孔祥生，錢永剛，張安定

（1.魯東大學 資源與環(huán)境工程學院，山東 煙臺 264025；2.中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院 定量遙感信息技術(shù)重點實驗室，北京 100094）

遙感已經(jīng)成為當今最為重要的對地觀測技術(shù)之一，傳感器的時間分辨率、空間分辨率和光譜分辨率越來越高，傳感器種類和數(shù)量越來越多，遙感數(shù)據(jù)越來越豐富，遙感技術(shù)已在測繪、規(guī)劃、資源環(huán)境、生態(tài)、農(nóng)業(yè)、災害、國土調(diào)查等方面發(fā)揮著越來越重要的作用[1-2]。遙感技術(shù)的進步與發(fā)展也極大促進了遙感教育的發(fā)展，到目前為止，我國有170多所高校開設(shè)了地理信息科學、150多所開設(shè)了測繪工程等本科專業(yè)，有50多所高校開設(shè)了遙感科學及技術(shù)本科專業(yè)，測繪類、地理類、農(nóng)業(yè)類等學科及其他一些專業(yè)也開設(shè)有遙感基礎(chǔ)理論與遙感技術(shù)與應用等遙感類課程，形成了本科、研究生等不同層次，職業(yè)教育與培訓相結(jié)合的遙感教育體系，遙感教育與遙感技術(shù)相互促進，得到了飛速發(fā)展[3]。

近年來，為了適應我國高等教育改革與新技術(shù)發(fā)展的需要，結(jié)合地方高校的實際，我校遙感教學相關(guān)教師積極探索教學改革。一方面積極探索實踐教學體系構(gòu)成，優(yōu)化了實踐教學內(nèi)容層次體系、過程考核標準[4]，提出了改進遙感野外實踐教學模式[5]，編寫了適應地方高校的遙感理論和實驗教材[6-7]。這些改革工作系統(tǒng)提高了遙感實踐教學質(zhì)量，提升了人才培養(yǎng)質(zhì)量，地理信息科學專業(yè)評為山東省特色專業(yè)，實踐教學改革獲得山東省教學成果二等獎和全國高校GIS教學成果二等獎。

然而，在培養(yǎng)學生應用開發(fā)能力和科研創(chuàng)新能力方面，還存在過度依賴本地計算力、遙感數(shù)據(jù)源有限及遙感圖像桌面平臺更新難等實際情況，存在計算機軟硬件更新購置經(jīng)費不足、計算力有限、海量遙感數(shù)據(jù)獲取和處理能力不足及計算機系統(tǒng)維護難等問題，這些已成為制約教學質(zhì)量提高和創(chuàng)新型人才培養(yǎng) 難題[8-9]。

超級計算力和海量遙感數(shù)據(jù)便捷獲取為遙感實踐教學改革提供了新的機遇。超級計算機和云計算應用的發(fā)展，使人們可以容易地獲得巨大的計算力[10-11]。與此同時，“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)發(fā)展和開放共享理念普及，一些結(jié)構(gòu)如美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）和航空航天局（NASA）提供了全球范圍免費的TB、PB級衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)及增值產(chǎn)品網(wǎng)絡(luò)服務，為遙感實驗教學改革帶來新的機遇[12]。

GEE是Google公司面向全球提供的一個免費地理空間數(shù)據(jù)云處理網(wǎng)頁接口平臺，它提供了全球免費的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)、強大云計算力和大量數(shù)據(jù)處理函數(shù)，實現(xiàn)了信息提取算法實時共享[13]。我們在對遙感實踐教學現(xiàn)狀分析的基礎(chǔ)上，將GEE引入到遙感實驗教學改革中， 收到了較好的效果。

