夜光遙感的教學方法設計

1、 夜光遙感的教學方法設計 摘 要：雖然夜光遙感在科學研究領域的應用已經(jīng)如火如荼，但是夜光遙感的教學研究卻相對較少，大部分相關教學工作仍然停留在學術報告的層面，對于構建較為完整的知識體系存在較大難度。設計有效的夜光遙感教學方法體系對于激發(fā)學生學習夜光遙感知識具有關鍵性作用。筆者于2012年開始進入夜光遙感研究領域，于2015年前后開始開展夜光遙感的教學工作。該文將總結筆者近年來的相關教學經(jīng)驗，并開展探討，希望能夠為夜光遙感的教學工作提供借鑒意義。Key：夜光遙感 教學 方法 經(jīng)驗：G633 ：A ：1672-3791（2019）12（a）-0205-02站在城市建筑上俯瞰夜晚城市，可以看到城市夜

2、間各種形式的人造光源。這些光源包括路燈、商業(yè)廣告燈、居民樓燈光、工業(yè)區(qū)的生產(chǎn)照明燈等。在科學家的視角下，這些城市夜間發(fā)光為科學研究提供寶貴的信息。20世紀70年代，美國軍事氣象衛(wèi)星計劃（DMSP）衛(wèi)星搭載的業(yè)務線陣掃描傳感器（OLS）成功發(fā)射并用于獲取夜間云層信息。隨后，科學家們發(fā)現(xiàn)DMSP/OLS影像在夜間無云的條件下可以獲取油氣井和城鎮(zhèn)發(fā)光，因此DMSP/OLS為探測人類活動提供了一條新的途徑。自從20世紀90年代，美國海洋大氣與管理局（NOAA）的Christopher Elvidge博士領導的夜光遙感產(chǎn)品小組，于2010年成功生產(chǎn)了長時間序列的夜光遙感產(chǎn)品。這套時間序列產(chǎn)品已經(jīng)被廣泛應

3、用于城市擴張監(jiān)測、油氣井燃燒監(jiān)測、經(jīng)濟增長估算、光污染評估、人道主義災難評估等諸多應用領域 （李德仁、李熙，2015）。2011年底，隨著夜光遙感傳感器VIIRS的出現(xiàn)，夜光遙感進入了更加定量化的時代。在國內，武漢大學的夜光遙感研究團隊不僅在夜光遙感應用領域開展了深入研究，并且于2018年6月發(fā)射了全球首顆專業(yè)夜光遙感衛(wèi)星“珞珈一號”01星，該衛(wèi)星數(shù)據(jù)已經(jīng)被廣泛應用于城市化和基礎設施建設監(jiān)測等多個領域（Li et al. 2019）。該文基于筆者在夜光遙感領域的研究成果，探討在相關領域的教學方法。1 課堂教學的知識體系多年來，人們對于夜光遙感的理解更多停留在應用層面。例如，2018年美國諾貝爾

4、經(jīng)濟獎得主、耶魯大學諾德豪斯教授曾經(jīng)將夜光遙感技術應用于GDP估算等領域，產(chǎn)生了巨大學術影響（Chen and Nordhaus，2011）;武漢大學的研究團隊曾經(jīng)將夜光遙感應用于敘利亞內戰(zhàn)等人道主義災難評估的領域，產(chǎn)生了廣泛的社會影響。然而，不同的應用領域知識結構存在巨大差異，因此如果以應用導向為教學主線，則很難構建完整的教學邏輯。為此，我們需要構建整套夜光遙感的知識體系開展教學工作。我們將知識體系劃分為夜光遙感的概念、夜光遙感的原理、夜光遙感的方法、夜光遙感的應用、夜光遙感數(shù)據(jù)獲取與處理技能共五個主要方面。1.1 夜光遙感的概念通過搜索各類文獻，關于夜光遙感并沒有統(tǒng)一的定義。在氣象遙感領域

