面向应用的《激光遥感》课程实践设计
摘 要：《激光遥感》课程是武汉大学遥感信息工程学院为适应遥感技术发展的最新需求，针对本科生设置的一门专业必修课程，为学生传授LiDAR技术的相关知识。本文针对教学大纲和LiDAR技术的特点，根据科研和生产的需要，设计了实践课程，并提出了课程的框架和建设方案。
关键词：遥感 机载激光雷达 实践教学 课程设计
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1674-2117（2014）18-00-02
1 前言
《激光遥感》是武汉大学遥感信息工程学院为适应遥感技术发展的最新需求，对原有《激光成像》课程进行改造而设置的一门专业必修课程。随着相关技术的发展，激光遥感成为了遥感技术的重要方向。近些年越来越多的资源投入到激光雷达术的研究和实践中，使之得到飞速发展。目前激光遥感技术已经运用到了近景、地面、车载、机载到星载的多种平台上，提供了不同精度的多种产品，应用在诸多行业中。相应地，激光遥感数据处理也从科学研究少量试验发展到了大规模生产实践阶段。面对这种变化趋势，武汉大学遥感信息工程学院在2010年修订的本科生培养方案中，设置了《激光遥感》课程，作为摄影测量方向本科生的专业必修课和遥感信息工程方向本科生的专业选修课[1]。这准确地反映了目前激光遥感技术的发展状况和其在遥感技术中的地位。
2 加强激光遥感实践课程的必要性
在激光遥感课程改造过程中，有必要提出并坚持面向应用的方针，这一方面是生产的需要，我国已经正在大力引进和推广激光遥感技术，仅机载LiDAR设备就已经超过30台，价值数亿元，其他的地面及近景设备更是多达百余套。这些设备采集了大量的数据，处理这些数据需要专门的人才，对本科教育提出了要求[2]；另一方面是就业的需要，虽然随着空间技术的应用，摄影测量与遥感专业的学生就业形势较好，但是要看到，随着开设相关专业课程学校的增加以及学生规模的扩大，就业压力已经越来越大，有必要根据生产部门的需求，有针对性地培养学生专长，扩大就业机会；第三方面是科学研究的需要，目前激光遥感数据仅仅得到了初步的应用，如何提高数据处理效率，丰富数据产品类型以及拓展数据范围等，是目前生产部门亟待解决的问题[3]。通过在本科阶段设置相关课程，加大培养力度，有利于激发学生科研兴趣，为将来投身相关科学研究打下了坚实基础。在过去激光遥感属于前沿技术，缺少必要的案例和数据，主要采取课堂讲授的方式，通过教师的PPT和板书进行教学，学生的课堂实验及课后实践很少，缺少实践环节，造成学生动手能力较差，同时对理论的理解也不够深入，影响了用人单位的使用[4]。因此，随着激光遥感技术从探索走向应用，对应的《激光遥感》课程也由选修设置为必修，其授课方式也应该从纯理论讲授发展为理论结合实践的讲授方式。
3 遥感实践课程的原则及内容
3.1 遥感实践课程的原则
激光遥感数据处理环节多，涉及的专业知识多，同时，由于仍处于不断发展中，很多新处理方法和产品不断涌现，成熟和固定的生产与数据处理方法和流程较少。在确定激光遥感课程实践内容时需要把握如下原则：
（1）有利于全面掌握课程的知识点，实践的内容应该贯穿整个课程的环节，加深和巩固学生对理论的了解；
（2）有利于相关专业知识的融会贯通[5]。激光遥感是多种新技术的集成技术，应该通过实践环节，使学生了解相关专业技术以及集成技术的重要性及作用；
（3）有利于激发学生的科学研究兴趣[6]。应该通过实践，激发学生探索未知的兴趣，投身于对激光遥感技术科学研究中；
（4）有助于提高学生动手能力。激光遥感技术是一门工科技术，其落脚点应聚焦在提高学生的动手能力，为将来胜任行业部门打下基础；
（5）有助于课程安排。课堂时间有限，过于复杂的实验占用太多时间，不利于课堂组织，简单的实验不利于学生掌握相关知识。必须对各实验部分精心设计，使之既相对独立又有机联系。
3.2遥感实践课程的主要内容
激光遥感实践环节的内容
激光遥感技术工程实践环节较多，内容庞杂，主要有：
航线设计，需要全面掌握点云数据的参数，影像数据参数等；
数据预处理，包括误差剔除，坐标转换等；
输入输出，包括格式转换，内插方法等；
基础测绘产品生产，包括DEM、DLG的生产；
高级地理信息应用，包括数据分类、建筑物提取，三维建模以及空间信息系统研发等。
