野外地質(zhì)實(shí)習(xí)基地信息化實(shí)踐教學(xué)輔助平臺(tái)研究

唐章英+王成武+張廷山+卿鳳+汪宙峰

（西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 610500）

摘要：本文探討了以西南石油大學(xué)野外地質(zhì)實(shí)習(xí)基地為研究對象的信息化實(shí)踐教學(xué)輔助平臺(tái)建設(shè)。結(jié)合三維激光掃描與地理信息系統(tǒng)技術(shù)，完成了野外地質(zhì)實(shí)習(xí)基地地質(zhì)地貌信息化建庫，搭建了野外地質(zhì)實(shí)習(xí)基地實(shí)踐教學(xué)輔助平臺(tái)，將野外實(shí)習(xí)與虛擬實(shí)習(xí)有機(jī)結(jié)合，有效地提高了地學(xué)類專業(yè)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)實(shí)習(xí)；數(shù)據(jù)；信息化；實(shí)踐教學(xué)輔助平臺(tái)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）21-0037-02

一、野外地質(zhì)實(shí)習(xí)基地信息化建設(shè)的意義

野外地質(zhì)實(shí)習(xí)是地質(zhì)實(shí)踐教學(xué)的“核心”，是培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，提高分析和解決實(shí)際地質(zhì)問題能力，培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)、創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力的重要途徑。但長期以來，野外地質(zhì)實(shí)習(xí)的教學(xué)主要采用老師帶學(xué)生實(shí)地野外路線觀察的方式，受到時(shí)間季節(jié)與天氣狀況影響、地質(zhì)觀察點(diǎn)地形環(huán)境復(fù)雜、信息查閱不方便、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)編輯載體落后等因素限制，不能有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而影響實(shí)踐教學(xué)的效果。為了響應(yīng)國家對教育信息化建設(shè)的要求，實(shí)現(xiàn)我校地質(zhì)實(shí)習(xí)基地資料成果的信息化管理，加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)手段和教學(xué)方式的信息化建設(shè)，提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，針對我?，F(xiàn)有地質(zhì)實(shí)習(xí)基地，設(shè)計(jì)和開發(fā)野外地質(zhì)實(shí)習(xí)基地信息化實(shí)踐教學(xué)輔助平臺(tái)。

二、野外地質(zhì)實(shí)習(xí)基地信息化建設(shè)的基本思路

本項(xiàng)目以國家教育信息化為指導(dǎo)，以發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性、充分鍛煉學(xué)生動(dòng)手能力為根本，基于教育心理學(xué)規(guī)律，結(jié)合國內(nèi)外實(shí)踐教學(xué)輔助平臺(tái)建設(shè)的研究成果和認(rèn)識(shí)，進(jìn)行了野外地質(zhì)實(shí)習(xí)基地信息化實(shí)踐教學(xué)輔助平臺(tái)的總體框架設(shè)計(jì)。平臺(tái)建設(shè)將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入野外地質(zhì)實(shí)習(xí)，整合我校地理信息科學(xué)專業(yè)的資源力量，采用三維激光掃描技術(shù)獲取地質(zhì)剖面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，生成地質(zhì)剖面三維體模型。將獲取的地質(zhì)剖面數(shù)據(jù)與ArcGIS平臺(tái)集成，實(shí)現(xiàn)ArcGIS對三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的無縫支持，從而完成野外地質(zhì)地貌信息化建庫。采用B/S三層架構(gòu)模式，基于Visual Studio開發(fā)環(huán)境，DevExpress插件，GIS組件ArcEngine，借助SQL Server 2008、MongoDB數(shù)據(jù)庫、空間數(shù)據(jù)引擎ArcSDE，完成地質(zhì)點(diǎn)屬性數(shù)據(jù)庫、區(qū)域地質(zhì)背景數(shù)據(jù)庫、地質(zhì)圖數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)庫、點(diǎn)云數(shù)據(jù)庫的建構(gòu)，搭建了野外基地實(shí)踐教學(xué)輔助平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了虛擬野外地質(zhì)實(shí)習(xí)系統(tǒng)。

三、野外地質(zhì)實(shí)習(xí)基地?cái)?shù)據(jù)庫建設(shè)