1 當前高校遙感實驗教學現(xiàn)狀與存在難點

1.1 遙感類實驗教學現(xiàn)狀

遙感類課程的地位和作用受到高度重視，遙感實驗已成為地理信息科學、測繪工程和遙感科學與技術(shù)等普通高校本科專業(yè)的核心課程或主干課程的重要實踐教學環(huán)節(jié)。我國地理信息科學專業(yè)是從地圖學與地理信息系統(tǒng)碩士點發(fā)展起來的，在1998年教育部頒布的《普通高等學校本科專業(yè)目錄》中，地理科學下設(shè)地理信息系統(tǒng)專業(yè)，北京大學、武漢大學、北京師范大學、南京師范大學等37所國內(nèi)知名高校開始開設(shè)地理信息系統(tǒng)本科專業(yè)，2012年，在教育部新頒布《普通高等學校本科專業(yè)目錄》中，將地理信息系統(tǒng)專業(yè)更名為地理科學專業(yè)，截止2018年底，全國已有 179所普通高校招收地理信息科學本科專業(yè)，地理信息科學專業(yè)在全國呈現(xiàn)出快速發(fā)展的勢頭，另外，測繪類下設(shè)的測繪工程和遙感科學與技術(shù)等本科專業(yè)，開設(shè)高校也分別達到157所和45所?？v觀這些專業(yè)的人才培養(yǎng)方案和教學實踐，不難發(fā)現(xiàn)，掌握遙感技術(shù)與應用方法是人才能力培養(yǎng)的重要目標之一，《遙感概論》、《遙感原理與應用》、《遙感圖像處理》、《資源與環(huán)境遙感》、《攝影測量與遙感》、《定量遙感》等課程也被設(shè)置為主干課程或核心課程，遙感類課程在該專業(yè)人才培養(yǎng)中發(fā)揮著重要作用[8-9]。

遙感圖像處理軟件桌面平臺系統(tǒng)成為遙感實驗教學的基礎(chǔ)平臺。現(xiàn)有資料分析表明，遙感實驗教學依托遙感圖像處理軟件方能有效開展，遙感圖像處理桌面軟件產(chǎn)品逐漸豐富，圖像處理功能越來越強大， 一方面，市場上有ENVI[14-16]、ERDAS[17]、PCI、ER Mapper等應用類遙感圖像處理軟件[18]，遙感實驗教學就是將教學內(nèi)容與軟件功能相結(jié)合，通過掌握軟件功能來實現(xiàn)教學目標；還有一類適合于二次開發(fā)的桌面遙感工具平臺，如Matlab[19]、C++、IDL等[20]，依托該軟件平臺，通過編寫一定的代碼和程序完成教學目標。遙感圖像處理軟件一般都是一個完整的遙感圖像處理平臺，無論是應用類還是開發(fā)類的圖像處理平臺，其處理技術(shù)涵蓋了遙感圖像輸入/輸出、定標、配準、增強、分類、雷達圖像處理、制圖等功能，成為連接遙感基礎(chǔ)理論與技術(shù)應用的橋梁和紐帶，在遙感類實驗教學中都發(fā)揮著不可替代的重要作用。

遙感實驗教學所使用的數(shù)據(jù)為兩種，一種是模擬數(shù)據(jù)，主要是光學圖像處理；另外一種就是數(shù)字圖像，即，使用計算機處理方法。隨著計算機硬件性能的不斷增強和遙感圖像數(shù)字化程度的不斷提高，遙感圖像數(shù)字處理已經(jīng)成為遙感圖像處理的主要方法，計算機已成為遙感數(shù)字圖像系統(tǒng)的核心構(gòu)件，遙感類實驗教學重要支撐條件之一就是計算機軟件和硬件系統(tǒng)，二者的關(guān)系也越來越密切，遙感類圖像處理桌面平臺與計算機系統(tǒng)、計算機硬件條件的關(guān)聯(lián)程度也越來越高，二者協(xié)同更新能助力遙感實驗教學的開展[21]。

