数字填图技术与地质野外实践教学的深度融合

申添毅

中国地质大学（武汉） 地球科学学院，湖北 武汉 430074

野外地质教学实习是地质类专业本科生的必修课程，通过野外实践，可以使学生巩固课堂基础理论知识，初步掌握野外地质工作的基本方法，帮助学生开始构建科学的地质学研究思维体系。特别是大学二年级后开展的综合地质实习，可以帮助学生掌握区域地质调查的基本方法和步骤，引导学生把抽象的理论知识与实际的地质现象联系起来，提升同学们观察问题、分析问题、解决问题的能力，初步培养科研能力和科研精神，为今后的野外及科研工作打下坚实的基础[1]。因此，各大地质院校均十分注重高质量地完成野外综合地质实习教学，不断总结教学经验、改进教学方法，并引入最新的技术方法（例如数字填图技术），来提升教学质量。

传统的野外地质实习教学多采用“灌输式”模式，即教师手把手教学生如何进行野外描述与记录，学生根据教师所讲内容进行观察描述、编写报告[2]。这种方式不利于培养学生的自主学习能力及创新能力。许多高校及教师针对这一问题，开始不断改革教学方式，包括“以学生为中心”的自主探究模式[1,3]、互动式教学模式[4]，基于OBE理念的教学模式[5]等，力求真正锻炼和提高学生的地质思维、创新和科研能力。在实际教学过程中最为棘手的问题通常表现为学生初次接触系统的地质实际，课堂理论如何与野外实际发生联系，对初学者来说是个挑战，会显得有些无所适从。因此不管采用何种教学模式，如何帮助引导学生尽快适应这种结合，使课堂知识点有效融入野外实际，是野外实习教学首要解决的问题，而具有引导功能的数字填图系统可以在这一过程中发挥重要作用。

2004年以来，数字地质填图系统在我国区域地质调查工作中开始全面推广，标志着我国区域地质调查工作进入数字化时代[6-8]。目前这套数字地质填图系统以地质填图的空间数据表达为基础，遵循传统地质填图的客观规律，创造性地建立了PRB数字填图技术，对地质观测内容做了非常系统的规范化的条目要求， 使得地质工作者可以在野外全面和准确记录各项地质观测数据以及地质体的空间关系[6]。因此，通过学习数字填图系统的操作流程，可以帮助学生进行野外地质路线及地质内容的观察和描述，从而掌握野外地质工作的方法。虽然数字填图系统的教学在多个高校的综合地质实习中均有所涉及，但是相关教学内容侧重于软件的操作使用[9-12]，导致数字填图与实践教学只是在形式上完成了统一[13]，未能在教学中将这套软件所蕴含的地质思维和方法学真正地让学生理解，而后者也正是学生们通过野外实习需要了解的核心内容和达到的根本目的。本文基于笔者近些年来野外地质填图及本科生综合地质实践教学的经验，通过介绍和分析数字填图系统的野外工作流程及学生在野外实习中出现的常见问题，对数字填图系统如何提高野外地质综合实习的教学效果进行了挖掘。

一、数字填图系统的野外操作逻辑及流程

数字填图系统遵循传统地质填图的方法，将地质体之间的空间关系及属性信息进行数字化，其核心技术为PRB过程[6]。P过程为地质点（point）过程，指的是在野外对路线中发育的地质界线、重要地质构造或接触关系等内容进行定点观测的过程；R过程为分段路线（routing）过程，为两个地质观测点之间的实际分段路线描述记录的过程；B过程为点上或点间界线（boundary）过程，是对地质点上或两段点间路线之间的地质分界线进行描述的过程。数字填图系统通过使用实体点、网链和全链或几何拓扑环分别对地质点、分段路线和点间界线进行数据建模和组织，实现对野外路线观测到的各种地质现象进行定义、描述、分类、聚合和归纳，从而将野外地质信息转化为数字化信息[6]。

