基于三维数字露头模型的野外地质教学方法探讨

王 冉

长安大学 地球科学与资源学院，陕西 西安 710054

教育不光要注重内容，还要注重形式[1]。计算机辅助教学（Computer Aided Instruction，简称CAI）作为一种在计算机辅助下进行的各种教学活动的重要形式[2]，近40年来取得了长足发展，形成了现在流行的多媒体计算机教学，它具有能够综合处理文字、图像、声音、图形的能力，显示了计算机在教育方面的非凡才能[2-4]。其中，利用计算机模仿真实现象(自然的或人为的现象)并加以控制是非常重要的一个方面[2,4]。

就地学而言，尤其是地质学，物质运动的时间尺度较大，多以百万年（Ma）计算，可视为静物或者刚体。为了方便和包容性教学[5]，前人早期进行了一系列关于虚拟野外旅行（Virtual Field Trip，简称VFT）方面的探索[6-10]，但多注重虚拟效果的演示，数据的获取方式仍然停留在人工方式，而不是真三维遥感。近年来，三维数字露头模型（Digital Outcrop Model，缩写DOM）[11]的出现为地质学的三维数据的获取和显示带来了新的契机。笔者应用SfM（Structure from Motion，译为运动恢复结构）和激光雷达（LiDAR）技术进行了DOM重建实验，取得了一些进展[12-15]。尔后，笔者将这一新的技术应用到西安高校地学专业经典实习露头—口镇断层[16]，得到的三维场景模型能够较好地反映断层地貌和地质特征，并进行了教学实践应用，效果较好，有效提高了教学质量，降低了野外劳动强度和风险。

一、野外教学内容的选择

口镇—关山断层是多期构造活动产物，早期至少可追溯到燕山期的褶皱冲断作用，致使断层部分地段倾角低缓，小于45°，可与北侧前三叠纪地层的强烈褶皱变形配套[16]；晚期发育在新构造期，转变为伸展构造系统，整条断层的结构表现出一条正断层系统，成为鄂尔多斯活动块体和渭河活动盆地之间的一条边界断裂，也是一条发震构造，地震活动监测显示沿着断层有仪器地震记录，目前尚无破坏性地震报道；变形监测显示口镇—关山断裂现今仍以0.75mm/a的速率正倾滑，并沿断裂走向有张性地裂缝发育[17]。

该条断层在口镇地区出露最好，断面上有不同期次方解石新生薄膜，厚度较小，0.5～2cm不等，偶见擦痕阶步。断层露头产状：179°∠40°～50°。目的地位于泾阳县口镇，从西安市出发驱车经国道211可达。露头处地势起伏较大，地貌以近东西向断层线、断层面和盆地边缘沉积以及近乎垂直于断层走向的山区基岩障谷和盆地松散堆积物峡谷为主，向北为狭窄的河道，向南逐渐变为开阔平地。夏季水流已干涸，植物以较矮小的灌木为主。口镇位于南北向河谷东侧，构造上处于断裂上盘（山麓平台）。

鉴于此，口镇断层露头点一直都是西安市设有地质地理类专业高校的经典野外地质路线和露头[16]。长安大学、西北大学、西安科技大学、西安石油大学等高校大一地质认识实习均选择在此处进行。

二、三维数字露头模型助力野外地质教学

1.资料调研

在进行实地考察之前，需要对目标点进行踏勘观察，以决定选择后续的数据获取方式。因而首先要在室内检索文献，以了解目标露头的自然地理、交通和地质等概况。交通路线的设计可以用电子地图（如谷歌地图）或纸质地图完成。露头目标的寻找可凭借遥感影像目视解译完成。

2.露头三维场景重建

DOM概念最早可见于国外地基激光雷达生成地层模型并进行储层和构造解译的研究中[11]，DOM的应用也随之如雨后春笋般涌现。本文探讨的DOM，有两种点云数据获取方式：一种是利用激光雷达（LiDAR）技术；另一种是依靠运动恢复结构（Structure from Motion，缩写SfM）。

