地学三维可视化与过程模拟课程建设

田宜平,翁正平,何珍文,张志庭

摘要：空间信息与数字技术专业是一个新兴专业，结合中国地质大学的优势学科，以培养地质信息复合创新型人才为目标。地学三维可视化与过程模拟是本专业的主干专业课之一，本文就该课程在课程体系中的地位、教材编写内容选定、课程教学方法、一体化实践教学以及大赛与科研结合的专业课教学模式等方面做了相应的探讨和实践。相关工作将对同类专业的课程建设有一定的借鉴作用。

关键词：空间信息与数字技术；一体化实践教学；课程教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）45-0148-03

空间信息与数字技术本科作为新专业已经在国内武汉大学、中国地质大学（武汉）、西安电子科技大学、厦门理工大学等多所院校开设了该专业，各校依托优势学科，分别侧重于测绘、地质信息技术、深空探测等领域的空间信息机理研究及应用，人才培养各具特色[1，2]。

我校开办的空间信息与数字技术專业依托地质资源与地质工程、地质学等国家重点学科，以培养地质信息技术复合创新型人才为目标。教学团队于2005年提出了“地质信息科学”的理论框架与方法技术体系，为本专业人才的培养明确了学科基础，为地质信息技术复合型人才培养明确了指导思想[3，4]。本专业将立足服务于国家信息化建设和社会发展的需要，为国家培养系统掌握计算机技术、地质学、资源勘查学、地矿勘查（察）计算机应用、地质信息系统工程等方面的基本理论、基本方法和基本技能，能适应新时期地矿工作信息化建设发展需要，掌握科学的思维方法，爱岗敬业，能在地质调查、地矿勘查、环境监测、海洋勘查、黄金工业、矿山企业、建材勘查、水利水电、工程地质、地质灾害勘查、城乡建设规划设计部门、交通、国防军事、航空航天等行业或部门从事各类地质信息系统的管理、设计、开发和科学研究工作，具有发现问题、分析问题和解决问题的能力和素质，并且在德、智、体、美诸方面全面发展的复合型人才。本专业的课程体系建设近几年来进行了一系列深入地研究与探讨，围绕专业主干课进行了课程设置，地学三维可视化与过程模拟为其专业主干课之一。

一、本课程在课程体系中的位置

本专业提出了基于知识结构树的课程体系研究与配置方法，构建了学科基础课—专业主干课—专业核心课的课程体系和专业培养方案，编写出版了全新的专业核心课程教材，搭建了面向跨学科知识有机融合的教学体系，见图1。围绕《地质信息系统》和《地学三维可视化与过程模拟》两门核心课程配备专业主干课程，开设计算机技术类、空间信息技术类、地质学与资源勘查学类的系列课程，从地质数据采集、管理、处理、建模、可视化及评价等不同角度构建地质信息处理专业知识体系。在夯实地学基础的同时强化计算机开发能力培养，并突出地质信息技术的应用特色。

二、教材编写内容选定

本课程主要从地质、地理两个方面出发，全面介绍了地学三维可视化的理论、方法和技术手段。在数据模型、三维建模、可视化技术手段、空间可视化分析等方面都综合考虑了地质空间与地理空间的特点，将两者完全统一起来，弥补了目前空间信息可视化的教材没有考虑地质空间特点的不足。针对地质对象的建模不确定性与地质过程模拟的复杂性，本课程在综合介绍地学数据模型和可视化方法的基础上，重点介绍了三维地质体建模和地质过程动态模拟，突出了地质数据可视化的特色和难点。

针对本课程的教学内容，教学小组在大量已有教材的基础上自编并出版教材。教材的内容章节如下：第1章 绪论，包括：（1）地学信息的科学概念及七多特性；（2）可视化的科学概念与地学可视化；（3）地学可视化的研究内容；（4）地学数据的特点及其可视化方法简介；（5）地学可视化与过程模拟的研究内容。第2章 地学信息可视化的理论基础，包括：（1）地图可视化理论；（2）地图（学）信息传输理论；（3）空间认知科学理论；（4）数据挖掘和知识发现理论；（5）地学图解/图谱理论；（6）虚拟现实理论。第3章 地学信息的数据模型，包括：（1）地学信息的空间数据模型；（2）地学信息的属性数据模型。第4章 三维地质体建模，包括：（1）三维地质体建模现状；（2）三维地质体建模难点分析；（3）三维地质建模方法。第5章 典型的地学数据及其可视化方法，包括：（1）数据类型；（2）点数据场的可视化；（3）标量场数据的可视化；（4）矢量场数据的可视化；（5）张量场数据的可视化；（6）其他可视化方法。第6章 地学三维可视化分析，包括：（1）数字地形显示与简化技术；（2）地理空间分析可视化技术；（3）地质体三维可视化技术。第7章 地学三维可视化实现工具，包括：（1）OpenGL；（2）Direct3D；（3）OSG；（4）Java3D；（5）VRML；（6）QuantyView。第8章 地质过程的动态模拟，包括：（1）盆地模拟概述；（2）构造—地层格架演化的平衡剖面法模拟；（3）构造—地层格架演化的平衡体法模拟；（4）盆地古地热场与有机质热演化模拟；（5）生烃模拟；（6）排烃模拟；（7）运聚模拟。