从上述可以看出，PRB过程的基本组合规则完整直观地体现了野外地质工作的基本方法体系（图1）。地质点P是PRB的核心过程，任何分段路线R过程及点间界线B过程均要隶属于一个P过程。这相当于传统野外地质工作中，在野簿上的记录要以地质点为起始。一个P过程可以包含若干个R过程和B过程，代表了野外地质工作中地质点之间的多个岩性段，以及岩性界线或构造界线的现象。同时对于一个R过程（一个点间分段路线），又可以包含若干个B过程，即分段路线两端均不是、只有一个或均是地质分界线。若某一点位出现多个岩相界线或多条构造线通过，则可以出现多个B过程。在PRB过程中，产状、化石、样品、照片、素描等对象可以在任意过程中进行插入。

图1 PRB过程野外操作流程（虚线框内为基本工作流程）

在数字填图系统中，针对PRB过程提供了相应的数据结构，每个要素的数据结构均涵盖这一过程需要采集的所有信息（表1）。例如，P过程的属性结构包括点号、点位、露头性质、风化程度、点性、岩性代号、接触关系等；R过程的属性结构则包括路线方位、分段距离等；B过程的数据还需要记录界线类型、产状等要素信息。

表1 PRB过程数据采集实体图层说明及属性编辑界面

上述PRB地质过程不仅能够满足区域地质调查野外数据采集所需要的计算机处理最基本的结构化信息，而且能够保证地质工作者全面和准确地采集野外观察信息，而后者也是我们希望通过野外实践教学能够让学生达到的目标。因此，在野外教学中通过借助数字填图系统，可以使得教学工作更好地开展。

二、数字填图软件对野外实践教学的辅助意义

本科综合地质认识实习是学生学习地质野外工作方法、初步构建地质工作思维的重要过程。在野外路线教学过程中，借助数字填图软件，可以使学生更好地理解和掌握教学内容，从而获得更好的教学效果，达到事半功倍的作用。该软件对于野外教学的辅助作用主要表现在以下几个方面。

1.规范野簿记录

野簿是专门用来记录野外地质现象的观察内容，是野外工作的第一手资料。野簿的记录应当做到实事求是、条理清楚、信息全面，能够体现或回溯整个野外的工作进程及观察到的各种地质现象。在野外教学实践过程中，学生们在记录野簿时往往会漏记很多基本信息，例如，在地质点的记录中缺失点位、露头、点义、风化程度等信息，在地质界线或断层界线的描述中忘记测量相关的产状信息，在点间路线的描述中记录不连续或信息缺失等。此外，同学们在野外路线中喜欢使用野外照片代替素描，但是在记录时常常忽略最重要的两个内容：照片名称及镜头方向（表2）。这些信息都是野外资料收集中的重要的基本信息，其信息缺失往往造成后续室内分析不可弥补的缺憾。而这些内容均是数字填图系统PRB过程中必须获取的数据基本属性信息，因此在学生记录野簿的过程中，通过借助数字填图系统在野外定点、画线，不断提醒自己每一个地质点或每一条地质界线、分段路线上需要记录和描述内容的齐全程度，从而规范野簿的记录，保证记录的内容的完整和准确。

表2 野外地质教学中学生们普遍存在的相关问题及数字填图系统的解决方法

2.理清点与点之间的逻辑关系

在野外教学过程中，每当停下来要观察某一个露头，学生问得最多的就是“这里需要定点吗”，也有很多学生弄不清楚“地质点”与“点间点”之间的联系。在野簿中常会看到学生将点间分段路线的内容与点间界线的内容混在一起，不能很直观地从野簿的记录中读出地质界线的存在及特征，甚至缺失点间界线的信息（表2）。在数字填图系统中，软件将一条路线简化为若干PRB过程的组合，弱化“点间点”的表述，而强调“沿途”（分段路线R）和“点间界线”（B）的概念。这也是更为合理的逻辑关系，两点之间的内容只需要通过分段路线及其之间的地质界线来联系（图1）。在野外路线的观察过程中，我们一直对学生强调要注意观察岩性的变化或构造的发育情况，如果出现了岩性的变化，在达不到定新地质点的标准时，就需要用“点间界线”进行分割。在数字填图系统的操作中，需要首先完成一段R过程（代表走过的这段路线），然后添加B过程（代表所观察的岩性分界线），而这两个过程均附属于上一个点，映射了点与点间之间的逻辑关系。同时，地质点（P）与点间界线（B）之间的分段路线（R）是不可或缺的，否则会产生逻辑上的错误。这种设计也可以指导学生的野簿记录，特别是对点间内容的记录。在看到点间界线后，需要在野簿中先描述上一段路线沿途所看到的岩石岩性，再记录点间界线的内容，从而保证通过野簿的记录可以方便快捷地回溯野外的工作进程。

