PIE軟件在遙感綜合應用實驗教學中的實踐

趙恒謙 李軍 陳偉 蔣金豹 張成業

摘???要：在遙感綜合應用教學過程中，需要實現由基礎知識向實踐應用的過渡，將基礎知識應用于解決實際問題當中。該文使用國產遙感數據處理軟件——PIE軟件，以礦區生態環境綜合評價為例，較為系統地分析了當今PIE軟件在遙感綜合應用教學中的優勢，以及實際應用方法與軟件操作流程。引導學生進行PIE軟件的自我學習，激發學生的自主學習潛力，使遙感綜合應用實踐教學達到回歸基礎、提升能力的效果。

關鍵詞：PIE軟件????遙感綜合應用????生態環境評價????教學改革

中圖分類號：G642?????????????文獻標識碼：A

Practice?of?PIE?Software?in?the?Teaching?of?Comprehensive?Application?and?Practice?of?Remote?Sensing

—Taking?the?Comprehensive?Evaluation?of?the?Ecological?Environment?in?Mining?Areas?as?an?Example

ZHAO?Hengqian???LI?Jun???CHEN?Wei???JIANG?Jinbao???ZHANG?Chengye

（College?of?Geoscience?and?Surveying?Engineering，?China?University?of?Mining?&?Technology?（Beijing），?Beijing，?100083?China）

Abstract：?In?the?teaching?of?Comprehensive?Application?of?Remote?Sensing，?it?is?necessary?to?realize?the?transition?from?basic?knowledge?to?practical?application，?and?apply?basic?knowledge?to?solve?practical?problems.?Using?PIE?software，?a?domestic?remote?sensing?data?processing?software，?taking?the?comprehensive?evaluation?of?the?ecological?environment?in?mining?areas?as?an?example，?this?paper?analyzes?the?advantages，?practical?application?methods?and?software?operation?process?of?current?PIE?software?in?the?teaching?of?Comprehensive?Application?of?Remote?Sensing?in?a?more?systematical?manner，?and?guides?students?to?self-learn?PIE?software?to?stimulate?their?self-learning?potential，?so?that?the?teaching?of?Comprehensive?Application?and?Practice?of?Remote?Sensing?can?achieve?the?effect?of?returning?to?the?basis?and?improving?ability.

Key?Words：?PIE?software;?Comprehensive?application?of?remote?sensing;?Ecological?environment?assessment;?Teaching?reform

遙感綜合應用是遙感相關專業的本科生或研究生在專業課上機中的一項重要內容[1]。遙感具有專業知識更新快、理論方法多與研究領域廣等特點[2]。通過使用遙感中的分類、解混、波段運算等方法，結合遙感綜合實驗，對解決生態系統環境問題等系列問題具有實踐指導意義[3-4]。遙感綜合應用通過設計軟件實操和編程實踐等內容，讓學生們鞏固遙感圖像處理的基本原理，加深對圖像處理過程中的重要算法的理解，提升對遙感圖像進行多方面綜合分析的能力，提高其對遙感應用方向的興趣及主觀能動性，為培養高素質遙感專業人才奠定基礎[5-7]。

當前，在遙感綜合應用實驗教學中，仍然過度依賴國外遙感軟件（例如ENVI、ArcGIS等），而對國產遙感軟件的使用相對不足，這將嚴重制約國產遙感應用業務化生態圈的建立與可持續發展[8]。近年來，國產遙感軟件發展迅速，以航天宏圖的PIE系列遙感軟件為例，其包含的一系列遙感數據處理軟件，以及PIE的云開發平臺所擁有的大量的國產遙感數據集，可以基本覆蓋日常辦公及學習的需要。在軟件國產化發展的趨勢下，改革應用實踐，引入國產數據和軟件，提高學生使用國產數據和軟件的能力，從而形成新的教學體系和教學案例，是非常重要和迫切的。因此，該文以礦區生態環境綜合評價應用為例，充分運用國產PIE系列軟件，將遙感科技前沿引入遙感高階專業課實驗教學實踐中。