遙感類實驗教學內(nèi)容趨向應用性和系統(tǒng)性，對開發(fā)能力要求越來越高。實踐教學內(nèi)容涵蓋操作性、驗證性以及綜合性等多個層次，一些操作性實驗內(nèi)容需要的數(shù)據(jù)量小，需要的計算力也低，耗費的時間也短；但一些綜合性的內(nèi)容，則需要大量的數(shù)據(jù)和強大的計算力才能進行，比如，為提高學生的綜合運用遙感技術(shù)的能力，會增加一些較大區(qū)域性、長時間的遙感監(jiān)測實驗內(nèi)容，需要的數(shù)據(jù)量不是一景兩景，而是幾十景，甚至成百上千景。時間序列也不是一兩年，跨度往往可以達幾十年，需要的數(shù)據(jù)源不是一種傳感器，而是多源衛(wèi)星傳感器，形成了多源、長時間序列、大數(shù)據(jù)的綜合性系統(tǒng)性遙感時空監(jiān)測實訓項目與知識性、驗證性相結(jié)合的遙感實踐層次體系，各層次內(nèi)容的構(gòu)成比例因?qū)W校層次和教學積累的不同而各異，這種層次化與系統(tǒng)化并舉的格局，保障了遙感實踐教學的基礎(chǔ)性與時代先進性的有機結(jié)合，同時對開發(fā)能力提出了更高的要求。

1.2 遙感實驗教學難點

遙感實驗教學軟件更新與維護難。ENVI桌面端平臺從1992年第一個版本始至今有近30年的歷史，從3.0系列、4.0系列到最新版本5.0系列，先后有10多個版本，版本更新一方面增加了新功能，另外給用戶帶來了軟件維護難題。

計算機硬件維護難。機房是遙感類課程實驗教學的主要場所，計算機操作系統(tǒng)多，遙感圖像處理軟件、GIS軟件龐雜，學生使用水平及計算機維護技術(shù)參差不齊，導致計算機感染病毒多、計算機硬件損害率高、圖像處理軟件崩潰、遙感數(shù)據(jù)丟失等問題，成為掣肘遙感實驗教學順利開展的難題之一。以魯東大學為例，機房計算機硬件完好率不足70%，遙感圖像桌面平臺軟件部分功能無法使用，計算機性能如CPU、內(nèi)存、顯卡、讀寫方式等配置也無法與時俱進。遙感圖像處理技術(shù)的不斷革新，對計算硬件性能的要求也越來越高，這對于一些地方高校而言，由于經(jīng)費問題，遙感圖像桌面平臺和硬件更新往往不及時，出現(xiàn)計算機性能和軟件版本不能很好地滿足教學實際要求，一些最新的遙感圖像技術(shù)和應用無法在教學實踐中實施，二者的協(xié)同更新成為制約遙感實踐教學改革的瓶頸 問題。

數(shù)據(jù)下載和管理難。自上世紀70年代至今累積了海量數(shù)據(jù)，且遙感衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量仍在不斷增加，遙感數(shù)據(jù)量以每天TB級增長。海量的遙感數(shù)據(jù)為遙感教學帶來了便利，但同時也為數(shù)據(jù)下載和管理帶來挑戰(zhàn)。目前遙感實驗教學使用的數(shù)據(jù)，教學用遙感數(shù)據(jù)一般是通過老師提供、網(wǎng)站下載、學校購置等形式獲得，需要課前將教學中使用的遙感數(shù)據(jù)分發(fā)給學生，學生也需要準備U盤、移動硬盤等存貯介質(zhì)來保存數(shù)據(jù)。在一些綜合性的遙感實驗項目中，學生需要從網(wǎng)站上直接下載大量的數(shù)據(jù)，每景數(shù)據(jù)的大小從200 M 到 1G不等，受到下載速度和帶寬限制，一景需要10～60 min時間不等，如需要多景、幾十景，甚至更多景數(shù)據(jù)，下載會消耗大量時間，數(shù)據(jù)收集會成為一件難以完成的工作，同時，遙感數(shù)據(jù)多，給遙感數(shù)據(jù)的管理和共享也帶來不少問題。

海量遙感數(shù)據(jù)信息提取能力不足，新技術(shù)、新理論和新方法不能及時充實到實踐教學中去。目前，全球在軌運行的光學、雷達、多角度衛(wèi)星數(shù)量已經(jīng)達到 2 000多顆，遙感數(shù)據(jù)TB級供給與遙感圖像處理桌面平臺處理能力不足的矛盾，制約了遙感技術(shù)與應用發(fā)展，在遙感實驗教學中，教學內(nèi)容對桌面平臺功能的依賴，制約著遙感綜合內(nèi)容的開展，導致學生創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力不足，因此急需用新理論、新方法和新技術(shù)對遙感實驗教學進行改革。

