陳實(shí)　黃銀蘭

關(guān)鍵詞：QGIS；半自動(dòng)分類；遙感；教學(xué)探索

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2023）10-0124-03

2022年9月13日，國務(wù)院學(xué)位委員會(huì)和教育部聯(lián)合印發(fā)《研究生教育學(xué)科專業(yè)目錄（2022年）》，“遙感科學(xué)與技術(shù)”成為新的一級(jí)學(xué)科，隸屬交叉學(xué)科門類，可授予理學(xué)、工學(xué)學(xué)位[1]。遙感具有快速、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)、大范圍、可周期性地獲取地面信息，結(jié)合地理信息系統(tǒng)和北斗定位等其他現(xiàn)代高新技術(shù)，既能服務(wù)于社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，又能服務(wù)于百姓生活，已成為不可或缺的手段[2]。隨著新農(nóng)科和新工科的建設(shè)實(shí)施和中國高等教育的普及，全國有58所高校開設(shè)遙感科學(xué)與技術(shù)，越來越多的交叉或相近專業(yè)開設(shè)了遙感課程[3]。但該類課程要求理論與實(shí)踐實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合。實(shí)踐實(shí)驗(yàn)依托ENVI、ERDAS、eCongnition等遙感圖像處理軟件來實(shí)現(xiàn)，且需商業(yè)付費(fèi)[4]。而QGIS一款開源、免費(fèi)、輕巧、跨平臺(tái)、支持多種數(shù)據(jù)格式與插件庫的軟件，得到眾多教育者和研究者的青睞[5]。當(dāng)前實(shí)施的“理論講授+實(shí)驗(yàn)操作”的教學(xué)模式[6]，存在知識(shí)點(diǎn)零散、學(xué)生理解深度不夠等缺點(diǎn)，忽略了學(xué)生實(shí)踐能力的參與度，限制了學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情和動(dòng)力[7]。本文以“遙感概論”實(shí)驗(yàn)課程為對(duì)象，充分利用QGIS軟件的遙感應(yīng)用功能，以“基于Sentinel-2影像的升金湖國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)土地利用隨機(jī)森林分類”項(xiàng)目為依托，從“提供情境，確定項(xiàng)目任務(wù)”“項(xiàng)目任務(wù)細(xì)化和分組協(xié)作”“基于SCP的隨機(jī)森林分類”等方面開展教學(xué)探索。

1 遙感實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題

遙感實(shí)驗(yàn)教學(xué)是普通高校本?？茖I(yè)的核心課程或主干課程的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)，讓學(xué)生掌握遙感技術(shù)與應(yīng)用方法是人才培養(yǎng)的重要目標(biāo)。當(dāng)前，大多高校仍采用ENVI開展遙感實(shí)驗(yàn)教學(xué)，教師將教學(xué)內(nèi)容與軟件功能進(jìn)行結(jié)合，通過遙感影像的讀取、輻射定標(biāo)、圖像配準(zhǔn)、圖像類、制圖等功能，將遙感基礎(chǔ)理論與操作技術(shù)緊密融合。然而，在此教學(xué)中面臨幾個(gè)方面的問題：1）軟件更新和維護(hù)問題。在遙感實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，較為常用的是ENVI軟件，它是由遙感領(lǐng)域的科學(xué)家采用交互式數(shù)據(jù)語言IDL（Interactive Data Language）開發(fā)的一套功能強(qiáng)大的遙感圖像處理軟件，擁有40多年的歷史。隨著軟件的升級(jí)更新，ENVI軟件的安裝運(yùn)行對(duì)計(jì)算機(jī)硬件性能的要求也隨之提高，對(duì)于一些經(jīng)費(fèi)投入不多的地方高校而言，遙感實(shí)驗(yàn)的軟件和硬件不能很好地滿足實(shí)際教學(xué)要求，一些最新的技術(shù)和應(yīng)用也無法在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中實(shí)施。

2）數(shù)據(jù)下載和使用混亂。遙感實(shí)驗(yàn)教學(xué)的影像數(shù)據(jù)一般需登錄專門的網(wǎng)站下載，在網(wǎng)頁輸入教師指定的參數(shù)，下載相應(yīng)的遙感影像，保存到硬盤或其他存儲(chǔ)介質(zhì)中，然后導(dǎo)入ENVI軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，在ENVI完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)后，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果加載到ArcGIS中進(jìn)行布局出圖，在各界面切換操作完成遙感實(shí)驗(yàn)任務(wù)容易讓學(xué)生產(chǎn)生混亂。