5、，只要是夜間可見光的遙感都可以稱為夜光遙感或者微光遙感，特別對于云層夜間發(fā)光最為重視。在社會經(jīng)濟研究領域，夜光遙感更多面向城鎮(zhèn)、油氣井以及漁業(yè)發(fā)光。因此，考慮到實際的應用領域，我們將夜光遙感定義為無云條件下的遙感傳感器獲取陸地和水體可見光源的過程。在給出該定義后，我們需要告知學生定義本身不是絕對的，根據(jù)不同的需求可以給出不同的定義。1.2 夜光遙感的原理在多數(shù)學術報告中，對于夜光遙感的原理講述并不充分。但是對于課堂教學而言，夜光遙感的原理必不可少的。事實上，日間遙感的諸多原理和夜光遙感幾乎完全一樣，比如輻亮度的定義、大氣輻射傳輸過程、幾何校正方法等。因此，在講述夜光遙感原理之前，需要較為系統(tǒng)的

6、介紹日間遙感的基本原理?？紤]到課堂教學時間的限制，需要學生在課堂教學前進行一定的預習，推薦學習梁順林教授撰寫的定量遙感教材。在講授夜光遙感原理時，需要特別闡述夜光遙感的輻射傳輸機理：遙感傳感器接受到的能量中包含城市夜間燈光、地表反射的月光以及諸多噪聲因子（例如宇宙高能粒子與大氣層碰撞的發(fā)光），這些光源均與大氣發(fā)生相互作用，其機制可以用大氣輻射傳輸原理來解釋。1.3 夜光遙感的方法由于夜光遙感面向的科學問題分散在不同領域，因此夜光遙感的方法看似較為分散。針對這一問題，需要總結夜光遙感領域中研究最為集中的若干領域，并找到其常用的方法。這些方法包括：（1）DMSP/OLS年合成產(chǎn)品的相對輻射定標;（

7、2）VIIRS每日數(shù)據(jù)的輻射質量改善;（3）基于夜光遙感的城市范圍提取方法。針對這3個主要方法，講述其各自的分支方法，例如，為了提取城市范圍，可以采用單閾值法，也可以采用復合指數(shù)法等多個策略。當然，隨著夜光遙感的快速發(fā)展，其對應的主要科學問題也會增多，需要根據(jù)實際情況增加講述內容。1.4 夜光遙感的應用相比于概念、原理和方法，夜光遙感的應用則顯得十分有趣。結合日常生活和新聞事件，選取合適的重要案例講述夜光遙感的應用價值。同時，在講述應用案例時，一定要配合夜光遙感的原理和方法進行講授，切忌應用和方法的脫節(jié)。1.5 夜光遙感數(shù)據(jù)獲取與處理技能雖然夜光遙感具有重要的應用價值，但如果只是停留在理論知識

8、的講述缺乏實際操作的話，很難讓學生們留下深刻的印象。因此，需要在課堂上直接傳授數(shù)據(jù)獲取的處理的方法。需要詳細的指導如何搜索到夜光遙感數(shù)據(jù)、如何下載以及基本處理的相關知識。打開美國海洋與大氣管理局的官方網(wǎng)站，進入DMSP/OLS和VIIRS夜光遙感產(chǎn)品的下載界面，告訴學生下載方法。接著，打開湖北省高分辨率對地觀測系統(tǒng)湖北數(shù)據(jù)與應用網(wǎng)，進入“珞珈一號”01星數(shù)據(jù)的下載界面，快速注冊賬號后，就可以下載相關數(shù)據(jù)。當然，下載數(shù)據(jù)只是第一步，在有條件的情況下，有必要安排一次上機實習課程。2 課堂教學的方法與策略在構建完夜光遙感的知識體系后，需要設計合適的教學方法激發(fā)學生的學習積極性。筆者將其中較為特色的方