LiDAR目前可以获得mm尺度的点云，这些点云是目标属性（X，Y，Z，I）的集合，只有空间坐标值和光强值，没有目标物体光谱信息。不过，可以对目标进行拍照，选择特征点匹配，通过数据融合的方式增加真彩色信息[13]。搭载平台可以是无人机，也可以是各种交通工具，以背包最为便捷。

SfM方法仅需普通单反相机，生成的点云具有空间坐标(X，Y，Z)和真彩色RGB信息。实践SfM方法的前提是获得场景目标的高质量的影像集[14-15]，以新近在地学中的应用进展做参考[18]。

不论是激光雷达获得的点云数据还是用序列照片生成的点云，后期DOM的重建方法都是类似的。针对选择的教学实例，进行DOM重建，效果如图1a和图1b所示。在DOM上，可以获得目标的形貌参数，如构造几何学关心的各类面理的产状。

图1 陕西口镇断层DOM展示效果a.DOM侧视图；b.DOM俯视图；c.录屏软件中进行标注的截屏

3.视频生成和讲解加载

该过程是不同专业的地学教师对同一DOM进行各专业学科信息的提取和再现。在生成DOM之后，可以进而制作不同比例尺、不同视角的浏览视频（图1c），并针对DOM上的感兴趣区进行具体的标注和讲解，如地貌、岩性和构造等。这一过程还包括各专业教师对同一DOM不同方面知识的语音加载，需借助录屏软件完成。

4.室内视觉和操作体验

学生对加载了教师知识讲解内容的DOM视频进行观看，之后可以对DOM进行各类浏览、查询、旋转、量测等操作，通过视觉效果，加深感性认识。同样可以测量目标的形貌参数，并根据真彩色信息和地形差异特征初步判断岩性。在野外观察时，地球是相对静止的，活动的是观察者；但在室内观察时，人已不能置身影像中活动，想要达到身临其境的效果，就必须让图像展示出三维立体的效果，并让它动起来，由远及近，由近及远，反复变换尺度；由高到低，由低到高，反复变换视角，还可以出现俯瞰视角，这是野外地面观察不具备的。

5.野外再体验

在室内充分做好前述各项环节之后，可组织野外再体验，进行一些影像上无法完成的工作，比如打开岩石新鲜面、用小刀刻画岩石等方式以观察岩性、采样等。当然，对于影像上感兴趣的构造，在人工可达的位置，可以在野外用罗盘等测量产状，用直尺测量长度，用于验证影像测量得到的形貌参数。

6.露头内容的反馈与修正

不论是LiDAR还是SfM得到的点云，都可能出现局部数据缺失的情况，这在野外现场露头数据采集的过程中是无法全部预料和控制的。因此建立的点云总是存在空洞和局部稀疏的情况。因此露头数据需要人工检查之后，再补充野外露头影像和点云数据的采集，室内重新重复前述第二个环节。这项工作也可以由学生来完成。

7.室内外练习研究

完成前述六大环节之后，实际上工作已经闭环。但对于学习而言，尚需多加练习，可以反复重复前述的第四、五环节。

三、关于真三维数字露头模型优点的讨论

观察是科学研究的首要环节，然而地质学的实验室在野外那广阔天地间，像物理学家那样泡实验室看似不大可能，但真三维数字模型却让地质学家如愿以偿。上述教学模式可被看作一种计算机辅助教学（CAI），它为学生提供一个良好的个人化学习环境。综合应用多媒体、超文本、人机交互、网络通信和知识库等计算机技术，克服了传统教学情景方式上单一、片面的缺点[1-9]。它的使用能有效地缩短学习时间、提高教学质量和教学效率，实现最优化的教学目标。对于地学类的教学而言，真三维的DOM场景重建至关重要。这里通过与传统人工填绘的二维地形地质图以及2.5维的模拟场景进行对比，即可显示真三维DOM的优势。

