遥感数字图像分析与应用课程虚拟仿真在线实验教学系统设计
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[摘 要]遥感数字圖像分析与应用是高校地理信息科学专业的核心课程，实验教学是该课程教学过程中的重要环节。针对传统的实验教学过程中存在的理论抽象、算法复杂、教学过程讲解困难等问题，将虚拟仿真在线实验教学引入传统实验教学，“虚”“实”有机结合，充分调动学生自主学习的积极性与创造性。虚拟仿真在线实验教学采用演示模式与自主实验模式，以三维动画方式，引导学生完成并掌握遥感图像成像原理、大气衰减及图像处理技术与相关算法实验，培养学生设计及分析综合实验能力，为遥感图像综合应用储备知识技能。
[关键词]遥感数字图像分析与应用;虚拟仿真;在线实验教学
[项目资助]2016年江苏省在线开放虚拟仿真实验教学项目培育项目“高分辨率遥感动态监测与虚拟仿真”;2019年教育部产学合作协同育人项目“高分辨率遥感分类虚拟仿真实验教学”（201901039025）
[作者简介]朱瑜馨（1976—），女，山东聊城人，博士，淮阴师范学院城市与环境学院副教授，主要从事遥感时空统计与不确定性研究;张锦宗（1972—），男，甘肃张家川人，博士，淮阴师范学院城市与环境学院副教授（通信作者），主要从事城市与区域发展研究。
[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2020）32-0386-03 [收稿日期] 2019-12-31
遥感数字图像分析与应用是高校地理信息科学专业的核心课程，遥感图像处理技术是该专业学生必须具备的技术之一。随着全球及区域尺度遥感应用领域的迅速扩展，高校非地理信息科学专业的学生对遥感图像处理技术的需求也越来越大。该课程不仅理论抽象，而且图像运算的算法多且难以理解。传统的教学模式通常是教师课堂进行理论讲授，同时进行操作演示，在配套的上机实践课上学生上机模拟练习，教师进行课堂监控，发现问题一一进行指导，这种教学模式课堂效率较低，学生上机操作绝大多数是按照老师的操作流程机械地完成，缺乏主动思考过程，教师难以逐一监控。而非地理信息科学专业学生则很少有机会上机操作得到教师的指导。针对传统教学中存在的弊端，将虚拟仿真技术引入遥感数字图像分析与应用的课堂教学中，让学生在虚拟环境中随时随地体验、学习并掌握遥感数字图像处理的理论、算法、解译技术，在线交流实时发现问题、解决问题，既方便了学生的课堂预习、课后复习巩固，又方便教师及时把控教学过程、评价教学效果，解决了大量学生不能身临其境学习实践的问题，将课本抽象的知识真实化、形象化，加深学生对遥感原理及图像处理过程的认知程度，提高了学生学习兴趣和理论联系实际的能力，对现代课堂教学的优化具有重要的现实意义。
一、在线实验教学系统设计
（一）系统架构
系统总体架构如图1所示。
如图1所示，支撑系统运行的平台及系统运行的架构共分为五层，每一层都为其上层提供服务。
①数据层：实验项目涉及多种类型虚拟实验组件及数据，这里分别设置虚拟实验的基础元件库、实验课程库、典型实验库、标准答案库、规则库、实验数据、用户信息等来实现对相应数据的存放和管理。②支撑层：支撑层是虚拟仿真实验教学与开放共享平台的核心，是实验项目正常开放运行的基础，负责整个基础系统的运行、维护和管理。包括以下几个功能子系统：安全管理、服务容器、数据管理、资源管理与监控、域管理、域间信息服务等。③通用服务层：通用服务层即开放式虚拟仿真实验教学管理平台，提供虚拟实验教学环境的一些通用支持组件，以便学生能够快速在虚拟实验环境完成虚拟仿真实验。通用服务包括：实验教务管理、实验教学管理、理论知识学习、实验资源管理、智能指导、互动交流、实验结果自动批改、实验报告管理、教学效果评价、项目开放与共享等，同时提供相应集成接口工具，以便该平台能够方便集成第三方的虚拟实验软件进入统一管理。④仿真层：仿真层主要针对项目进行相应的器材建模、实验场景构建、虚拟仪器开发、提供通用的仿真器，最后为上层提供实验结果数据的格式化输出。⑤应用层：基于底层的服务，最终遥感数字图像处理与应用虚拟仿真实验项目教学与开放共享。该框架的应用层具有良好的扩展性，实验教师可根据教学需要，利用服务层提供的各种工具和仿真层提供的相应的器材模型，设计各种典型实验实例，最后面向学校开展实验教学应用。