3.加强产状、素描等信息的采集

野外工作是地质学研究中最重要最基础的工作，通过野外调查可以获取丰富、客观的地质信息和数据。野外地质体的产状测量、典型地质现象的照片和素描均是必须采集的重要地质信息。这些素材越丰富，越有利于后期工作的开展，因此必须要通过野外教学，让学生养成多测产状、多拍照片、多画素描的良好习惯。野簿的记录并不能非常直观地反映出已测产状或已有照片素描的位置及数量，借助数字填图系统的可视化界面，可以很清晰地知晓所获数据的数量、密度及丰富程度，从而督促学生自己对这些素材进行补充采集，逐渐培养学生的良好野外工作习惯。

4.培养空间方位感

无论是室内教学还是野外教学，良好的空间方位感是学生理解和掌握课程知识的必备技能，然而在教学过程中大部分的学生均暴露出较弱的空间方位判别力。而地质学又是一门与空间方位息息相关的一门学科，因此，通过野外实践教学培养学生的空间方位感也是一项重要的任务。学生的空间方位感较差主要表现在两个方面：一是无法迅速辨别东南西北方位，特别是在野外路线沿着山势盘旋而上时，很难分辨路线的前进方向，从而影响对地质体产状或延伸状态的判断；第二就是很难正确建立地质体产状的空间方位和空间关系，对不同地质体之间的接触关系常常不能很好地判断。这些问题的解决需要借助相关的工具，除了罗盘、手机的定位软件，特别是导航或地图软件可以很好地帮助学生找到所处位置的空间方位，确定自己的运动轨迹，但是这些都不能很好地展示地质体的延伸和空间关系。而数字填图软件中可以叠加地质图、遥感影像图、地形图等基础地形地质图件，有利于准确标定自己所处位置；同时通过进行PRB过程的操作，可以将所观察的地质界线绘制在对应的位置，从而更加直观地掌握地质体的展布特征及不同地质体之间的相互关系，帮助学生理解不同地质体之间的接触关系。

三、数字填图软件应用到野外教学的可行性

近些年来，随着软件的开发迭代以及手机操作系统的不断升级，最新版的数字填图系统野外数据采集软件基于Android手机操作系统开发，任何具有GPS和拍照功能的Android系统的手机均可以安装运行，而且软件可以在中国地质调查局发展中心官方网站上进行免费下载。2019年，Android系统的手机市场占有率为87%，在学生群体中也受到广泛的欢迎。因此，基本上大部分学生均可以便捷的在自己的手机上安装并运行该套软件。因而，无论是硬件还是软件都能保证在野外教学中开展相关教学的可行性。同时，该软件的界面美观、操作简单、功能集成度高，无论对于老师教学还是学生学习，均不需要付出过多的时间来学习软件的操作方法。结合软件提供的操作手册，学生可以通过简单自学与摸索迅速掌握其操作方法与流程。此外，数字填图软件手机客户端与桌面客户端所使用的文件类型可以通过桌面客户端软件一键无损转换，方便后期学生使用电脑浏览、修改野外采集的数据和信息。

四、总结

数字填图系统将野外路线观测描述的地质现象的复杂过程抽象为PRB过程，实现了野外路线观测过程的数字化，软件的操作过程也是对于基础野外地质工作过程的映射。因此，在地质野外实践教学过程中，不能简单将其作为一个软件工作，而是应当深挖其背后蕴含的地质思维和逻辑，将该系统作为野外地质教学过程中的重要辅助手段，真正使数字填图与实践教学做到深度融合，从而帮助学生更好地理解和强化野外地质学研究的方法和流程，规范野簿内容记录，理清野外工作的思路，加强野外数据的采集，培养空间方位感，从而保证野外教学的质量和效果。数字填图系统作为较为先进的野外工作技术手段，不仅可以极大地拓展学生的认知领域，还能提高他们自主学习的兴趣，激发他们的探索和创新能力。因此，将数字填图系统软件引入到野外地质教学中是适应新技术发展的需要，也是时代进步的必然结果。