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[摘 要] 以Brovey方法图像融合为例，文章介绍了内蒙古师范大学人文地理与城乡规划专业、土地资源管理专业的“遥感数字图像处理”课程的教学经验，注重理论和实践紧密结合和软件功能的多样化应用的教学过程和方式，为推进这门课程的教学质量和效果的提升提供参考。
[关键词] 遥感数字图像处理;教学;理论;实践;多样化
[作者简介] 包 刚（1978—），男（蒙古族），内蒙古库伦旗人，博士，内蒙古师范大学地理科学学院副研究员，主要从事遥感与地理信息系统应用研究;于红博（1977—），女（满族），内蒙古呼和浩特人，生态学博士，内蒙古师范大学地理科学学院副教授，硕士生导师，主要從事区域生态及遥感图像处理研究。
[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2020）39-0199-04 [收稿日期] 2020-04-19
一、引言
遥感是现代空间信息科学的核心技术之一，其作为空间信息获取的重要技术手段，对国民经济和人类社会发展起着极为重要的促进作用。尤其随着近年新兴起的全球性的“数字地球”计划、地理信息系统、云计算、大数据和人工智能技术手段的快速发展[1-4]，社会对遥感专业人才的需求量、专业素质及其创新能力有着越来越高的要求。“遥感原理”和“遥感数字图像处理”课程正是为培养这方面技术人才而设置，是地理科学类专业的两门十分重要的专业课程。“遥感数字图像处理”作为“遥感原理”课程的后续重要内容，属于实践性、实用性和综合性很强的课程，具有应用的技术性和广泛性特点。该课程主要讲授遥感数字图像处理技术的基本概念、原理、算法及其实践应用等，力争培养一大批熟练掌握遥感科学理论和应用技能的空间信息科学人才，是理论和实践紧密结合的一门课程。在讲授该课程的过程中最好将经典的案例展示给学生，提出所涉及的相关实际问题和技术方法，将与案例有关的理论知识由浅入深地教予学生，并在软件平台（ENVI、Eardas等）上进行实践操作。
内蒙古师范大学地理科学学院自2005年以来一直开设“遥感数字图像处理”课程，这不仅能够巩固学生在“遥感原理”课程所学的理论知识，同时还能够提高遥感技术应用水平，培养学生实践和动手能力，是地理科学专业教学中的重要环节。教材的选用需综合考虑教学大纲、学校和学生的实际需要、学生的基础背景和教学学时。目前，学院人文地理与城乡规划专业、土地资源管理专业选用的教材为由朱文泉、林文鹏编写，高等教育出版社出版的《遥感数字图像处理——原理与方法》[1]和《遥感数字图像处理——实践与操作》[4]。这两本教材在内容讲解上针对遥感图像处理中的具体问题，结合遥感原理和数字图像处理中的理论知识（《遥感数字图像处理——原理与方法》），借助遥感软件进行系统的实践训练（《遥感数字图像处理——实践与操作》），引导学生掌握遥感数字图像处理的基本原理及操作过程，为学生将来从事遥感在空间信息、植被、生态、土壤、土地利用、资源环境监测、国土规划等领域的研究和应用奠定基础。此两本教材框架清晰、概念具体、案例通俗易懂、内容丰富由浅入深，最大限度地避免或降低了繁琐的数学公式推导和理解。因此对学生，特别是人文地理与城乡规划专业以及土地资源管理专业的学生来说，是很容易接受的教材。
教材借助的软件平台为美国Exelis Visual Information Solution公司的旗舰产品The Environment for Visualizing Images 5.3（ENVI 5.3），由交互式数据语言（Interactive Data Languange，IDL）开发而成。笔者针对人文地理与城乡规划专业、土地资源管理专业学生的特点和需求，围绕如何提高和优化该实践性课程的教学质量、教学内容和教学方法等方面，以教材提供的案例数据“Landsat8_OLI_multi.dat”和“Landsat8_OLI_pan.dat”为例，介绍Brovey图像融合方法从理论到实践的教学过程，为推进这门课程的教学改善提供参考。
二、授课方式与方法