2 GEE云平臺

2.1 交互式圖形接口

GEE是由可直接進行分析的PB數(shù)據(jù)集、高執(zhí)行率計算機和并行計算函數(shù)構(gòu)成的云服務平臺[20]，它可以通過網(wǎng)絡(luò)接口、API和網(wǎng)頁交互設(shè)計環(huán)境（IDE）來獲得服務，并能實現(xiàn)地理空間分析結(jié)果快速可視化和算法實時共享[17]。

通過Google Earth Engine門戶網(wǎng)站（https://code.earthengine.google.com/），便可注冊成為免費用戶，成功后就可以便捷地使用GEE API庫函數(shù)分析共有數(shù)據(jù)和私有數(shù)據(jù)，這些處理功能函數(shù)可以對數(shù)據(jù)自動完成并行和分布式處理，通過客戶端或者基于網(wǎng)頁的交互式環(huán)境設(shè)計接口來實現(xiàn)分析處理操作功能，推薦使用Google Chrome瀏覽器，交互式圖形接口界面組成如圖1所示。

圖1 GEE代碼編輯器交互式接口

GEE 代碼編輯器接口界面主要由代碼管理區(qū)、代碼編寫區(qū)、控制臺和地圖顯示區(qū)等組成。①代碼存放區(qū)，該區(qū)域存放用戶編寫的代碼、GEE提供的案例代碼、函數(shù)文檔說明及用戶私有數(shù)據(jù)目錄等；②代碼編寫區(qū)，用于讀取、篩選、分析、顯示、共享、運行、發(fā)布等地理空間數(shù)據(jù)處理等功能代碼編寫；③控制臺輸出區(qū)，程序運行結(jié)果輸出、數(shù)據(jù)檢查及任務運行管理器；④圖像顯示、矢量繪制、圖層管理區(qū)，用于運行結(jié)果疊加到地圖數(shù)據(jù)/Google衛(wèi)星影像顯示，繪制點、線、區(qū)等矢量工具，顯示區(qū)內(nèi)圖層管理。這四部分組成一個有機整體，圍繞大數(shù)據(jù)空間分析核心功能，通過數(shù)據(jù)選擇、代碼編寫存儲與共享、結(jié)果顯示與圖形疊加等圖像處理與分析，實現(xiàn)基于GEE的遙感數(shù)據(jù)云處理。

2.2 海量免費數(shù)據(jù)集

GEE上現(xiàn)有數(shù)據(jù)量超過8 PB，包含超過 200 個公共數(shù)據(jù)集，超過500萬張影像，且每天新影像增超過4 000張，GEE注冊用戶可以免費使用這些數(shù)據(jù)。GEE數(shù)據(jù)集包括多源光學衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、航空數(shù)據(jù)以及雷達遙感數(shù)據(jù)，還包括環(huán)境、氣象氣候、陸地覆蓋類型、地形、社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)集等，該數(shù)據(jù)集都經(jīng)過了地理配準等處理，便于分析和應用，用戶也可以通過接口上傳私有數(shù)據(jù)，實現(xiàn)私有數(shù)據(jù)共享與分析，GEE可以免費使用的部分數(shù)據(jù)集見表1[17]。

表1 GEE主要共享數(shù)據(jù)集

2.3 豐富的功能函數(shù)

GEE提供的函數(shù)庫中含有800多個API函數(shù)，通過不同函數(shù)的組合方式向服務器請求地理空間數(shù)據(jù)云計算服務，函數(shù)包括從簡單的數(shù)學運算到功能強大的地理空間分析、機器學習、圖像處理。通過對圖像對象代數(shù)表達，圖像間的運算操作變得簡易化，同時提供了高階函數(shù)如map()和iterate()，可以實現(xiàn)對篩選的數(shù)據(jù)集進行統(tǒng)一處理，提供了reduce()統(tǒng)計函數(shù)，用來計算區(qū)域、時間、光譜和紋理等的統(tǒng)計參數(shù)，表2概要總結(jié)了GEE客戶端操作函數(shù)。