（二）系统实验内容设计
遥感数字图像分析与应用虚拟仿真实验在线教学，面向地理信息科学专业及有遥感图像处理技术需
求的所有其他专业的学生。为了能体现专业优势、拓展学生的专业兴趣并满足学生的个性化发展需要，虚拟实验教学采用开放在线教学模式，以学生为中心，学生主导实验过程，操作实验装置，指导教师讲解实验方法和实验步骤，并对整个实验前、中、后全过程加以指导和引导，启发学生创新意识，培养学生发现问题、解决问题的能力，调动学生学习的积极性。实验中，教师通过做题、考核方式激发学生充分发挥想象，发掘学生的创造潜能，提高解决实际问题的综合能力。该虚拟实验仿真教学内容主要包括以下几大部分：
1.演示模式教学。根据课程的教学目标设计以下教学原理基础实验及综合实验的虚拟仿真：遥感成像过程、大气衰减原理、图像显示、图像校正、图像变换、图像滤波、图像分类等基础实验;土地利用变化遥感监测与分析综合实验。图像校正实验，将向学生重点展示两个核心环节—像素坐标的变换及坐标变换后的像素亮度值的重采样。图像增强实验，将从辐射增强、光谱增强、空间域增强、频率增强等方面为学生展示增强处理技术，把ENVI的Enhance模块下的交互式直方图调整、直方图匹配、波段比计算、主成分变换、独立成分变换、最小噪声分离变换、彩色变换、卷积滤波、边缘检测、纹理分析、傅立叶变换等方法细节及实验效果一一展示。
每一实验的虚拟仿真通过动画、视频相结合的方式，简单直观地将枯燥抽象的原理在线显示给学生，激发学生的学习兴趣，并通过设疑教学方法引导学生进行思考，训练他们的逻辑思维能力。通过演练模式，学生自主选择所要演示的图像处理原理，以简单直观的方式将课程枯燥抽象的原理在线给学生，并能使学生随时随地进行学习。同时系统提供有每一部分教学的电子教案、CAI课件供学生补充学习，从而获得最佳的学习效果。 2.自主实验模式。在该模式下，学生自主选择数据库中的影像资源，根据演练模式下提供的数据处理教学内容，自主完成任意一个数据处理及应用试验。首先学生根据每一个自主实验的实验目的、要求及任务，选择数据库中某类型的影像，并通过系统带有的数据库中影像资源类型的全面介绍，详细了解图像信息，为下一步的图像处理做理论铺垫。然后以对话框的方式一步一步完成实验操作，在完成实验操作的过程中，对关键的知识点及技术点，系统将会以问答的方式帮助学生复习巩固并记忆知识点。对抽象的图像运算算法，系统在前台在线显示，显示方式有文档、问答式习题、三维动画模拟等。
3.在线交流与评价模式。在线交流提供BBS论坛，能够对参加实验学生的全过程进行记录，并能够随时进行实验指导，对于学生预习效果、实验步骤以及实验成绩评价都具备完善的评价标准。在该模式下，学生与学生之间以及学生与教师之间可以对实验心得、实验经验进行充分的交流沟通，而不受时空的限制。通过平台完善的反馈机制，对参加实验学生各方面的建议、评价与反馈信息，进行全面系统的统计分析，帮助教師及时了解学生实验过程中存在的问题，并根据反馈的问题信息及时微调实验教学内容及进度。
二、开发技术