3）教學(xué)模式單一，缺乏師生互動(dòng)。當(dāng)前，教師在遙感實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采取PPT多媒體化講解，學(xué)生模仿教師演示操作，學(xué)生跟著做完實(shí)驗(yàn)但并未理解融合的基礎(chǔ)知識(shí)，同時(shí)無法真正掌握操作技術(shù)。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程里，學(xué)生的參與度不足，師生在實(shí)踐中缺少必要的溝通。不利于培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考和提高解決遙感應(yīng)用問題的能力。

2 基于QGIS 開展遙感實(shí)驗(yàn)教學(xué)的適用性分析

QGIS作為一款開源的桌面地理信息系統(tǒng)軟件，因其具備易用、穩(wěn)定和可擴(kuò)展等特性，受到越來越多的技術(shù)人員和學(xué)者的好評(píng)與支持。軟件插件的迅速研發(fā)和迭代是QGIS軟件成功的關(guān)鍵，尤其是半自動(dòng)分類插件（Semi-Automatic Classification Plugin， SCP）為影像的預(yù)處理、后處理、監(jiān)督圖像分類提供最實(shí)用的解決方案，便于一體化實(shí)現(xiàn)遙感影像處理的全流程工作，可以代替其他桌面軟件對(duì)遙感影像的本地處理，包括但不限于常見遙感數(shù)據(jù)（Landsat、Sentinel和MODIS等）的下載、預(yù)處理、分類、精度評(píng)價(jià)與分區(qū)統(tǒng)計(jì)等。

2.1遙感數(shù)據(jù)的下載

在遙感實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，經(jīng)常會(huì)用到免費(fèi)的Landsat、哨兵（Sentinel）1/2/3等數(shù)據(jù)，Landsat系列數(shù)據(jù)的下載首選國內(nèi)地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn/），除了Landsat系列數(shù)據(jù)外，還有哨兵1/2，以及MODIS部分產(chǎn)品數(shù)據(jù)，但是該平臺(tái)的數(shù)據(jù)更新滯后或者有些數(shù)據(jù)可能不全。一般會(huì)從美國地質(zhì)勘探局（UnitedStates Geological Survey）下屬的USGS Earth Explore網(wǎng)站（https：//earthexplorer.usgs.gov/）下載Landsat，從在歐空局哥白尼數(shù)據(jù)中心（https：//scihub.copernicus.eu/dhus/#/home）下載Sentinel系列數(shù)據(jù)。而在QGIS平臺(tái)可通過SCP，在登錄接口輸入用戶名和密碼鏈接到網(wǎng)站，設(shè)置好下載參數(shù)，直接獲取所需研究數(shù)據(jù)。

2.2影像數(shù)據(jù)的預(yù)處理

無論是從國內(nèi)或者國外網(wǎng)站下載的遙感數(shù)據(jù)，都要通過專業(yè)軟件進(jìn)行預(yù)處理。Landsat數(shù)據(jù)一般利用ENVI（The Environment for Visualizing Images）遙感圖像處理平臺(tái)來做輻射校正和大氣校正處理，并可進(jìn)行影像拼接、裁剪等處理。下載好的Sentinel-2數(shù)據(jù)產(chǎn)品級(jí)別為L(zhǎng)evel-1C數(shù)據(jù)（經(jīng)過正射校正和幾何精校正的大氣表觀反射率產(chǎn)品），首先在Sen2Cor插件上經(jīng)過輻射定標(biāo)和大氣校正處理，生成Level-2A數(shù)據(jù)（經(jīng)過大氣校正的大氣底層反射率數(shù)據(jù)）。然后，通過SNAP 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，最后運(yùn)用ENVI軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)重采樣，并轉(zhuǎn)換為tif格式。在SCP中，針對(duì)Landsat 系列和Sentinel系列數(shù)據(jù)有專門的預(yù)處理工具，設(shè)置好路徑參數(shù)，一鍵式預(yù)處理好數(shù)據(jù)。

2.3土地利用分類

QGIS的SCP與其他桌面遙感軟件類似，提供了最小距離分類、最大似然分類、光譜角填圖和隨機(jī)森林等監(jiān)督分類算法。同時(shí)，在QGIS中還加入了光譜距離分析，方便用戶選取、刪除、優(yōu)化樣本。本次教學(xué)根據(jù)項(xiàng)目需要、確定分類樣本類型、運(yùn)用隨機(jī)森林方法進(jìn)行分類。最后，采用精度評(píng)估模塊，對(duì)隨機(jī)森林分類結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證。

3 基于QGIS 的土地資源遙感監(jiān)測(cè)教學(xué)案例設(shè)計(jì)

3.1 提供情境，確定項(xiàng)目任務(wù)

