从Hughes现象入手，分析高光谱遥感影像特征提取与选择的必要性，而后分别介绍光谱的特征选择与提取、光谱匹配、光谱微分等技术。在光谱的特征选择与提取方面着重介绍，包络线去除法、光谱形态学分析方法（光谱梯度与坡度、光谱吸收参数等）、光谱相关性分析方法、MNF变换、PCA变换、光谱距离统计。这部分的重点内容在于，让学生理解高光谱遥感数据特征提取与选择的必要性，掌握常用的包络线去除法、MNF变换、PCA变换等方法、难点在于，通过理论的学习能够运用相关理论完成高光谱遥感数据特征提取与选择。
3.4 混合像元分解原理与方法
混合像元问题是遥感数据中不可避免的问题，本部分主要介绍遥感影像里混合像元形成机理，混合像元的物理、数学和几何模型，混合像元分解的步骤，混合像元分解中如何提取纯净像元。重点在于让学生对混合像元问题有清晰地认识，明确遥感影像中的“纯净”像元和“混合”像元的区别，在理解线性混合像元分解模型的物理、数学与几何模型的基础上，掌握线性混合分解方法的原理。难点在于学习并理解如何运用“沙漏模型”提取纯净像元的理论和方法。
3.5 高光谱遥感图像分类
介绍了高光谱遥感图像的分类方法，包括使用传统的监督分类、非监督分类的各种方法，以及一些针对高光谱数据的分类方法，例如自组织特征映射神经元网络的分类方法。结合高光谱遥感特征提取与选择方法，混合像元分解原理与方法，让学生掌握完整的高光谱遥感分类流程。重点内容在于理解并掌握高光谱遥感图像分类与多光谱遥感图像分类的相似点与不同点，难点在于掌握并理解自组织特征映射神经元网络的分类方法。
3.6 高光谱遥感的应用
重点介绍了高光谱遥感技术在地质方面的应用实例。运用前面所学习的相关理论和分析方法，重点介绍地质遥感领域高光谱遥感矿物填图方法，让学生能够完整掌握整体的分析方法。
4 实践教学环节设计
为了增强学生理论联系实际的能力，配合上述授课内容，参考相关软件的教程[3],为学生设计了四次实习内容。四次实习具体内容分别是：
第一次实习安排在第一章高光谱遥感简介授课内容结束后。 实习主要内容为让学生认识高光谱数据；实习方法为运用遥感的ENVI软件、AVIRIS的高光谱数据、JPL光谱库以及USGS 光谱库使学生们对高光谱数据以及常用光谱库有感性认识，并学习如何运用影像的光谱曲线选择彩色合成波段，对高光谱数据加以显示。
第二次实习安排在第二章光谱重建与几何校正授课内容完毕后。实习主要内容为：高光谱大气校正以及光谱特征分析；主要任务是练习如何运用FLAASH模型对高光谱遥感影像进行大气校正的方法。此外，安排学生进一步熟悉高光谱数据的特性，并进行光谱分析，主要运用包络线去除、ENVI的光谱角制图以及光谱特征拟合（Spectral Feature Fitting）两种方法从影像中辨认矿物。通过实习帮助学生了解光谱特征提取与分析对于高光谱数据的重要性。
第三次实习安排在第四章内容授课结束后。实习主要内容为纯净像元提取；主要实习任务是运用MNF变换后的波段以及散点图工具提取端元、运用MNF变换后的波段以及纯净像元指数工具以及N维可视化仪提取端元、运用提取的端元进行分类和制图。通过实习，让学生掌握高光谱数据中纯净像元的提取方法，并运用所提取的纯净像元进行混合像元的分解。
第四次实习安排在高光谱遥感的应用授课内容结束后。第四次实习为综合实习，实习任务是运用给定的AVIRIS高光谱影像 完成该地区的地质填图。
5 当前教学中存在的问题以及解决策略
1) 课时数安排过少。目前这门课程作为专业方向选修课，只有24个学时。但高光谱遥感是遥感科学与技术专业一门非常重要的课程，应至少安排40学时。
2) 教学方法亟待改进。这门课程目前的教授方法是以任课教师口授后，学生上机实践完成。虽然每次授课后都会及时安排实习，但是由于高光谱遥感某些理论较为深奥，使得学生在上课时难以马上消化，产生畏难思想，影响学生学习积极性与主动性。因此，若在课时增加的基础上，即可在上课时边讲授边由老师指导学生动手操作，及时理解高光谱遥感中的相关原理方法，直观理解相关原理在高光谱遥感中应用情况。
6 结 语
高光谱遥感是一门理论与实践相结合的课程，是遥感科学与技术专业的选修课课，对于学生理解和掌握遥感的应用发展非常重要，并可加深学生对遥感理论方法的认识。如何设计教学内容是一件非常重要和有意义的课题。本文结合笔者自身教学经历，针对高光谱遥感本科课程教学的现状，提出了对高光谱遥感教学内容的理解，并就教学中存在的一些问题进行了分析。
参考文献
张良培，张立福著. 高光谱遥感[M].武汉:武汉大学出版社，2007
童庆禧，张兵，郑兰芬.高光谱遥感-原理、技术与应用[M].北京:高等教育出版社，2006
沈焕锋, 钟燕飞, 王毅等. ENVI遥感影像处理教程[M]. 武汉: 武汉大学出版社, 2009
第一作者简介：宋妍，博士，讲师，主要从事遥感测图、变化检测等方面的研究工作。
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