夜光遥感的教学方法设计
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摘 要：虽然夜光遥感在科学研究领域的应用已经如火如荼，但是夜光遥感的教学研究却相对较少，大部分相关教学工作仍然停留在学术报告的层面，对于构建较为完整的知识体系存在较大难度。设计有效的夜光遥感教学方法体系对于激发学生学习夜光遥感知识具有关键性作用。笔者于2012年开始进入夜光遥感研究领域，于2015年前后开始开展夜光遥感的教学工作。该文将总结笔者近年来的相关教学经验，并开展探讨，希望能够为夜光遥感的教学工作提供借鉴意义。
关键词：夜光遥感 教学 方法 经验
中图分类号：G633 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）12（a）-0205-02
站在城市建筑上俯瞰夜晚城市，可以看到城市夜间各种形式的人造光源。这些光源包括路灯、商业广告灯、居民楼燈光、工业区的生产照明灯等。在科学家的视角下，这些城市夜间发光为科学研究提供宝贵的信息。20世纪70年代，美国军事气象卫星计划（DMSP）卫星搭载的业务线阵扫描传感器（OLS）成功发射并用于获取夜间云层信息。随后，科学家们发现DMSP/OLS影像在夜间无云的条件下可以获取油气井和城镇发光，因此DMSP/OLS为探测人类活动提供了一条新的途径。自从20世纪90年代，美国海洋大气与管理局（NOAA）的Christopher Elvidge博士领导的夜光遥感产品小组，于2010年成功生产了长时间序列的夜光遥感产品。这套时间序列产品已经被广泛应用于城市扩张监测、油气井燃烧监测、经济增长估算、光污染评估、人道主义灾难评估等诸多应用领域 （李德仁、李熙，2015）。2011年底，随着夜光遥感传感器VIIRS的出现，夜光遥感进入了更加定量化的时代。在国内，武汉大学的夜光遥感研究团队不仅在夜光遥感应用领域开展了深入研究，并且于2018年6月发射了全球首颗专业夜光遥感卫星“珞珈一号”01星，该卫星数据已经被广泛应用于城市化和基础设施建设监测等多个领域（Li et al. 2019）。该文基于笔者在夜光遥感领域的研究成果，探讨在相关领域的教学方法。
1 课堂教学的知识体系
多年来，人们对于夜光遥感的理解更多停留在应用层面。例如，2018年美国诺贝尔经济奖得主、耶鲁大学诺德豪斯教授曾经将夜光遥感技术应用于GDP估算等领域，产生了巨大学术影响（Chen and Nordhaus，2011）;武汉大学的研究团队曾经将夜光遥感应用于叙利亚内战等人道主义灾难评估的领域，产生了广泛的社会影响。然而，不同的应用领域知识结构存在巨大差异，因此如果以应用导向为教学主线，则很难构建完整的教学逻辑。为此，我们需要构建整套夜光遥感的知识体系开展教学工作。我们将知识体系划分为夜光遥感的概念、夜光遥感的原理、夜光遥感的方法、夜光遥感的应用、夜光遥感数据获取与处理技能共五个主要方面。
1.1 夜光遥感的概念
通过搜索各类文献，关于夜光遥感并没有统一的定义。在气象遥感领域，只要是夜间可见光的遥感都可以称为夜光遥感或者微光遥感，特别对于云层夜间发光最为重视。在社会经济研究领域，夜光遥感更多面向城镇、油气井以及渔业发光。因此，考虑到实际的应用领域，我们将夜光遥感定义为无云条件下的遥感传感器获取陆地和水体可见光源的过程。在给出该定义后，我们需要告知学生定义本身不是绝对的，根据不同的需求可以给出不同的定义。
1.2 夜光遥感的原理
在多数学术报告中，对于夜光遥感的原理讲述并不充分。但是对于课堂教学而言，夜光遥感的原理必不可少的。事实上，日间遥感的诸多原理和夜光遥感几乎完全一样，比如辐亮度的定义、大气辐射传输过程、几何校正方法等。因此，在讲述夜光遥感原理之前，需要较为系统的介绍日间遥感的基本原理。考虑到课堂教学时间的限制，需要学生在课堂教学前进行一定的预习，推荐学习梁顺林教授撰写的《定量遥感》教材。在讲授夜光遥感原理时，需要特别阐述夜光遥感的辐射传输机理：遥感传感器接受到的能量中包含城市夜间灯光、地表反射的月光以及诸多噪声因子（例如宇宙高能粒子与大气层碰撞的发光），这些光源均与大气发生相互作用，其机制可以用大气辐射传输原理来解释。
1.3 夜光遥感的方法
由于夜光遥感面向的科学问题分散在不同领域，因此夜光遥感的方法看似较为分散。针对这一问题，需要总结夜光遥感领域中研究最为集中的若干领域，并找到其常用的方法。这些方法包括：（1）DMSP/OLS年合成产品的相对辐射定标;（2）VIIRS每日数据的辐射质量改善;（3）基于夜光遥感的城市范围提取方法。针对这3个主要方法，讲述其各自的分支方法，例如，为了提取城市范围，可以采用单阈值法，也可以采用复合指数法等多个策略。当然，随着夜光遥感的快速发展，其对应的主要科学问题也会增多，需要根据实际情况增加讲述内容。
1.4 夜光遥感的应用