本在线实验平台基于公有云服务器、局域网服务器部署，分别需要5M—10M、10M—50M宽带，支持1000个学生同时在线并发访问和请求。如果单个实验被占用，则对话框提示后面进行在线等待，等待前面一个预约实验结束后，进入下一个预约队列。实验项目的开发工具包括unity3d、3DMax、Visual Studio、Photoshop，采用WebGL3D仿真建模技术，单场景模型总数：900000面;贴图分辨率：1024×1024;显示帧率：高于每秒30帧;刷新率：高于30Hz;正常分辨率：1920×1080。管理平台采用Java开发语言，Eclipse开发工具，数据库采用MySQL。
（一）WebGL三维仿真建模
WebGL（Web Graphics Library）是一种3D绘图协议，这种绘图技术标准允许把JavaScript和OpenGL ES 2.0结合在一起，通过增加OpenGL ES 2.0的一个JavaScript绑定，为HTML5 Canvas提供硬件3D加速渲染，使得Web开发人员借助系统显卡来在浏览器里更流畅地展示3D场景和模型，并能创建复杂的导航和数据视觉化[1]。WebGL是一项可以在浏览器中绘制、显示三维计算图形并与之交互的技术[2-3]。WebGL程序可存在于网页中并在浏览器中执行，不需要安装任何其他的插件和库[4]。本系统最终打包WebGL场景发布。
（二）Unity3D
Unity是由Unity Technologies公司开发的高端跨平台引擎，Unity除了用于游戏开发，还被广泛应用于航空航天、军事国防、工业仿真、教育培训、医疗模拟、建筑漫游等领域[5]（P58）[6]。Unity3D是具有跨平台特点的虚拟现实开发工具，具有强大的图形资源整合、实时渲染、物理仿真等功能[7]。本系统中的三维特效均在此工具下完成。
三、结束语
遥感数字图像分析与应用虚拟仿真实验是传统教学的延伸与拓展。系统不仅能够单机稳定可靠运行，并可置于基于Internet开放教学管理平台上，可以为不同校区、不同专业的学生同时共享使用，并且项目建于B/S架构可以提供授权的网络环境下开展实验。系统有完善的加密机制，可以进行日志管理、数据备份、系统监控，保障网络及信息安全保护功能。通过遥感数字图像分析与应用虚拟在线教学，学生可以从影像纠正、图像增强、数据解译等方面全方位掌握遥感图像处理的原理与方法，掌握遥感影像解译的技能;从宏观了解遥感的应用领域，增强学生对遥感科学技术重要性的认识。学生在虚拟实验平台上不仅能完成遥感基础应用技能、遥感数据处理等基础实践教学内容，并能从植被、土地覆被等方面进行遥感动态监测与模拟等综合性实验项目，提高实践教学的层次，促进学生对遥感影像解译技能的掌握。在传统实验教学方式中引入虚拟仿真实验，二者有机结合，有助于调动学生学习的积极性和主动性，激发学生主动思考的思维方式，全面培养学生的自主学习能力、创新意识和实践应用能力，体现以学生为主体的教学思想。
参考文献
[1]科普中国.WebGL[EB/OL].https：//baike.baidu.com/item/WebGL/592485？fr=Aladdin，2019-12-20.
[2]魏云申.基于WebGL的全景3D漫游系统的设计与实现[D].南京：南京大学，2016.
[3]张文娟，吴琼，曹欣然.基于WebGL的三维落叶场景仿真[J].计算机技术与发展，2018，28（6）：165-169.
[4]顿儒源.基于WebGL的织物三维展示系统[D].杭州：浙江大学，2016.
[5]Technologies U.UNITY 4.X从入门到精通[M].北京：中国铁道出版社，2013：58.
[6]岑洎涛.基于Unity3D的虚拟切削仿真系统的研究与开发[J].数字技术与应用，2018，36（4）：169-170.
[7]孙本固，尹念东.基于Unity3d的虚拟柔性制造系统设计与实现[J].湖北理工学院学报，2015，31（4）：12-16.
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