1.课前准备——启发式教学。人文地理与城乡规划专业、土地资源管理专业学生对遥感学科相关知识的掌握欠佳，尤其在学习理论和算法时明显感觉学生有听不懂或跟不上的现象。因此在授课伊始，通过提问启发学生，引导他们思考有关图像融合的概念和必要性。例如在课程开始时，在ENVI 5.3经典版软件中加载教材提供的两种例子数据，即30米空间分辨率的多光谱标准假彩色合成数据“Landsat8_OLI_multi.dat”和15米空间分辨率的全色影像“Landsat8_OLI_pan.dat”（图1），向学生提问两种数据的优缺点，使学生对数据有一个直观的认识，并通过互动形式了解学生有关图像融合方面的相关知识后，教师再具体分析两种数据优缺点和融合的必要性，引出遥感图像融合的概念，并发现和纠正学生理解有误的地方和知识点。同时，教师打开准备好的两篇关于Brovey方法的研究论文（“Color Enhancement of Highly Correlated Images.Channel Ratio and‘Chromaticity’Transformation Techniques”[5]和“A wavelet transform method to merge Landsat TM and SPOT panchromatic data”）[6]，使学生了解科学研究的重要性，在学生脑海里塑造先有研究后有软件平台的发展过程，提高学生科学研究的意识和课后查阅文献的兴趣同时，不断地鼓励学生努力学习，将来通过自己的研究改进现有方法中存在的问题或提出更好的融合方法。
图1.ENVI软件里加载的“Landsat8_OLI_multi.dat”（左）和“Landsat8_OLI_pan.dat”（右）;两种数据的优缺点：“Landsat8_OLI_multi.dat数据的优势为多波段彩色图像（RGB颜色分别对应于近红外、红光和绿光波段），但存在空间分辨率低，地物不够清楚的缺点;“Landsat8_OLI_pan.dat”数据的优势为空间分辨率高，地物相对清楚，但存在单波段灰色图像的缺点。 2.Brovey方法的理論教学。理论教学旨在让学生了解算法及其背后的原理，从而起到举一反三的作用。遥感数字图像融合是把时间、空间或光谱上存在互补的多源遥感数据，按照一定的规则或算法进行运算，发挥多源数据间的信息互补性，从而获得比任何单一数据精度更高、信息量更丰富的合成图像的过程。教材提供的例子数据主要是把在同一研究区的低空间分辨率的多光谱图像（30 m）与高空间分辨率的灰度图像（15 m）进行融合，从而得到一幅高空间分辨率的彩色合成图像，改善后续工作例如遥感图像计算机解译、目视判读和特征提取结果的精度和可靠性。Brovey融合方法是一种归一化后的多光谱图像与高分辨率图像进行乘积运算的融合方法[1，5，6]。其计算公式为：
3.Brovey方法的实践教学。当教师将Brovey方法的相关研究论文和数学原理讲解清晰后，在ENVI 5.3经典版环境中逐步演示，实现公式的计算，将抽象的概念变得直观生动，使学生更容易理解和掌握，从而提高理论和实践教学的质量和效果，实现理论和实践的连接。在此基础上，为了加强学生对ENVI软件的动手能力和解决实际问题的能力，要求学生根据教材的知识点和教师讲解的内容，亲自操作，处理数据，使学生对图像融合方法的含义有更加深刻的了解，熟练掌握软件的整个操作过程，为今后对其它数据融合方法的学习打下坚实的基础。①Brovey方法的逐步实现过程。保证待处理图像具有相同的行列数。为了在ENVI软件环境中实现Brovey公式的计算，按照图像运算的要求确保多光谱影像和全色波段影像具有相同的行列数，由菜单Basic Tools中的Resize Data （Spatial/Spectral）命令实现。输出结果为行列数相同的两个例子文件（图2）。
归一化处理。运用菜单Basic Tools中的 Stretch Data命令，在Data Stretch Input File对话框中选择Landsat8_OLI_pan.dat，点击OK后弹出Data Stretching窗口，Stretch Type选择Linear方法，Output Data Range设置为0～1，输出结果即为归一化后的文件（图3）。Landsat8_OLI_multi_re.dat的处理步骤相同。
计算低分辨率数据的平均值。运用菜单Basic Tools中的Band Math命令进行波段运算，在Band Math对话框中输入公式（float（b1+b2+b3）/3.0）（图4左）。在Variables to Bands Pairings窗口中分别选择绿光、红光和近红外波段（图4右），输出文件名设置为Landsat8_OLI_multi_re_mean3.dat，即为低分辨率数据的平均值。
Brovey图像融合最终结果。在Band Math对话框中输入公式（float（b1）*float（b2））/float（b3）（图5左），并对b1，b2和b3参数分别赋为Landsat8_OLI_multi_re_str.dat（b1），Landsat8_OLI_pan_str.dat（b2）和Landsat8_OLI_multi_re_mean3.dat（b3）（图5右），输出文件名设置为Brovey_result.dat，即为融合结果，高分辨率多光谱彩色图像。
