賈立明李依銘

（1. 廈門市湖濱中學(xué), 福建 廈門 361004; 2. 廈門市教育科學(xué)研究院, 福建 廈門 361004）

應(yīng)用ENVI軟件構(gòu)建新型GISS高中地理課堂的嘗試
——以“城市化及城市土地利用”教學(xué)為例

賈立明1李依銘2

（1. 廈門市湖濱中學(xué), 福建 廈門 361004; 2. 廈門市教育科學(xué)研究院, 福建 廈門 361004）

ENVI是由遙感領(lǐng)域的科學(xué)家采用IDL開發(fā)的一套功能強(qiáng)大的遙感影像處理軟件。中學(xué)地理教學(xué)可以通過試用獲得。官方網(wǎng)站是http://www.esrichina-bj.cn/ softwareproduct/EI。課堂教學(xué)構(gòu)建所用數(shù)據(jù)可以從“中國國際科學(xué)數(shù)據(jù)平臺”下載。該平臺免費(fèi)提供美國Landsat 陸地探測衛(wèi)星TM和ETM (http://datamirror.csdb. cn/)等多種傳感器的衛(wèi)星數(shù)據(jù)。同時也可以到USGS美國地質(zhì)調(diào)查局網(wǎng)站（http://glovis.usgs.gov/）及美國航空航天局（NASA）網(wǎng)站下載。應(yīng)用時，我們可以根據(jù)地理教學(xué)需要，運(yùn)用ENVI將下載到的遙感數(shù)據(jù)合成多波段影像，再對遙感影像進(jìn)行處理，包括投影轉(zhuǎn)換、鑲嵌、校正、裁剪、拉伸增強(qiáng)等。

本文以城市化及城市土地利用（城市形態(tài)變化及城市化）的校本化教學(xué)為例，展現(xiàn)新型GIS高中地理課堂構(gòu)建中的教學(xué)應(yīng)用。

一、基于ENVI構(gòu)建“城市化及城市土地利用” 校本化教學(xué)實(shí)例

1.遙感影像預(yù)處理

本次分別選取1994年、2001年、2006年和2010年的廈門地區(qū)LADSAT衛(wèi)星數(shù)據(jù)，提取教學(xué)影像。如圖 1所示，首先根據(jù)教學(xué)需要提取研究區(qū)域，進(jìn)行預(yù)處理，包括坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、裁剪、增強(qiáng)等。

圖1 研究區(qū)域（廈門島）衛(wèi)星數(shù)據(jù)的提取

影像在幾何校正和增強(qiáng)之后，運(yùn)用ENVI中提供的裁剪工具將研究區(qū)域分離。具體步驟為：

⑴打開裁剪后的廈門TM影像 Band 以6、4、3合成多光譜影像，并以RGB形式顯示在DISPLAY中。

⑵通過目視判讀將地物分為林地 、裸地、建筑、草地、水體5類。

⑶建立ROI采集訓(xùn)練樣本，計(jì)算不同地物的光譜特征值。

2.教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施

為了滿足教學(xué)需要，提供課堂觀察區(qū)域的城市化過程，需要對研究區(qū)域地物進(jìn)行分類并進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測。如圖2所示，可利用的分類比較工具主要包括 Change Detection Statics 工具和Thematic Change 工具。具體操作步驟為：

⑴在ENVI 主菜單中，選擇 Basic Tool ＞ Change Detection＞ Change Detection Statics。

⑵在Select the Initial State Image 對話框和 Select the Final State Image對話框中分別選擇 1994年和2000年的分類結(jié)果。

⑶在 Define Equivalent Class 對話框中，手動選擇使1994年的分類結(jié)果和2000年的分類結(jié)果相對應(yīng)。

應(yīng)用ENVI可迅速計(jì)算出區(qū)域各類土地類型的轉(zhuǎn)化關(guān)系并實(shí)現(xiàn)定量分析報(bào)表（圖3）。

圖2 研究區(qū)域（廈門島）分類處理

圖3 1994～2010年廈門市城市土地利用狀況

通過分類后影像的比對并結(jié)合數(shù)據(jù)報(bào)表的分析，學(xué)生可以直觀地觀察到1994年到2006年間，廈門市林地和草地轉(zhuǎn)化為建筑用地區(qū)域、大小范圍和速度。1994年到2010年這16年時間里廈門市建筑面積呈不斷增加的趨勢，城市化過程具有由廈門島西南部逐步向東北、北部擴(kuò)展的趨勢。這種探究式的學(xué)習(xí)過程，學(xué)生通過觀察、推斷、分析和綜合，最大程度上實(shí)現(xiàn)知識與技能、過程與方法和情感態(tài)度價值觀三方面的同步增長，教學(xué)效果好，效率高，效益全面。

二、ENVI應(yīng)用于中學(xué)地理教學(xué)的可行性分析

ENVI具有界面簡潔，可操作性強(qiáng)的特點(diǎn)，在教師的指導(dǎo)下學(xué)生均可以在課堂上用于地理過程、地理規(guī)律有關(guān)的觀察、比較、分析綜合等探究性學(xué)習(xí)。