1?實踐教學現狀與問題

（1）教學理念和內容重理論輕實踐，缺乏優秀的實踐教學案例。在傳統的教學過程中，人們更加注重教師教授了多少理論，而常常忽視了學生能掌握多少、吸收多少、運用多少。重理論輕實踐，導致學生會答題應試，但是對遙感圖像的處理及分析過程一知半解。因此，在教學改革中，需要結合實際應用來設計實踐教學案例，在培養學生時，更應該重點培養學生的實踐能力、數據處理能力、綜合分析問題能力。

（2）在實踐教學中，涉及國產遙感軟件數據處理的內容非常少，對國外遙感軟件和數據過度依賴。目前，在遙感專業課的應用實踐中，大多使用ENVI軟件對圖像進行處理，用來分析的數據源也大多是國外的影像數據，例如MODIS影像、Landsat影像和Sentinel影像等。

（3）教學模式單一，學生缺乏自主學習與研究精神。目前，課堂教學大多數都是老師講，學生聽的狀態，基本上都是滿堂灌的授課形式，學生缺乏自己發現問題并解決問題的精神，不善于自主學習與研究，從而導致學生缺乏學習興趣。因此，推進遙感綜合應用教學改革，利用好現有的優秀學習資源，讓學生主動學習并掌握國產遙感軟件和數據的應用，顯得非常重要和緊迫。

2??PIE系列軟件的應用現狀及優勢

2.1???PIE系列軟件的應用現狀

航天宏圖信息技術股份有限公司（以下簡稱航天宏圖）自主研發的PIE（Pixel?Information?Expert）系列軟件，是一款高度自動化、簡單易用的遙感工程化應用軟件。PIE遙感產品體系包括PIE-Ortho衛星影像測繪處理軟件、PIE-Hyp高光譜影像數據處理軟件、PIE-SAR雷達影像數據處理軟件、PIE-UAV無人機影像數據處理軟件、PIE-SIAS尺度集影像分析軟件、PIE-AI?遙感圖像智能處理軟件和PIE-Map地理信息系統軟件以及云開發平臺PIE-Engine軟件功能設置。PIE系列軟件提供了遙感數據處理、分析應用、云計算及二次開發的完整體系，基本功能已經與國外軟件相當，部分處理國產衛星數據的能力已經優于國外軟件。

此外，航天宏圖公司為方便初學者進行學習，在其官網上還提供各個軟件的培訓視頻，同時與眾多專家合作創辦了智慧地球大講堂，為線上學習提供了寶貴的學習資源。其每年舉辦的PIE二次開發大賽也吸引了眾多高校學生的參與。這一活動不僅激發了在校師生和廣大青年科技工作者的創新創業熱情，而且還促進了遙感技術在各行業領域的深化拓展和廣泛應用。其很多成果已應用到各個領域，如運用無人機參與抗洪救災、震后救災等，連續采集災害數據，為應急部門決策提供技術支持和保障等。

2.2???PIE系列軟件的優勢

與國內外其他遙感軟件相比，PIE系列軟件主要有以下幾方面優勢。

2.2.1??性價比優勢

目前，ENVI、ArcGIS等國外軟件的正版價格高昂，多數學生用的都是經過破解之后的版本。而PIE?的價格較低，如果只是短期使用，僅需簡單地申請試用就能獲得正版軟件的使用權限，具有性價比優勢。

2.2.2??國家政策支持

遙感數據資源是國家重要的戰略資源，涉及國家安全問題。此前，國外的一些航天強國都曾對地理信息空間產業建立相關法律法規，以便為遙感影像數據提供相應政策保護。近年來，我國也進一步加強了信息安全監管的相關政策，鼓勵行業應用以自主數據源和自主平臺軟件替代國外同類產品。正因如此，PIE系列國產軟件的發展才有了國家政策的大力支持。