②Brovey方法的简易操作。Brovey公式的逐步操作过程可以进一步加深学生对该方法的理解和掌握。ENVI 5.3也提供了傻瓜式操作，即菜单Transform中的Image Sharpening二级菜单下的Color Normalized （Brovey）命令。在Select Input RGB Input Bands界面分别选择近红外、红光和绿光波段（图6）。在High Resolution Input File窗口选择Landsat8_OLI_pan_str.dat（图7），输出文件名设置为Brovey_Result2.dat，完成操作。
两种操作过程各有优势，加强软件功能的多样化和傻瓜式操作，使学生做到举一反三，达到灵活和创新性运用软件的目的。
三、结论
以教材案例为基础，通过讲授遥感图像融合概念、含义、理论和实现过程，使学生对遥感图像波段运算、图像重采样、Brovey数据融合方法的ENVI实现能力得到显著提高，软件功能的多样化应用能力得以加强。但在教学过程中发现，由于“遥感数字图像处理”作为人文地理与城乡规划专业、土地资源管理专业的一门选修课，课时有限（32学时），在教学过程中难以面面俱到，因此在确保基础知识和前沿技术的前提下有必要取舍，使学生在有限的学时内取得最大的收获。
参考文献
[1]朱文泉，林文鹏.遥感数字图像处理——原理与方法[M].北京：高等教育出版社，2015.
[2]汤国安，董有福，唐婉容，等.我国GIS专业高等教育现状调查与分析[J].中国大学教学，2013（6）：26-31.
[3]阿里木江卡斯木.“遥感数字图像处理”课程教学改革探析[J].吉林省教育学院学报，2014（30）：37-39.
[4]朱文泉，林文鹏.遥感数字图像处理——实践与操作[M].北京：高等教育出版社，2016.
[5]Gillespie A R，Kahle A B，Walker R E.Color Enhancement of Highly Correlated Images：Channel Ratio and 'Chromaticity' Transformation Techniques，Remote Sensing of Environment，1987（3）：343-365.
[6]Zhou J，Civco D L，Silander J A.A Wavelet Transform Method to Merge TM and SPOT Panchromatic Data，International Journal of Remote Sensing，1998（4）：743-757.
[关键词] 遥感数字图像处理;教学;理论;实践;多样化
[作者简介] 包 刚（1978—），男（蒙古族），内蒙古库伦旗人，博士，内蒙古师范大学地理科学学院副研究员，主要从事遥感与地理信息系统应用研究;于红博（1977—），女（满族），内蒙古呼和浩特人，生态学博士，内蒙古师范大学地理科学学院副教授，硕士生导师，主要從事区域生态及遥感图像处理研究。
[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2020）39-0199-04 [收稿日期] 2020-04-19
一、引言
遥感是现代空间信息科学的核心技术之一，其作为空间信息获取的重要技术手段，对国民经济和人类社会发展起着极为重要的促进作用。尤其随着近年新兴起的全球性的“数字地球”计划、地理信息系统、云计算、大数据和人工智能技术手段的快速发展[1-4]，社会对遥感专业人才的需求量、专业素质及其创新能力有着越来越高的要求。“遥感原理”和“遥感数字图像处理”课程正是为培养这方面技术人才而设置，是地理科学类专业的两门十分重要的专业课程。“遥感数字图像处理”作为“遥感原理”课程的后续重要内容，属于实践性、实用性和综合性很强的课程，具有应用的技术性和广泛性特点。该课程主要讲授遥感数字图像处理技术的基本概念、原理、算法及其实践应用等，力争培养一大批熟练掌握遥感科学理论和应用技能的空间信息科学人才，是理论和实践紧密结合的一门课程。在讲授该课程的过程中最好将经典的案例展示给学生，提出所涉及的相关实际问题和技术方法，将与案例有关的理论知识由浅入深地教予学生，并在软件平台（ENVI、Eardas等）上进行实践操作。