表2 GEE部分功能函數(shù)簡略表

用戶可以用Python或者JavaScript語言來編寫GEE程序，客戶端庫為用戶提供了面向遙感圖像、圖像集、數(shù)值、字符串、矢量、列表、字典等代理對象，編寫代碼來處理這些代理對象，利用代碼和程序組合表達完整的處理流程，之后這些請求組合被發(fā)送至GEE服務器進行處理。

GEE算法調(diào)用包括4種方法：①調(diào)用依附于對象上的方法；②調(diào)用算法類中的算法；③調(diào)用代碼編輯器特殊函數(shù)；④調(diào)用自己編寫的算法函數(shù)。

2.4 GEE與桌面平臺對比

與傳統(tǒng)基于桌面平臺遙感實驗教學相比，基于GEE云平臺的教學，無論是其在處理對象、計算力、功能和操作方式，還是在教學理念、教學模式和成績考核等方面，都有這很大的不同（見表3）。

表3 遙感實驗教學GEE云平臺與桌面平臺差異性對比

3 遙感類實驗教學內(nèi)容設(shè)計與實踐

3.1 實驗教學內(nèi)容改革設(shè)計

以GEE為遙感實踐教學基礎(chǔ)平臺，針對傳統(tǒng)桌面平臺的不足，兼顧遙感實踐教學內(nèi)容層次性和前瞻 性[3,22-23]，改遙感數(shù)據(jù)下載為多源數(shù)據(jù)特點分析；改遙感桌面平臺功能介紹為GEE云平臺程序設(shè)計與實現(xiàn)，改單景影像處理為多景長時間序列綜合處理，以解決遙感信息提取科學問題為主線，共設(shè)置32課時實踐教學內(nèi)容（見表4）。

表4 GEE云平臺支持下的遙感實踐教學主要內(nèi)容及目標要求

3.2 NDVI長時間序列分析教學案例

以中國西北部地區(qū)四省（新疆、青海、甘肅、寧夏和內(nèi)蒙）為實驗區(qū)，利用NOAA和MODIS長時間序列（1982－2020）衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，使用NOAA數(shù)據(jù)768景，使用MODIS數(shù)據(jù)457景，通過分析NDVI變化趨勢反映大區(qū)域尺度地表覆蓋變化，尤其是植被長勢變化[24]，對1 257景NOAA/MODIS數(shù)據(jù)進行像元尺度上的去云處理，并對每一個年度的數(shù)據(jù)取均值，代表39年的年度NDVI數(shù)據(jù)，選擇部分年度圖 （見圖2），利用森估計[25]，得到了39年NDVI變化趨勢圖（見圖3）。

圖2表明（選擇1989，1999，2009和2019四個年度），在中國西北地區(qū)，NDVI時空變化規(guī)律明顯，總體上看，NDVI值較小，表明植被覆蓋程度較低。圖3森估計表明，該地區(qū)NDVI有增加的趨勢，在內(nèi)蒙古東北地區(qū)增建趨勢明顯，該地的植被覆蓋率較好，表明三北防護林成效顯著，但靠近蒙古邊界區(qū)域， NDVI呈減少趨勢，受到來自蒙古國沙漠化增大趨勢的影響。

圖2 中國西北部地區(qū)NDVI時空分布

圖3 中國西北部地區(qū)NDVI時序變化森估計

3.3 教學方法與效果分析

采用啟發(fā)式教學，注重因材施教。表4中的10個 模塊教學內(nèi)容，采用“課前問卷-內(nèi)容設(shè)計-問題啟發(fā)-編程實驗-對比分析”的五步啟發(fā)式教學模式，充分了解學生總體水平，以項目驅(qū)動為內(nèi)容設(shè)計基礎(chǔ)，明確各個模塊層次要求和知識鏈接性，既講述了JavaScript面向?qū)ο竽_本語言的基本語法規(guī)則和基本方法，又注重GEE面向圖像和矢量的處理特點，以大數(shù)據(jù)、常時間序列分析為出發(fā)點和落腳點，通過與桌面平臺的對比分析，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思想和創(chuàng)新能力。中國地地區(qū)NDVI時序變化分析教學案例表明，80%以上的同學能較好完任務，共享代碼連接為https://code.earthengine.google.com/7566ac31986f6d099a457e3f 515b92cd。