1.与传统人工填制二维地形地质图的比较

截至2019年，得到最广泛应用的地质图仍然是人工填制的二维地形地质图。然而人工野外调查的方式留下了若干空白，毕竟仍有大量人力不可达的地区。唐朝诗人贾岛面对秦岭深处安业县（现镇安县）的山势险要，写出了“一山未了一山迎，百里都无半里平。宜是老禅遥指处，只堪图画不堪行。”（摘自《题安业县》）的诗句。寥寥数语，点破了人力实地踏勘之艰辛，甚或不可达的情况。这说明了在复杂地形等“不堪行”之调研条件下，非接触的感知方法（星—空—地遥感）几乎是对地观测过程中不可替代的重要途径。另一方面，在野外现场，观察者依靠自身的科学理论和实践经验，来提取客观对象蕴含的且观察者感兴趣的信息，如构造信息、岩性信息等。这一过程中，“看”和“见”是合二为一的。“所看”并未得到真实记录，而记录的仅是感兴趣的“所见”。这种方式获得的信息不仅不完备，同时也是离散的点，有盲人摸象之嫌。

考虑到DOM的实现主要通过摄影测量法或激光雷达技术生成，既可人工地面操作，也可以通过无人机搭载，只是部分标识点需要RTK-GPS进行人工测量。因此，DOM基本上承袭了遥感的宏观、全面、及时和遥测等特点，能够克服人工获取地物数据的不可达性、片面性和离散性。

2.与2.5维模拟场景的比较

现阶段星—空遥感和DEM（数字高程模型）数据仅能提供最多2.5维的构造信息[19]，且空间分辨率大多为m级。另一个限制星—空遥感在露头研究的因素是野外露头多为近直立的岩壁，平面信息表达较少，这大大制约了高分辨率真三维的露头重建。现阶段大多数野外场景平台[20]均建立在这种2.5维数据的基础上。

幸运的是，新近发展起来的SfM方法和激光雷达技术等为突破这一瓶颈带来了契机，它不仅能够提供mm级的空间分辨率，而且更重要的是实现了真三维[18]。DOM是这种真三维露头信息的表达和组织载体[12]，它有助于真实地反映实际露头表面，以便室内反复的信息提取、整合，还可以利用地质剖面点坐标法[21]，从DOM生成任意方位的地质剖面。类似于DEM等数字化的对地观测数据，DOM是一种重要的数字化产品，不仅可用于构造地质学研究，而且可以用于地表地质学和地理学等领域。

四、结论

教育内容赋载的客观方式决定了其传播和受众广泛性[22]，未来的方向是通过各种手段尤其是通过CAI提供更多免费的优质教育资源，国家现阶段也正在推行教育信息化[23]。通过分析讨论，我们可以得出如下几点认识：

（1）基于DOM的野外地质教学承袭了遥感技术的全面、宏观、及时的特点。

（2）基于DOM的野外地质教学应至少包括七个环节：资料调研、露头三维场景重建、视频生成和讲解加载、室内视觉和操作体验、野外再体验、露头内容的反馈与修正、室内外练习研究。

（3）基于DOM的野外地质教学，可采用消费级相机摄影的SfM方法和激光雷达等多种技术，较之于人工观察，不仅能够多快好省地利用获取地质数据，而且能够不断完善露头数据库并反复练习研究。

概言之，教学实际上是教师和学生通过具体知识为媒介进行互动的过程，而知识实际上是一种系统化结构化的信息。知识的生产过程包含了数据获取、记录和呈现、基于数据的信息提取、组织、呈现等环节。在任何一个环节进行数字化都将有助于教学质量和效率的提升。三维数字露头模型的建立使得师生能够在计算机显示器上以任意视角和尺度观察地质活动的产物；未来需要做的是，以地质理论模型为指导，用计算机模拟地质学家想象的地质演化过程，以时间为轴，从初始的历史的三维场景到现今的三维场景，形成一个动画。这其实是一种溯因，一种从现象观察到理论引入到成因回溯的逻辑推理[24]。随着信息技术的发展，这种三维场景的动画，可能会在不久的将来得以实现，从而进一步丰富地质教学的形式。

致谢：长安大学李庆春教授和马见青副教授提供了RTK-GPS设备上的帮助，北京数字绿土公司提供了其先进产品背包式激光雷达，长安大学众多研究生和本科生参与了教学试验，限于篇幅不一一列出，谨表谢忱。