内蒙古师范大学地理科学学院自2005年以来一直开设“遥感数字图像处理”课程，这不仅能够巩固学生在“遥感原理”课程所学的理论知识，同时还能够提高遥感技术应用水平，培养学生实践和动手能力，是地理科学专业教学中的重要环节。教材的选用需综合考虑教学大纲、学校和学生的实际需要、学生的基础背景和教学学时。目前，学院人文地理与城乡规划专业、土地资源管理专业选用的教材为由朱文泉、林文鹏编写，高等教育出版社出版的《遥感数字图像处理——原理与方法》[1]和《遥感数字图像处理——实践与操作》[4]。这两本教材在内容讲解上针对遥感图像处理中的具体问题，结合遥感原理和数字图像处理中的理论知识（《遥感数字图像处理——原理与方法》），借助遥感软件进行系统的实践训练（《遥感数字图像处理——实践与操作》），引导学生掌握遥感数字图像处理的基本原理及操作过程，为学生将来从事遥感在空间信息、植被、生态、土壤、土地利用、资源环境监测、国土规划等领域的研究和应用奠定基础。此两本教材框架清晰、概念具体、案例通俗易懂、内容丰富由浅入深，最大限度地避免或降低了繁琐的数学公式推导和理解。因此对学生，特别是人文地理与城乡规划专业以及土地资源管理专业的学生来说，是很容易接受的教材。
教材借助的软件平台为美国Exelis Visual Information Solution公司的旗舰产品The Environment for Visualizing Images 5.3（ENVI 5.3），由交互式数据语言（Interactive Data Languange，IDL）开发而成。笔者针对人文地理与城乡规划专业、土地资源管理专业学生的特点和需求，围绕如何提高和优化该实践性课程的教学质量、教学内容和教学方法等方面，以教材提供的案例数据“Landsat8_OLI_multi.dat”和“Landsat8_OLI_pan.dat”为例，介绍Brovey图像融合方法从理论到实践的教学过程，为推进这门课程的教学改善提供参考。
二、授课方式与方法
1.课前准备——启发式教学。人文地理与城乡规划专业、土地资源管理专业学生对遥感学科相关知识的掌握欠佳，尤其在学习理论和算法时明显感觉学生有听不懂或跟不上的现象。因此在授课伊始，通过提问启发学生，引导他们思考有关图像融合的概念和必要性。例如在课程开始时，在ENVI 5.3经典版软件中加载教材提供的两种例子数据，即30米空间分辨率的多光谱标准假彩色合成数据“Landsat8_OLI_multi.dat”和15米空间分辨率的全色影像“Landsat8_OLI_pan.dat”（图1），向学生提问两种数据的优缺点，使学生对数据有一个直观的认识，并通过互动形式了解学生有关图像融合方面的相关知识后，教师再具体分析两种数据优缺点和融合的必要性，引出遥感图像融合的概念，并发现和纠正学生理解有误的地方和知识点。同时，教师打开准备好的两篇关于Brovey方法的研究论文（“Color Enhancement of Highly Correlated Images.Channel Ratio and‘Chromaticity’Transformation Techniques”[5]和“A wavelet transform method to merge Landsat TM and SPOT panchromatic data”）[6]，使学生了解科学研究的重要性，在学生脑海里塑造先有研究后有软件平台的发展过程，提高学生科学研究的意识和课后查阅文献的兴趣同时，不断地鼓励学生努力学习，将来通过自己的研究改进现有方法中存在的问题或提出更好的融合方法。
图1.ENVI软件里加载的“Landsat8_OLI_multi.dat”（左）和“Landsat8_OLI_pan.dat”（右）;两种数据的优缺点：“Landsat8_OLI_multi.dat数据的优势为多波段彩色图像（RGB颜色分别对应于近红外、红光和绿光波段），但存在空间分辨率低，地物不够清楚的缺点;“Landsat8_OLI_pan.dat”数据的优势为空间分辨率高，地物相对清楚，但存在单波段灰色图像的缺点。 2.Brovey方法的理論教学。理论教学旨在让学生了解算法及其背后的原理，从而起到举一反三的作用。遥感数字图像融合是把时间、空间或光谱上存在互补的多源遥感数据，按照一定的规则或算法进行运算，发挥多源数据间的信息互补性，从而获得比任何单一数据精度更高、信息量更丰富的合成图像的过程。教材提供的例子数据主要是把在同一研究区的低空间分辨率的多光谱图像（30 m）与高空间分辨率的灰度图像（15 m）进行融合，从而得到一幅高空间分辨率的彩色合成图像，改善后续工作例如遥感图像计算机解译、目视判读和特征提取结果的精度和可靠性。Brovey融合方法是一种归一化后的多光谱图像与高分辨率图像进行乘积运算的融合方法[1，5，6]。其计算公式为：