例如ENVI地形分析模塊能夠提取區(qū)域地形特征，分析坡度、坡向與植被指數(shù)，聚落分布、水土流失等自然地理要素的關(guān)系。

動態(tài)監(jiān)測模塊可用于城市化、城市空間結(jié)構(gòu)、土地利用類型轉(zhuǎn)化、環(huán)境污染等方面的教學(xué)。

大氣監(jiān)測模塊可用于大氣環(huán)境污染、霧霾天氣、城市熱島效應(yīng)、城市風(fēng)等方面的教學(xué)。

ENVI快速制圖模塊可用于地球地圖、比例尺、經(jīng)緯網(wǎng)等相關(guān)知識的教學(xué)。

圖像剖面工具可迅速提取區(qū)域地形起伏狀況，可用于等高線、水土流失等知識的教學(xué)。

量測模塊可以迅速獲得區(qū)域的面積，周長的測量可用于區(qū)域、區(qū)域的工業(yè)化、城市化等問題的教學(xué)。

此外，利用LADSAT 提取水體濁度可用于水土流失、自然環(huán)境整體性與差異性的教學(xué)。結(jié)合MODIS等衛(wèi)星數(shù)據(jù)還可以實(shí)現(xiàn)對海洋表面溫度變化的監(jiān)測，可以用于洋流、厄爾尼諾等知識的教學(xué)。

通過近年來的教學(xué)實(shí)踐摸索，ENVI在以下中學(xué)地理教學(xué)應(yīng)用具有可行性和實(shí)用性：

1.應(yīng)用ENVI遙感影像對比，有利于探究地理要素間的關(guān)系

通過ENVI對不同時相遙感影像的對比有助于認(rèn)識地理事物間的因果、聯(lián)系及轉(zhuǎn)化規(guī)律。通過遙感影像對比可以培養(yǎng)學(xué)生分析地理空間關(guān)系的能力。地理教學(xué)中，應(yīng)當(dāng)注重運(yùn)用不同時期和時相的遙感影像，對比不同空間現(xiàn)象之間的異同，讓學(xué)生在視覺上驗(yàn)證對比過程和效應(yīng)。例如本文在分析廈門市城市化的過程中就是從時間尺度上分析地理要素的空間變換，直觀具體。

2.實(shí)現(xiàn)二維與三維地理圖像轉(zhuǎn)換，增強(qiáng)空間認(rèn)知能力

傳統(tǒng)的地圖表征以二維為主，用抽象的符號表示復(fù)雜的地理事象，這是造成學(xué)生感知理解地圖困難的主要原因之一。ENVI可將平面二維圖像轉(zhuǎn)換成立體圖像，可以增強(qiáng)地理事物的直觀性與形象性，從而有助于學(xué)生對地理問題的理解和應(yīng)用。教學(xué)中，可利用數(shù)字高程模型(DEM)，與遙感影像配準(zhǔn)校正，并在空間疊置操作的基礎(chǔ)上進(jìn)行可視化表達(dá)處理，建立三維地理模型，建立地理事物的虛擬現(xiàn)實(shí)，能夠有效構(gòu)建學(xué)生的空間思維。

3.運(yùn)用空間數(shù)據(jù)定量表達(dá)，為定性認(rèn)識地理問題本質(zhì)的課堂探究提供數(shù)據(jù)支持

使用ENVI進(jìn)行地理輔助教學(xué)的過程中培養(yǎng)了學(xué)生探究問題和解決問題的能力，學(xué)生獲取科學(xué)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理的能力，使學(xué)生在基礎(chǔ)教育階段就能親身體會到科學(xué)研究的樂趣，激發(fā)了學(xué)生運(yùn)用空間數(shù)據(jù)解決地理問題的能力。能夠迅速使地理問題數(shù)字化，并能夠幫助學(xué)生在海量空間數(shù)據(jù)中提取有用數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了量化分析，提升解決地理問題的能力。

三、運(yùn)用ENVI設(shè)計(jì)培養(yǎng)地理空間認(rèn)知能力的教學(xué)嘗試

在利用ENVI進(jìn)行教學(xué)過程中，一般可采取三種方式：

1.地理實(shí)驗(yàn)方式

結(jié)合所教內(nèi)容設(shè)計(jì)地理實(shí)驗(yàn)，如在進(jìn)行城市化的教學(xué)過程中可在課前為學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。方案包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shù)據(jù)準(zhǔn)備、應(yīng)用模塊和工具、數(shù)據(jù)分析、結(jié)論和分析等內(nèi)容。教師在教學(xué)過程中變主導(dǎo)為引導(dǎo)，幫助學(xué)生達(dá)成實(shí)驗(yàn)?zāi)康模龑?dǎo)學(xué)生掌握相關(guān)的地理知識。例如在城市化的實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以直觀地感受城市化的過程中農(nóng)村耕地不斷轉(zhuǎn)化為城市建筑用地的一個過程。

2.導(dǎo)學(xué)案結(jié)合遙感數(shù)據(jù)分析方式

本模式可以在推行生本課堂實(shí)驗(yàn)的學(xué)校進(jìn)行。該模式下的教學(xué)，遙感數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)在課堂上主要以成果的形式展現(xiàn)，由學(xué)生介紹數(shù)據(jù)的采集處理過程。課堂上主要由教師引導(dǎo)學(xué)生對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，也可針對某一地理問題結(jié)合學(xué)生獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。該模式的遙感數(shù)據(jù)處理過程一般在課前由教師指導(dǎo)學(xué)生完成。

3.傳統(tǒng)教學(xué)方式同ENVI的結(jié)合方式

ENVI的某些模塊可以直接應(yīng)用于某些地理問題的教學(xué)。例如在分析地形部位特征的教學(xué)中，教師就可以直接利用3D分析模塊，直觀演示，從而建立平面地圖與空間現(xiàn)實(shí)之間的聯(lián)系，便于學(xué)生的理解和掌握。在進(jìn)行環(huán)境污染效應(yīng)的教學(xué)過程中，可以利用MODIS數(shù)據(jù)直接反演廈門地區(qū)氣溶膠的光學(xué)分布特征，從而引導(dǎo)學(xué)生建立大氣污染與工業(yè)區(qū)分布、人類活動、植被指數(shù)之間的聯(lián)系。