2.2.3??國產數據優勢

隨著我國遙感衛星的迅速發展，國產遙感衛星正在逐步實現對國外遙感衛星的替代。我國資源衛星、高分衛星、風云衛星等大量國產系列衛星發射成功并投入使用，商業高分辨率遙感衛星的隊伍也逐步壯大，在此背景下，航天宏圖公司憑借著對國產衛星平臺和載荷特點的深入研究，其PIE軟件在國產衛星處理的精度和效率方面較國外ENVI、PCI等產品相比，具有較強的技術優勢。

3???基于PIE系列軟件的實踐案例設計

3.1???實驗區及影像數據概況

此實踐要求的研究區為安徽省淮南市的淮南礦區?；茨系V區位于東經116°21′21″～117°11′59″，北緯32°32′45″～33°0′24″之間的安徽省中北部的淮河沿岸，海拔16.5～240?m。礦區橫跨淮河兩岸，東西長約70?km，南北傾斜寬約25?km，總面積約1591?km2?；茨系V區得天獨厚的地理條件使其蘊藏了豐富的煤炭?；茨系V區的礦產資源儲備量大、質量上乘且熱值較高，-1?500?m以上已探明的保有儲量達為500億t。然而，隨著淮南礦區開采力度加大以及城市的快速發展，礦區開采導致了地下水的滲漏、地下水位不斷下降等問題，造成了淮南市水資源短缺[9]。另外，由于煤炭在開采過程中的粗放式加工利用模式，導致地表塌陷、土壤破壞、地表植被損傷、大量農田塌陷成沼澤地、居民房屋受到不同程度的損壞甚至沿途的公路和鐵路也受到影響，淮南礦區的生態環境遭受到不同程度的毀壞[10]?？梢?，淮南礦區可以作為典型礦區代表，對其進行生態環境綜合評價。

實踐過程中，給學生提供了2018年10月淮南礦區的“珠海一號”歐比特高光譜數據，其空間分辨率為10?m，成像范圍150?km×2?500?km，光譜波段數32個，光譜分辨率2.5?nm，波長范圍400～1?000?nm?！爸楹Ｒ惶枴币还灿?顆高光譜衛星，5?d左右即可實現對全球范圍覆蓋掃描一遍，對于特定地區可以實現每天多遍重訪掃描。利用“珠海一號”高光譜衛星，可以充分發揮其高光譜分辨率的優勢，能夠采集到更豐富的地物光譜信息，有利于遙感信息的定量分析和更精細化的地物識別。近年來，“珠海一號”高光譜衛星數據在資源監測、環境檢測、城市發展、生態保護等領域都具有非常廣泛的應用?！爸楹Ｒ惶枴备吖庾V數據波段覆蓋范圍為可見光/近紅外波段，并未包含1?000?nm以外的中紅外波段，但是在數據分析中，計算濕度指數、干度指數和熱度需要短波紅外和熱紅外作為輸入波段，所以， 此實踐中還需要使用同一時相的Landsat?8-OLI數據作為波段補充數據，進行波段融合。

3.2???數據預處理

利用PIE-Hyp高光譜影像數據處理軟件對“珠海一號”影像和Landsat?8-OLI影像進行拼接處理、輻射校正和大氣校正，并推薦將影像坐標和投影坐標統一選擇為WGS84坐標系統和橫軸墨卡托投影（UTM），并利用研究區基礎數據裁剪預處理后的影像。PIE-Hyp是一款面向GF-5、珠海一號、Hyperion等國內外主流高光譜影像全流程處理系統。軟件具有影像質量評價及修復、圖譜分析、輻射校正、幾何校正、目標探測、地物分類、參量反演分析等專業處理功能。因此，對于“珠海一號”影像，PIE-Hyp軟件中有其OHS傳感器的參數，無須設置過多參數，即可直接使用軟件中的輻射定標以及大氣校正功能進行校正，如圖1、圖2所示。