課程前和課程結(jié)束能網(wǎng)上問卷調(diào)查及實際教學效果分析表明，學生此前學習了VB、C++等編程，具有一定的編程基礎(chǔ)，較快掌握了GEE平臺基礎(chǔ)，增加了GEE平臺與遙感圖像處理桌面平臺實驗項目的對比分析，并能順利完成教學設(shè)計內(nèi)容，使得學生對GEE強大的處理能力、功能豐富的API函數(shù)、海量免費數(shù)據(jù)集及便捷地編程方式有了更加深刻的理解，激發(fā)了學生的學習興趣，學生能在完成既定原有教學內(nèi)容的前提下，有近三分之一學生可自行設(shè)計一些感興趣的題目，進行項目練習，有的學生提出了GEE支持下的青藏高原水資源時空變化趨勢分析、GEE平臺下的太湖水質(zhì)時空變化分析、GEE平臺下的山東省地表水時空變化趨勢等具有一定創(chuàng)新題目，學生的學習興趣得到了激發(fā)，自主學習和創(chuàng)新能力得以提高。

4 結(jié) 語

GEE以其強大的并行計算力、海量地理空間數(shù)據(jù)、豐富的圖像處理函數(shù)及交互式算法設(shè)計接口，為遙感技術(shù)的發(fā)展帶來了新契機， GEE的突出優(yōu)點是為普通用戶屏蔽了并行處理細節(jié)，可免費使用Google強大的計算力[25]。GEE云平臺用于遙感實驗教學，擺脫了傳統(tǒng)遙感桌面端軟件對計算機系統(tǒng)及硬件資源的依賴，降低了計算機軟硬件購置成本，解決了軟硬件維護難等問題，并行處理破解了海量數(shù)據(jù)處理效率低下的難題，非本地分析海量數(shù)據(jù)方法解決了遙感數(shù)據(jù)下載和管理難題，實時共享算法極大提高了學習效率，改進了學習效果，學生的應用開發(fā)能力和創(chuàng)新能力得到進一步提升。

將GEE用于遙感實踐教學，是對以往教學模式的一次全面改革，涉及到教學理念、教學目標、教學內(nèi)容、教學方法、考核標準、教材及師資等方面，遙感實驗教學全過程都需要進一步優(yōu)化和改革[26-27]。目前，魯東大學以人才培養(yǎng)方案修訂為契機，將《遙感大數(shù)據(jù)處理》課程納入到新的人才培養(yǎng)方案中，補充了遙感大數(shù)據(jù)處理新理論、新方法和新技術(shù)等內(nèi)容，為學生提供符合時代需求的課程體系和教學內(nèi)容。

基于GEE的感實驗教學改革，也需要面對一些新的問題。一是在教學內(nèi)容設(shè)計上，GEE不再關(guān)注遙感數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)性處理，如幾何校正、配準以及大氣輻射校正處理等，而這些內(nèi)容在遙感實驗教學中又必不可少，因此要處理好桌面平臺和GEE云平臺在內(nèi)容設(shè)計上的內(nèi)容銜接； 二是教學經(jīng)驗和資料上存在明顯不足，盡管GEE提供了技術(shù)向?qū)臋n、在線社區(qū)和開發(fā)問題論壇等便利條件，為學習者提供交流與解決問題的途徑，提供了較為詳細網(wǎng)站學習資料和程序案例，但是目前還存在不少問題，比如，教學資料相對不足，缺乏GEE方面參考書或者教材，要加強GEE參考書和相關(guān)教材的編寫，為實踐教學提供更多地參考資料。教師需要加強自身學習，提高GEE教學技能，尤其是要改革傳統(tǒng)依賴于桌面平臺教學方法，進一步提高JavaScript/Python語言等編程軟件技能，掌握GEE編程規(guī)則，將GEE強大的能力融入到遙感實驗教學中。同時，需要為學生提供一些其他的遙感影像大數(shù)據(jù)分析平臺，以拓展學生的視野，激發(fā)學生對遙感圖像處理新理論、新技術(shù)、新方法和新平臺的學習興趣[28]，培養(yǎng)學生遙感技術(shù)支撐下的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力。