升金湖是安徽省境內(nèi)唯一以珍稀越冬水鳥為主要保護(hù)對(duì)象的國家濕地自然保護(hù)區(qū)。為了推進(jìn)升金湖濕地保護(hù)和生態(tài)修復(fù)，2016年10月，池州市東至縣出臺(tái)《升金湖濕地生態(tài)效益補(bǔ)償工作實(shí)施意見》，正式實(shí)行“退耕還濕”[8]，近年來池州市投入大量資金大力推進(jìn)退耕還濕工程的實(shí)施，使得升金湖濕地的土地利用景觀格局發(fā)生了改變。在此背景下，基于高時(shí)空分辨率的Sentinel-2遙感數(shù)據(jù)，運(yùn)用隨機(jī)森林算法將土地利用類型分為建筑用地、耕地、林地、草地、灘涂、湖泊、河流、池塘8類，形成的土地利用分類能夠?yàn)樯鸷竦馗咚奖Ｗo(hù)和高質(zhì)量發(fā)展研究提供研究數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.2 項(xiàng)目任務(wù)細(xì)化和分組協(xié)作

基于本次項(xiàng)目任務(wù)“基于Sentinel-2影像的升金湖國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)土地利用隨機(jī)森林分類”，可將項(xiàng)目細(xì)化為“安裝QGIS軟件和SCP插件”“獲取項(xiàng)目數(shù)據(jù)和熟悉分類方法”和“開展基于SCP的隨機(jī)森林分類”三個(gè)方面的任務(wù)。項(xiàng)目開展前，將班級(jí)學(xué)生分為若干組，每組4-5人，學(xué)生根據(jù)在軟件實(shí)操、撰寫報(bào)告、PPT匯報(bào)、協(xié)調(diào)組織等方面的特長(zhǎng)進(jìn)行分工協(xié)作，確保每位同學(xué)充分參與，并發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)。

1）安裝QGIS軟件和SCP插件

QGIS 軟件直接從官網(wǎng)（https：//www.qgis.org/en/site/）下載最新版本（目前為QGIS3.28）安裝，而SCP插件則在QGIS工具欄中的“插件”，點(diǎn)擊“管理并安裝插件”，在此輸入SCP即可找到插件，并一鍵式安裝。

2）獲取項(xiàng)目數(shù)據(jù)和熟悉分類方法

本次研究需要下載升金湖Sentinel-2影像數(shù)據(jù)，每年10月至次年3月大批候鳥來此越冬，12月是候鳥遷徙高峰，本次教學(xué)選擇下載2022年12月份的Senti?nel-2影像，該數(shù)據(jù)空間分辨率高、重返周期短，可直接下載L2A產(chǎn)品，免去用戶進(jìn)行大氣校正處理流程。隨機(jī)森林分類是土地利用常用且分類精度較高的方法之一，隨機(jī)森林算法基本思路是在創(chuàng)建的訓(xùn)練樣本上構(gòu)建決策樹，然后從每個(gè)土地利用類型樣本中得到預(yù)測(cè)值，最后通過預(yù)測(cè)值來投票選擇最佳的解決方案。該方法具有抗噪聲能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定、高準(zhǔn)確度等優(yōu)勢(shì)。

3）開展基于SCP的隨機(jī)森林分類

項(xiàng)目將從影像下載、影像裁剪、波段鑲嵌、樣本采集、光譜距離分析、隨機(jī)森林分類、精度評(píng)價(jià)分析等7 方面內(nèi)容開展（圖1），教師逐步引導(dǎo)學(xué)生理解并完成操作任務(wù)。教學(xué)過程可分為數(shù)據(jù)下載與預(yù)處理、樣本采集與分析和隨機(jī)森林分類及評(píng)價(jià)三個(gè)部分。

3.3 基于SCP 的隨機(jī)森林分類

3.3.1 數(shù)據(jù)下載與預(yù)處理

1）Sentinel-2數(shù)據(jù)下載

在SCP下載產(chǎn)品界面，點(diǎn)擊【Login data】→【LoginSentinels】，輸入網(wǎng)站注冊(cè)的賬號(hào)密碼；點(diǎn)擊【Search】→【Login Sentinels】，在搜索參數(shù)中設(shè)置好“升金湖國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)”的下載范圍以及最大云覆蓋（10%），選擇Sentinel-2 產(chǎn)品后，確定下載日期范圍（2022年12月1日至12月31日），進(jìn)行數(shù)據(jù)查找；在【Download options】界面選擇參加分類的B2—B8A、B11和B12波段（表1）。最后，選擇2022年12月22日的覆蓋研究區(qū)的兩景Sentinel L2A影像（大氣校正后產(chǎn)品），點(diǎn)擊【RUN】進(jìn)行下載（圖2）。

