周口店野外地质三维信息平台建设与实践

2018-01-03陈建平郑彦威姚书朋邱俊秀

中国地质教育 2017年4期

关键词：中国地质大学系统建设

田毅，陈建平，郑彦威，姚书朋，邱俊秀

1.中国地质大学(北京) 土地科学技术学院，北京 100083；2.中国地质大学(北京) 地球科学与资源学院，北京 100083；3.北京市国土资源信息研究与开发重点实验室，北京 100083

实践教学

周口店野外地质三维信息平台建设与实践

田毅1,3，陈建平2,3，郑彦威2,3，姚书朋2，邱俊秀1

本文针对大学生野外地质实习中存在的基础图件管理难、空间概念建立难、地质现象认知难的问题，按照地质实习的要求，提出了一套综合性地学野外教学辅助信息平台的建设方案，并以北京周口店为例开展了相关的实证研究。研究表明，建立独立的三维实体互动操作平台，可以有效地丰富野外地质实习的教学方法与教学手段，促进学生综合性、时空性地质观的培养。

野外地质综合实习；操作平台；三维；教学辅助系统

一、引言

“地质学”是一门实践性和探索性很强的科学，野外地质实习作为“地质学”专业教学的重要内容，是培养集知识、能力和素质于一体的高素质地质人才的关键实践性教学环节之一，也是“地质学”理论教学的延续。通常，我国高校的野外地质实习要求学生通过对基本地质现象的实地考察和现场实践, 掌握野外地质工作方法，初步建立正确的地质思维，掌握造岩矿物、常见岩石与地层的野外识别方法，观察地壳中小尺度构造形态和类型，掌握地质填图的基本方法，提高学生对典型地貌和地质构造的判断、勘查能力，会编写地质报告，为其今后从事地学及相关行业工作打下坚实的基础。因此，从空间观、分形观入手，分析地质现象与本质间的关系，全面构建三维野外地质思维、树立大地学发展观一直是野外地质实习的重点与难点[1-2]。简言之，要求学生能够从地质体的几何形态、空间方位以及空间尺度等方面，建立多视角、多内涵的空间概念，并能对任一地质现象进行理论表述、露头观察、构造样式与关系进行分析。进而，熟悉该地质现象的表征、成因及影响，达到透过现象认识本质的学习目的。

近年来，为适应各类地质工作综合化与现代化发展的需要，利用现代测绘技术、计算机技术、数字电视技术和地理信息技术的数字填图实习蓬勃发展，如中国地质大学(武汉)应用GIS技术，在Microsoft Visual Studio 2008软件平台上开发出一套地质填图实习计算机辅助系统，中国地质调查局发展研究中心、西北大学、长安大学、东华理工大学、黑龙江省地调总院等单位开展的多种数字填图系统建设。还有一些院校或研究所则基于虚拟实验室思想，借助互联网地图技术，建立虚拟地质实习平台，为地质实践教学服务。如山东理工大学资源与环境工程学院、中国地质大学(武汉)（2015）基于 Android系统的Baidu Map SDK技术，开发出可在手机上运行的野外地质实习辅助系统,实现了实习路线管理、地图浏览、地质现象照片浏览等功能；中国石油大学（华东）采用百度地图API框架建立虚拟野外地质实习系统，实现了野外地图导航、实习路线管理、地质构造三维模拟等功能[3-5]。

然而，纵观已有的野外地质实习平台，虽卓有建设成效，但受平台开发成本、运行环境、基础数据等限制，距离引言中所说的通过实习，可以使学生建立一定地质空间观与分形观仍有一定的差别。例如，借助专业GIS开发的实习平台采购成本、使用成本双高，且需学生实习前先要学习该专业GIS软件，无形增加了实习的经济与时间成本；采用网络或手机技术开发的实习辅助系统，则在野外复杂环境或无网络覆盖时难以稳定使用。另外，现有辅助系统中的实习内容、成果表述多为二维模式，即便采用三维浏览，也是基于DEM或TIN的面三维，与野外实习中地质体的真三维、实体化表达要求也有一定差距。

显然，构建一个脱专业平台、真三维的野外地质综合信息系统无疑具有重要的现实意义。为此，笔者所在团队依托教育部“周口店国家大学生校外实践教育基地”项目，探索在传统野外教学方法基础上，从三维化、信息化与可视化等方面探索野外地学教学辅助平台建设的技术与方法。

二、需求分析

分析地质野外实习的教学目标与教学内容可知，地质实习辅助系统作为教师野外示范教学的重要补充与辅助手段，其建设中需要重点解决：（1）地质知识二维学习的挑战，主要表现为地质体的空间表征从图片或野外人眼的视角，难理解、难表述、难研究，导致所学知识缺乏空间特征；（2）地质实习内容的点-线-面分开的挑战，主要表现为地层、岩性、构造等的单点学习清楚，但区域三维综合特征凝练难，难以将所学有机融为一体，无法为全面认识区域地质现象服务；（3）野外实习地质资料的管理、查阅的挑战，主要表现为地质图、地形图、DEM、航片等多源、多尺度、多形式、多类型的实习资料综合管理与查询难；（4）资源环境联合型地学观构建的挑战，主要表现为学生在学习综合地质知识后，如何认识地质资源、环境与人类活动之间的关系，有效提升实习成果、构建地学思维观。