9、法概括為：案例教學、多媒體技術、軟件操作和課外實踐。2.1 案例教學為了凸顯夜光遙感的重大價值，我們重點選取夜光遙感監(jiān)測中東地區(qū)社會經(jīng)濟變化作為重點案例進行講解。通過相對輻射定標、時間序列分析、時空聚類等數(shù)據(jù)處理與分析方法，我們可以獲得敘利亞內戰(zhàn)以來夜間燈光的變化信息，部分省份幾乎陷入完全黑暗。在展現(xiàn)夜光遙感影像的同時，配備相關的新聞資料和圖片，展示敘利亞內戰(zhàn)的殘酷，激發(fā)學生們熱愛和平、關注世界和靈活運用知識的動力。還可以運用中國城市化作為典型案例，展示中國主要城市群的快速增長及其伴隨的夜間燈光的增長，讓學生們了解夜光遙感對于研究區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的重要價值。除此之外，經(jīng)濟增長估算也是很好的例子，可

10、以介紹諾貝爾經(jīng)濟獎得主諾德豪斯教授利用夜光遙感估算GDP的經(jīng)典案例，讓大家知道夜光遙感已經(jīng)成為宏觀經(jīng)濟學的重要數(shù)據(jù)源。2.2 多媒體技術在介紹夜光遙感基本概念以及案例教學時，十分有必要利用各種多媒體技術傳授知識。利用NOAA提供的國際空間站影像的視頻展示不同城市夜間燈光的空間細節(jié)信息，從而獲得重要的直觀感受;利用夜光遙感敘利亞內戰(zhàn)的新聞報道視頻，可以展示夜光遙感巨大應用價值;利用“珞珈一號”01星的發(fā)射場景視頻，激發(fā)同學們的愛國、愛校情懷，同時推動國產(chǎn)夜光遙感的應用研究。2.3 軟件操作建議采用ENVI和Arcmap軟件開展夜光遙感的實踐操作。利用ENVI軟件開展夜光遙感影像的基本處理：坐標轉

11、換、影像裁減、重采樣、亮度拉伸等基本操作。在ENVI操作結束后，利用Arcmap進行數(shù)據(jù)分析也是必不可少的，特別是利用行政區(qū)劃數(shù)據(jù)結合夜光遙感影像計算夜光總量，并與GDP數(shù)據(jù)結合開展相關分析，從而有效地展示夜光遙感在經(jīng)濟建模中的巨大潛力。2.4 課外實踐課堂教學固然有利于傳授基本知識，但是對于獲得第一手的直觀資料而言，課外實踐則能發(fā)揮獨特的作用。選取學校周邊地塊，帶領興趣小組肉眼觀測商業(yè)區(qū)、教學區(qū)和居民區(qū)的夜間發(fā)光，通過輻射亮度計等工具記錄夜間燈光的發(fā)光強度，并結合衛(wèi)星資料進行對比。通過這些活動，建立衛(wèi)星觀測與地表信息的有效對應，幫助學生建立夜光遙感更為直觀和基礎的概念，對于夜光遙感的定量化也

12、具有重要價值。3 結語近年來，夜光遙感技術經(jīng)歷了快速發(fā)展，不同領域的學者開始應用夜光遙感影像開展研究工作。相比于快速發(fā)展的研究，夜光遙感的系統(tǒng)化教學工作相對滯后。如何利用課堂教學手段迅速有效地普及夜光遙感基本知識，并激發(fā)部分學生今后從事該研究領域是一個具有重要價值的話題。筆者基于近年來的科研和教學經(jīng)驗，初步建立了一套教學框架體系，希望能為國內同行提供一定的借鑒意義。同時，需要清晰地認識到，夜光遙感是一個急劇發(fā)展的研究領域，其教學方法必須伴隨著主要研究進展而更新。例如，隨著無人機技術的普及，利用無人機調查城市夜間燈光分布和變化不難實現(xiàn)，今后可以重點開展無人機夜光遙感的數(shù)據(jù)處理和應用的教學工作。Reference1 Chen，X.& Nordhaus，W.D.Using luminosity data as a proxy for economic statisticsJ.Proceedings of the National Academy of Sciences，2011（108）：8589-8594.2 Li，Xi