3.3???波段合成和RESI指數計算

為了計算RESI指數，需要將Landsat?8的中紅外和熱紅外波段融合至“珠海一號”高光譜數據（如圖3所示），完善高光譜數據波段，最后獲得淮南礦區研究范圍的最終影像（如圖4所示）。

在RSEI指數計算和分析環節，不對其具體使用的公式做要求。學生們可以通過自行閱讀相關文獻，查閱各種資料，尋找合適的RSEI指數計算公式和分析方法。

在此，提供一種典型的RSEI指數計算方法供參考，公式如下[11]：

（1）綠度指標（NDVI）計算：

（2）濕度指標（WET）計算：

（3）干度指標（NDSI）計算：

式中，、、、、、分別為紅、綠、藍、近紅外、短波紅外1以及短波紅外2波段?！珵橄禂?。

（4）熱度指標（LST）計算：

式（7）（8）中，為TM或OLI影像熱紅外波段在傳感器處的輻射值；DN?為灰度值；gain?和?bias?為波段增益與偏置值；、為定標參數。

通常TM影像中=607.76?、=1?260.56?K，OLI影像中=480.89?、=1201.14?K；T為亮溫；為TM?或?OLI?影像熱紅外波段的中心波長；z?=1.438×10-2?mK；為地表比輻射率，可以采用NDVI閾值法獲取地表比輻射率。

針對“珠海一號”數據以及Landsat8數據的波段特征，選擇合適的波段進行指數運算，如圖5所示。

最后，基于上述指數計算的結果進行主成分分析，得到淮南礦區RSEI指數分布圖（見圖6），由此，對其生態環境進行綜合評價。

4???實踐教學改革效果

經過多個學期的教學實踐，本科生和研究生對利用PIE系列軟件進行高光譜數據處理及分析的熟練程度有顯著提升。我們發現，學生會在實踐課上通過自行查閱相關論壇或者觀看航天宏圖公司網站提供的學習視頻，主動學習PIE系列軟件的各項功能。相比于理論課程，在實踐課上學生們更愿意思考問題，尋找解決問題的辦法，不僅軟件的操作能力得到了提升，學習效率也得到進一步提高，不只是通過老師和書本獲取知識，而是通過多方途徑自主學習。通過上交的結課作業最后的自我總結報告可以看出，多數同學對國產遙感圖像處理軟件的認識從無到有，認為國產軟件的優勢明顯，操作簡單易學。例如：有的同學在自我總結報告中寫道，“本次實踐所使用的無論是珠海一號遙感數據還是PIE遙感處理軟件都是我們國產的，這次課程設計也有助于提升我們的民族自信心，只要肯用心，不依靠國外的技術也能夠取得相應的結果。同時我也需要注意到，在遙感領域我們與國外仍然存在一定的差距，這就需要我們大家在將來投身祖國的建設當中，推動科學技術的不斷進步，做出應有的貢獻”，“這次實踐不僅幫助我將課堂上的理論知識在實操中逐漸熟練，而且讓我懂得了更多解決問題的方法，使我獲得了PIE系列軟件的進階經驗和技能提升”?？傊?，將國產遙感圖像處理軟件應用于遙感專業課的實踐中，能讓學生們更快、更好地達到實踐目的，同時也推廣了國產軟件在學生中的應用。

5???結語

在遙感應用實踐中引入PIE系列軟件是對以往應用實踐教學的一次全面改革，在這個過程中，老師需要根據實踐內容和學生自身情況來對課程內容、實踐要求及時進行調整。將PIE系列軟件引入遙感專業課實踐教學，極大地發揮出了國產遙感圖像處理軟件的多方面優勢，其簡單易學的操作界面極大提高了學習效率，改進了學習效果，使學生的數據處理及應用能力和創新能力得到了進一步提升。

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