4 遥感实践课程设计
4.1 框架
本文设计了激光遥感课程的实践教学方案，框架图如下。
激光遥感实践框架
4.2 实践教学方案
本文设计了激光遥感课程的实践教学案例，下面针对框架进行详细说明。
（1）为了使学生对LiDAR技术有感性的认识，设计了参观的环节，以激发学生的兴趣。选择学院的硬件设备或者生产部门的生产现场，使学生通过参观对LiDAR设备的组成、相关技术和行业应用有初步了解，在生产一线了解该技术目前的应用关键和难点。一方面激发学生投身生产的热情，另一方面使学生了解科研与生产的方向。
（2）针对LAS格式的数据，要求学生编写程序，能够读取数据到相应的数组中。主要使学生了解LiDAR数据种类，通过深入研究LAS数据格式，了解空间信息数据的特点和存储难点；通过全面讲解LAS格式版本的发展过程，了解LiDAR技术进步过程和数据不断丰富的过程；通过程序编写，熟练掌握空间数据读取技术和节省数据存储空间的技巧。
（3）对LiDAR数据进行三维显示和基本空间分析操作。主要使用任课教师承担科研项目时编写的数据处理平台，在使用前任课教师先讲解科研项目的目的、意义、进展及展望，再对该平台的基本功能，尤其是数据读取部分进行详细讲解。一方面可以使学生看到上次课程自己编写的数据读取程序的规范性、速度和效率上存在的问题，另一方面可以使学生知道，科研项目并不神秘，而是从基础的功能起步的；通过对点云的简单空间操作和分析，使学生了解点云数据的粗差、断面、建筑物和树木脚点的空间分布特征、区别以及容易混淆的地方；通过对波形数据的读取、显示和分解，使学生了解LiDAR数据的新发展及其优点。
（4）要求学生编程实现LiDAR数据粗差的剔除。本次实践具有一定的灵活性，学生可以自行编写包含读取、显示、剔除粗差以及存储的完整程序，也可以在教师提供的平台上，以组件的形式完成剔除粗差的功能。关键是使学生理解基于高差的分类方法，基于统计原理的区分粗差的方法，熟悉一些基本的测量平差方法，不仅能够复习和掌握前期学过的测绘的基本专业知识，还能初步掌握LiDAR数据处理的基本原理和DEM的基本生产方法。
（5）要求学生编程实现去除粗差后的LiDAR数据的规则化。主要使学生复习和掌握空间数据内插的主要方法，了解LiDAR数据采集的随机性，知道其特点和不足，提高编程水平，同时对于DEM的生产方法也有更深入的掌握。
（6）实现LiDAR点云数据分类和输出。这部分比较复杂，主要基于现有软件，使学生掌握LiDAR数据分类的原理和生产部门处理的流程和工具，在不断调试参数并观察处理结果的过程中，琢磨和理解现有数据分类算法的原理和不足，明了目前LiDAR数据产品生产的关键和难点，为将来从事生产或科研打下基础。
（7）撰写实践报告，要求学生将实践过程和实践结果进行展示和总结，提出自己的想法，可以提出新的原理或算法，也可以针对某一环节提出改进措施，自由发挥。教师根据学生的报告综合、总结，在课堂上进行展示和点评，并给出成绩。
5 结语
实践教学不仅是理论课程的补充，而且具有验证、综合、创新等功能。加强实践性教学，有助于学生全面理解理论知识，掌握分析问题、解决问题的方法，激发学生自主学习热情，提高学生编程能力。本文针对《激光遥感》课程的特点和本科学生的知识积累，设计了课程实践环节，丰富了教学内容，加深了学生对理论知识的理解，推动了《激光遥感》教学改革，使该工科课程更贴近科研和生产，为学生将来进行科研或生产打下了坚实基础。
（武汉大学遥感信息工程学院，湖北 武汉 430079）
参考文献：
[1]遥感信息工程学院.本科人才培养方案（2010年版）[EB/OL].2012（2）.
[2]赖旭东.《激光遥感》课程设计与思考[J].地理空间信息，2012，10（4）：168-169.
[3]张喜旺，刘剑锋.高校GIS专业遥感类课程教学改革探索[J].测绘与空间地理信息，2012，35（10）：10-12.
[4]刘经南，张小红.激光扫描测高技术的发展与现状[J].武汉大学学报：信息科学版，2003，28（2）：132-137.
[5]汪志明，花向红，许才军.加强实验实践教学环节培养测绘工程专业创新人才[J]。测绘工程，2004，13（1）：57-59.
[6]花向红，邹进贵.构建复合型人才培养的测绘工程实践教学新体系[J].测绘工程，2003，12（1）：58-60.