2）影像預(yù)處理

在【Band set】界面，將L2A_T50RNU 和L2A_T50RMU 分別設(shè)置為波段集set1 和set2，點(diǎn)擊【Preprocessing】下的【Clip band set】，依次選擇set1和set2進(jìn)行影像裁剪；點(diǎn)擊【Preprocessing】下的【Mosaicband sets】，選擇set1和set2進(jìn)行影像鑲嵌，得到研究區(qū)Sentinel L2A反射率影像。

3.3.2 樣本采集與分析

進(jìn)入SCP【Training input】界面，根據(jù)項(xiàng)目所需分類的8個(gè)土地利用類型，在Sentinel影像上分別切換真彩色（B4， B3， B2）、標(biāo)準(zhǔn)假彩色（B7， B3， B2）、短波紅外線（B12， B8A， B4）等波段組合方式，依次按照建筑用地、耕地、林地、草地、灘涂、湖泊、河流、池塘8個(gè)類型選擇樣本。在此過程，由學(xué)生根據(jù)自身理解，進(jìn)行小組交流，各自操作完成采集訓(xùn)練樣本。地物分類樣本采集任務(wù)完成后，可將通過【Spectral Signature Plot】光譜距離分析工具，依據(jù)光譜曲線變化以及樣本間距離，通過增加（刪除）樣本，以滿足光譜距離評(píng)估要求，最終確定分類樣本。

3.3.3 隨機(jī)森林分類及評(píng)價(jià)

點(diǎn)擊【Band processing】下的【Random forest】，設(shè)置波段輸入集、分類代碼、調(diào)整訓(xùn)練樣本數(shù)量、設(shè)置合適的決策樹數(shù)量。同時(shí)，勾選【Evaluate classifier】評(píng)估隨機(jī)森林的分類性能（不是整個(gè)分類的準(zhǔn)確性），讀取參與分類波段特征重要性得分，得到單個(gè)波段的重要程度。利用【Postprocessing】下的【Accuracy】模塊來評(píng)價(jià)項(xiàng)目分類的精度，將本項(xiàng)目解譯好的結(jié)果與教師提供的分類結(jié)果進(jìn)行比較，從總體精度、制圖精度、生產(chǎn)者精度以及kappa 系數(shù)定量評(píng)價(jià)，達(dá)到滿意精度后在QGIS中出圖導(dǎo)出。

3.3.4 成果匯報(bào)與評(píng)價(jià)

各小組有序完成項(xiàng)目分工任務(wù)，以PPT形式從問題與解決、成果展示、自我評(píng)價(jià)三個(gè)方面匯報(bào)交流。同時(shí)項(xiàng)目小組還需提交項(xiàng)目實(shí)踐報(bào)告，加深對(duì)理論、操作和項(xiàng)目的理解，來提高專業(yè)技術(shù)能力。在成果評(píng)價(jià)中，教師及其他點(diǎn)評(píng)代表學(xué)生按匯報(bào)思路、操作能力、成果質(zhì)量進(jìn)行打分，教師適當(dāng)對(duì)學(xué)生進(jìn)行鼓勵(lì)，擴(kuò)展項(xiàng)目和遙感知識(shí)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力及主觀能動(dòng)性。

4 結(jié)論

遙感在服務(wù)國家經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)和重大戰(zhàn)略中發(fā)揮了重大作用，社會(huì)對(duì)應(yīng)用型的遙感人才需求迫切[9]。為了有效提升遙感實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，本文可以借助QGIS軟件在遙感應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，細(xì)化項(xiàng)目任務(wù)分工，逐步引導(dǎo)學(xué)生開展項(xiàng)目研究，提升學(xué)生實(shí)操能力。學(xué)生不僅能夠無縫與遙感基礎(chǔ)理論知識(shí)銜接，而且還在實(shí)驗(yàn)操作中深刻體會(huì)遙感技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。同時(shí)，通過項(xiàng)目成果展示和交流評(píng)價(jià)，可進(jìn)一步提升學(xué)生在發(fā)現(xiàn)、分析、解決、總結(jié)問題上的能力。

基于QGIS的遙感實(shí)驗(yàn)教學(xué)可直觀清晰地為學(xué)生系統(tǒng)講解遙感基礎(chǔ)知識(shí)，能夠較好地鍛煉在遙感數(shù)據(jù)獲取、處理和分析等方面的操作能力，幫助學(xué)生充分了解和掌握遙感在科學(xué)研究中的實(shí)際應(yīng)用，以適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求，進(jìn)一步增強(qiáng)人才培養(yǎng)與我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的契合度。