相比于概念、原理和方法，夜光遥感的应用则显得十分有趣。结合日常生活和新闻事件，选取合适的重要案例讲述夜光遥感的应用价值。同时，在讲述应用案例时，一定要配合夜光遥感的原理和方法进行讲授，切忌应用和方法的脱节。
1.5 夜光遥感数据获取与处理技能
虽然夜光遥感具有重要的应用价值，但如果只是停留在理论知识的讲述缺乏实际操作的话，很难让学生们留下深刻的印象。因此，需要在课堂上直接传授数据获取的处理的方法。需要详细的指导如何搜索到夜光遥感数据、如何下载以及基本处理的相关知识。打开美国海洋与大气管理局的官方网站，进入DMSP/OLS和VIIRS夜光遥感产品的下载界面，告诉学生下载方法。接着，打开湖北省高分辨率对地观测系统湖北数据与应用网，进入“珞珈一号”01星数据的下载界面，快速注册账号后，就可以下载相关数据。当然，下载数据只是第一步，在有条件的情况下，有必要安排一次上机实习课程。 2 课堂教学的方法与策略
在构建完夜光遥感的知识体系后，需要设计合适的教学方法激发学生的学习积极性。笔者将其中较为特色的方法概括为：案例教学、多媒体技术、软件操作和课外实践。
2.1 案例教学
为了凸显夜光遥感的重大价值，我们重点选取夜光遥感监测中东地区社会经济变化作为重点案例进行讲解。通过相对辐射定标、时间序列分析、时空聚类等数据处理与分析方法，我们可以获得叙利亚内战以来夜间灯光的变化信息，部分省份几乎陷入完全黑暗。在展现夜光遥感影像的同时，配备相关的新闻资料和图片，展示叙利亚内战的残酷，激发学生们热爱和平、关注世界和灵活运用知识的动力。还可以运用中国城市化作为典型案例，展示中国主要城市群的快速增长及其伴随的夜间灯光的增长，让学生们了解夜光遥感对于研究区域经济发展的重要价值。除此之外，经济增长估算也是很好的例子，可以介绍诺贝尔经济奖得主诺德豪斯教授利用夜光遥感估算GDP的经典案例，让大家知道夜光遥感已经成为宏观经济学的重要数据源。
2.2 多媒体技术
在介绍夜光遥感基本概念以及案例教学时，十分有必要利用各种多媒体技术传授知识。利用NOAA提供的国际空间站影像的视频展示不同城市夜间灯光的空间细节信息，从而获得重要的直观感受;利用夜光遙感叙利亚内战的新闻报道视频，可以展示夜光遥感巨大应用价值;利用“珞珈一号”01星的发射场景视频，激发同学们的爱国、爱校情怀，同时推动国产夜光遥感的应用研究。
2.3 软件操作
建议采用ENVI和Arcmap软件开展夜光遥感的实践操作。利用ENVI软件开展夜光遥感影像的基本处理：坐标转换、影像裁减、重采样、亮度拉伸等基本操作。在ENVI操作结束后，利用Arcmap进行数据分析也是必不可少的，特别是利用行政区划数据结合夜光遥感影像计算夜光总量，并与GDP数据结合开展相关分析，从而有效地展示夜光遥感在经济建模中的巨大潜力。
2.4 课外实践
课堂教学固然有利于传授基本知识，但是对于获得第一手的直观资料而言，课外实践则能发挥独特的作用。选取学校周边地块，带领兴趣小组肉眼观测商业区、教学区和居民区的夜间发光，通过辐射亮度计等工具记录夜间灯光的发光强度，并结合卫星资料进行对比。通过这些活动，建立卫星观测与地表信息的有效对应，帮助学生建立夜光遥感更为直观和基础的概念，对于夜光遥感的定量化也具有重要价值。
3 结语
近年来，夜光遥感技术经历了快速发展，不同领域的学者开始应用夜光遥感影像开展研究工作。相比于快速发展的研究，夜光遥感的系统化教学工作相对滞后。如何利用课堂教学手段迅速有效地普及夜光遥感基本知识，并激发部分学生今后从事该研究领域是一个具有重要价值的话题。笔者基于近年来的科研和教学经验，初步建立了一套教学框架体系，希望能为国内同行提供一定的借鉴意义。同时，需要清晰地认识到，夜光遥感是一个急剧发展的研究领域，其教学方法必须伴随着主要研究进展而更新。例如，随着无人机技术的普及，利用无人机调查城市夜间灯光分布和变化不难实现，今后可以重点开展无人机夜光遥感的数据处理和应用的教学工作。
参考文献
[1] Chen，X.& Nordhaus，W.D.Using luminosity data as a proxy for economic statistics[J].Proceedings of the National Academy of Sciences，2011（108）：8589-8594.
[2] Li，Xi.，Li，Xiya，Li，Deren，et al.He，X.，& Jendryke，M.A preliminary investigation of Luojia-1 night-time light imagery[J].Remote Sensing Letters，2019（10）：526-535.
[3] 李德仁，李熙.论夜光遥感数据挖掘[J].测绘学报，2015（44）：591-601.
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