教材的编写思路是按照“可视化理论—数据模型—建模—可视化方法—可视化分析技术—可视化工具—过程动态可视化”的流程，先总结目前可视化研究领域的一些理论，详细阐述如何用各种数据模型来表达存储地学三维数据，探讨各种三维模型的建模方法，建立起模型后研究用什么可视化方法来表征各种三维模型，进一步对三维模型进行可视化分析技术的实现，最后介绍实现上述可视化的编程工具（三维引擎）。在教材的第8章给出了一个典型的地质过程可视化模拟的案例，综合应用前面章节的手段实现盆地模拟过程可视化，可为其他地学过程可视化提供借鉴手段。

三、课程教学方法——一体化实践教学

在强化课堂教学，加强课程间融会贯通的基础上，在前导课程的支持下，本课程采取实际科研项目引导的实验教学，采用科研团队开发的大型三维地学可视化软件平台Quanty View进行二次开发实习，实习的内容是实际科研项目中常用的三维建模与可视化功能的开发。与前导课程一起构筑由课程实验、课程设计、综合设计、专业实习等组成的一体化实践教学体系，见图2，培养学生工程思维和独立解决问题的能力，提高学生实际动手开发能力。endprint

本課程的上机实践是从实际科研项目中提炼出来的实习内容，紧紧围绕常用的三维建模与可视化功能的开发，针对性强，让学生从上机实践中理解贯通课堂的教学内容。总共安排四次上机实践。实验一：地质灾害三维可视化建模实验。实验目的：掌握GeoHazard三维可视化软件，了解三维可视化概念及其原理。使用地学相关数据，使用三维可视化软件和钻孔数据，建立地质三维模型。实验二：三维可视化分析。实验目的：加深对三维建模软件的使用，掌握软件三维可视化分析操作和原理，特别是矢量剪切分析；了解三维可视化分析其他各个功能的编程原理和基本算法。实验三：基于QuantyView的二次开发。实验目的：熟悉基于QuantyView的二次开发，掌握地学三维可视化软件基本框架的搭建；通过QuantyView平台软件的二次开发，熟悉地学三维可视化技术的编程实现，完成专题动态库创建及配置、专题EXE的创建及界面配置以及控制线建模实例开发。实验四：基于QuantyView的二次开发实现三维可视化功能，实验目的：通过具体的可视化功能二次开发实现来完成进一步熟悉基于QuantyView的二次开发，掌握地学三维可视化功能模块的开发，完成搭建基于QuantyView的三维可视化软件框架、在当前图层中创建一个多边形对象、实现键盘漫游、实现路线飞行漫游、实现多边形对象的分层设色、实现两个多面体合并等开发内容。

四、大赛与科研相结合的专业课教学模式

本课程的教学对象是高年级的本科生，有着一定的专业基础课知识的储备，具有参与实际科研或挑战杯、创新创业等大赛的能力。在专业课程教师指导下参加科研或大赛是创新人才培养的重要环节，对于激发学生创新意识、创新思维，提高动手能力有着重要的作用。本课程组的教师围绕本专业课的研究内容提出一些前沿的研究小课题，指导学生参赛，让学生自己独立思考如何完成小课题的研究。同时，专业课的教师都承担着一定的实际科研项目，也可以从科研项目中抽取相关的小功能提供给学生开发实现，提高学生实际动手解决问题的能力。为此构筑了大赛与科研相结合的专业课教学模式，促进了多层次、多渠道的导师制和产学研相结合的创新人才培养模式。多层次是指针对不同年级的学生开展不同类型的项目设计。通过导师与学生双向选择，低年级参与以兴趣引导、基本技能训练为主的认识和设计型实践，高年级参与项目或竞赛的综合型和研究型实践。多渠道指产学研结合，打破单一的课内教学模式，将课外实践纳入人才培养体系。通过与企业合作建设实习基地，派遣学生参加实习，提高学生解决问题的能力[5]。大赛与科研相结合的专业课教学模式有利于课程理论、实际科研与实战能力的全方位培养。

五、结语

地学三维可视化与过程模拟课程以地质信息科学为学科基础，依据教学实际情况，按照“理论—模型—建模—可视化方法—可视化分析技术—可视化实现工具—过程动态可视化”逐渐由理论走向实践的思路，完成了教材编写，目标是实现地质科学知识与计算机技术的有机融合，为专业培养方案起到承上启下的作用，可操作性强。专业主干课程结合实际运行的应用软件进行案例讲解，上机实习采取高仿真的“模拟项目”的教学方式。学生自主实战训练，组成项目研发小组，完成整个项目的研发，并取得了较好的效果。本课程为“空间信息与数字技术”专业的发展发挥了应有的作用，所选取的教学内容和采取的教学方式对促进相似专业领域的教育教学思想完善起到了很好的示范和借鉴作用。

参考文献：

[1]张明华，唐宁，邬群勇，等.“空间信息与数字技术”新办专业建设与实践[J].高等理科教育，2010，90（2）：42-46.

[2]吴学文，满旺.国内空间信息与数字技术专业培养方案的对比与分析[J].测绘通报，2013，（5）：108-114.

[3]吴冲龙，刘刚，田宜平，等.地矿勘查信息化与地矿信息科技学科建设[J].中国地质教育，2005，（01）：32-35.

[4]吴冲龙，毛小平，刘刚，等.论地质信息科学[J].地质科技情报，2005，24（03）：1-8.

[5]张冬梅，王媛妮.空间信息与数字技术专业复合创新型人才培养研究[J].教育教学论坛，2016，（24）：157-158.endprint