3.Brovey方法的实践教学。当教师将Brovey方法的相关研究论文和数学原理讲解清晰后，在ENVI 5.3经典版环境中逐步演示，实现公式的计算，将抽象的概念变得直观生动，使学生更容易理解和掌握，从而提高理论和实践教学的质量和效果，实现理论和实践的连接。在此基础上，为了加强学生对ENVI软件的动手能力和解决实际问题的能力，要求学生根据教材的知识点和教师讲解的内容，亲自操作，处理数据，使学生对图像融合方法的含义有更加深刻的了解，熟练掌握软件的整个操作过程，为今后对其它数据融合方法的学习打下坚实的基础。①Brovey方法的逐步实现过程。保证待处理图像具有相同的行列数。为了在ENVI软件环境中实现Brovey公式的计算，按照图像运算的要求确保多光谱影像和全色波段影像具有相同的行列数，由菜单Basic Tools中的Resize Data （Spatial/Spectral）命令实现。输出结果为行列数相同的两个例子文件（图2）。
归一化处理。运用菜单Basic Tools中的 Stretch Data命令，在Data Stretch Input File对话框中选择Landsat8_OLI_pan.dat，点击OK后弹出Data Stretching窗口，Stretch Type选择Linear方法，Output Data Range设置为0～1，输出结果即为归一化后的文件（图3）。Landsat8_OLI_multi_re.dat的处理步骤相同。
计算低分辨率数据的平均值。运用菜单Basic Tools中的Band Math命令进行波段运算，在Band Math对话框中输入公式（float（b1+b2+b3）/3.0）（图4左）。在Variables to Bands Pairings窗口中分别选择绿光、红光和近红外波段（图4右），输出文件名设置为Landsat8_OLI_multi_re_mean3.dat，即为低分辨率数据的平均值。
Brovey图像融合最终结果。在Band Math对话框中输入公式（float（b1）*float（b2））/float（b3）（图5左），并对b1，b2和b3参数分别赋为Landsat8_OLI_multi_re_str.dat（b1），Landsat8_OLI_pan_str.dat（b2）和Landsat8_OLI_multi_re_mean3.dat（b3）（图5右），输出文件名设置为Brovey_result.dat，即为融合结果，高分辨率多光谱彩色图像。
②Brovey方法的简易操作。Brovey公式的逐步操作过程可以进一步加深学生对该方法的理解和掌握。ENVI 5.3也提供了傻瓜式操作，即菜单Transform中的Image Sharpening二级菜单下的Color Normalized （Brovey）命令。在Select Input RGB Input Bands界面分别选择近红外、红光和绿光波段（图6）。在High Resolution Input File窗口选择Landsat8_OLI_pan_str.dat（图7），输出文件名设置为Brovey_Result2.dat，完成操作。
两种操作过程各有优势，加强软件功能的多样化和傻瓜式操作，使学生做到举一反三，达到灵活和创新性运用软件的目的。
三、结论
以教材案例为基础，通过讲授遥感图像融合概念、含义、理论和实现过程，使学生对遥感图像波段运算、图像重采样、Brovey数据融合方法的ENVI实现能力得到显著提高，软件功能的多样化应用能力得以加强。但在教学过程中发现，由于“遥感数字图像处理”作为人文地理与城乡规划专业、土地资源管理专业的一门选修课，课时有限（32学时），在教学过程中难以面面俱到，因此在确保基础知识和前沿技术的前提下有必要取舍，使学生在有限的学时内取得最大的收获。
参考文献
[1]朱文泉，林文鹏.遥感数字图像处理——原理与方法[M].北京：高等教育出版社，2015.
[2]汤国安，董有福，唐婉容，等.我国GIS专业高等教育现状调查与分析[J].中国大学教学，2013（6）：26-31.
[3]阿里木江卡斯木.“遥感数字图像处理”课程教学改革探析[J].吉林省教育学院学报，2014（30）：37-39.
[4]朱文泉，林文鹏.遥感数字图像处理——实践与操作[M].北京：高等教育出版社，2016.
[5]Gillespie A R，Kahle A B，Walker R E.Color Enhancement of Highly Correlated Images：Channel Ratio and 'Chromaticity' Transformation Techniques，Remote Sensing of Environment，1987（3）：343-365.
[6]Zhou J，Civco D L，Silander J A.A Wavelet Transform Method to Merge TM and SPOT Panchromatic Data，International Journal of Remote Sensing，1998（4）：743-757.