对于上述挑战，笔者所在的项目组经过调查中国地质大学（北京）周口店野外地质实习实际后提出，构建一个虚拟的脱专业平台、互动性强、无需网络辅助的系统，可以真三维实体展示实习对象特征，以及可以对实习结果多方法输出，同时容易进行实习要求与实习内容的更新、进行系统本身的维护，是野外地质实习辅助系统建设的首要要求。其次，该系统还应可以将与实习相关的多源、多时空的地形、地质、矿产等数据装入系统并能进行统一管理与查询，为学生创新性、创造性与实践性的学习提供帮助。因此，野外地质实习辅助系统建设的具体要求可以归纳为以下几点：（1）实用。要求系统可结合野外地质填图的实际过程，为用户提供必要的数据格式、坐标转换功能，系统提供的相关基础数据资料应真实可靠，精度可以满足实习要求。（2）安全。要求系统具有较强的容错能力，软硬件要求低，可适应野外复杂环境；同时，系统采用分级式安全管理，确保地质实习资料的保密与安全。（3）通用。要求系统采用面向对象设计，有简单直观的人机交互界面，使学生容易上手使用；同时，数据记录方式与内容具有通用性，便于教师在实习区域调整、实习内容变化时，可随时更新系统内容。（4）可视。要求系统可实现操作可视化、计算过程可视化和分析结果可视化，便于学生按照创新性学习的要求，进行交互式探索学习，树立大地学观。

三、实证研究

1.建设概况

周口店野外地质实践基地自1954年创建，先后为国家培养了大量的地质专业人才。进入21世纪后，该基地野外地质实习在保持原有地质教学路线前提下，结合新一轮国土资源大调查，开辟了环境地质、灾害地质等数十条拓展路线，以满足21世纪国家对复合型地学人才的需要。基地在原有的野外地质调查“老三件”（锤子、罗盘、放大镜）加“两张图（地质图、地形图）的基础上，引入GPS、数码相机、笔记本电脑等实习设备，建设岩矿标本室、图书资料室，录制实习路线视频，实习条件大大改善，实习手段与方法也得到了极大丰富。

为进一步推进基于时空观、系统观的野外教学实改革，中国地质大学（北京）教务处与地球科学与资源学院牵头，土地科学技术学院、信息网络中心、北京市国土资源信息研究与开发重点实验室及北京博观慧智传媒科技有限责任公司共同参与，于2014年7月～2016年12月开展了北京周口店野外地质综合信息平台建设（表1）。希望通过该平台，为有效管理基地的地质实习多种素材，为学生提供可重复、可虚拟的拓展性学习，将地学空间观、分形观理念授予学生而服务。

表1 项目实物工作量概览表

系统开发的具体内容、方法与流程（图1）如下：

（1）“天地空”实习区基础数据采集：主要是借助“3S”（GPS+GIS+RS）技术，实测采集、收集整理周口店地区的地理、地质信息，覆盖北至羊耳峪，南至孤山口，东至房山，西至上方山，为平台建设及野外实习提供可靠的数据支撑。

图1 平台建设过程

2.建设结果

经过近3年的建设，建成的平台（图2）可以让学生全面认识实习区的区域地质概况，可按实习大纲进度要求，在计算机上虚拟再现野外地质现象，提示实习要点，理解野外地质现象，掌握实习的内容，加深实习成果认识，为最终实习报告的编写在计算机上提供全新帮助。同时，平台结合周口店野外地质实习讲解内容，开发的VRP多源多尺度空间数据的交互透视浏览功能、地层剖面自动切割-图切剖面绘制功能等，则可向师生提供实习区的典型区域、典型路线及典型地质现象的模拟学习、交互查询及三维实景展示。例如，对于太平山西坡大型滑坡体，系统提供的地面影像、地表地质露头及地下地层构造与岩浆岩任意方向图切剖面，便于学生在基础地质野外实习认识的同时，从地形、地貌、构造的角度，思考该灾害体发生机理、治理手段，达到学源于实际，用归于实地的效果。

四、结论与讨论

本文结合野外地质实习要求，论述了北京市周口店野外地质实习综合信息平台建设思路与建设方法。已建成的系统2016年试用于中国地质大学（北京）地质与地质拓展专业4个班的实习后，获得了师生们的好评，认为：该系统是一个智慧型“数字地学”信息资料库，可实现实习资料野外管理与查询引用、实习内容更新由难变易；系统提供的独立互动操作平台，可让学生的地质现象认知、综合能力提高由难变易；以及系统提供的实习虚拟系统对于学生地学空间观的建立帮助较大。当然，考虑到该平台对于计算机硬件（如内存）的要求，平台今后还将在系统结构优化、数据管理优化、地质现象真三维模拟优化等方面多做工作，进一步完善系统功能菜单，确保其使用简单、实用、流畅，从而更好地为我国野外地质实习的现代化提供支撑与帮助。