1.野外地質(zhì)實(shí)習(xí)基地信息調(diào)查與歸類。野外地質(zhì)實(shí)習(xí)基地信息化建設(shè)依托我校的三個(gè)野外地質(zhì)實(shí)習(xí)基地：旺蒼野外地質(zhì)實(shí)習(xí)基地、峨眉山野外地質(zhì)實(shí)習(xí)基地和重慶北碚野外地質(zhì)實(shí)習(xí)基地，其中以旺蒼野外地質(zhì)實(shí)習(xí)基地為示范區(qū)。旺蒼野外地質(zhì)實(shí)習(xí)基地位于旺蒼縣城北十公里至四十五公里的罐子壩——雙河——英萃及國華一帶，范圍約450平方公里。通過多年來的地質(zhì)研究以及大量資料的積累，旺蒼逐漸成為地質(zhì)研究的熱點(diǎn)地區(qū)，我校也因此在旺蒼建立了實(shí)習(xí)基地，以滿足我校地學(xué)類專業(yè)的地質(zhì)實(shí)踐實(shí)習(xí)教學(xué)需求。地質(zhì)實(shí)踐實(shí)習(xí)包括了相關(guān)專業(yè)的地質(zhì)地貌認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)、地質(zhì)構(gòu)造認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)、地質(zhì)填圖實(shí)習(xí)等內(nèi)容，涉及到的資料不僅有地質(zhì)圖、地形圖等圖件，還有相應(yīng)地質(zhì)區(qū)域、地質(zhì)點(diǎn)、地質(zhì)現(xiàn)象的大量標(biāo)本實(shí)體、圖片、視頻、文本、數(shù)據(jù)等不同形式的資料。根據(jù)建庫需要，將收集到的數(shù)據(jù)分為地質(zhì)點(diǎn)屬性數(shù)據(jù)、區(qū)域地質(zhì)背景數(shù)據(jù)、地質(zhì)圖數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)幾大類，再根據(jù)實(shí)習(xí)基地的地質(zhì)地貌特征分別建立數(shù)據(jù)表和數(shù)據(jù)文件。

2.野外地質(zhì)實(shí)習(xí)基地?cái)?shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)。野外地質(zhì)實(shí)習(xí)基地?cái)?shù)據(jù)類型多樣、特征差別很大，為了有效地存儲(chǔ)支撐平臺(tái)信息化建設(shè)的地質(zhì)地貌數(shù)據(jù)，系統(tǒng)采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫、非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫、空間數(shù)據(jù)引擎相結(jié)合的方式建立野外地質(zhì)實(shí)習(xí)基地?cái)?shù)據(jù)庫。關(guān)系型數(shù)據(jù)庫以行和列的形式采用二維表結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，容易理解、使用方便。系統(tǒng)采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫SQL Server 2008存儲(chǔ)地質(zhì)點(diǎn)屬性數(shù)據(jù)、區(qū)域地質(zhì)背景數(shù)據(jù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了文檔表、照片表、巖石薄片表、視頻表來存儲(chǔ)地質(zhì)點(diǎn)屬性數(shù)據(jù)，通過ID主鍵建立地質(zhì)點(diǎn)要素與屬性之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)了界、系、統(tǒng)、組的基礎(chǔ)表和對應(yīng)的中間表來存儲(chǔ)描述地層特征的區(qū)域地質(zhì)背景數(shù)據(jù)。對于具有空間特征、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的地質(zhì)圖數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)，不宜直接采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫來存儲(chǔ)，而是利用空間數(shù)據(jù)引擎ArcSDE連接SQL Server 2008關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了年代地層、地質(zhì)界線、斷層等表結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)地質(zhì)空間信息，設(shè)計(jì)了河流、道路等地形特征、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、縣界等行政區(qū)劃的表結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)基礎(chǔ)地理空間信息。對于難以滿足數(shù)據(jù)一致性的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采用非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫來存儲(chǔ)，系統(tǒng)選用非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫MongoDB的文檔類型數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)剖面點(diǎn)圖像數(shù)據(jù)、剖面雜亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)兩類點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3.野外地質(zhì)實(shí)習(xí)基地?cái)?shù)據(jù)采集與處理。①基于GIS和GPS技術(shù)的地質(zhì)地貌信息采集。地質(zhì)圖數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)主要采用柵格地圖矢量化，首先利用ArcGIS桌面平臺(tái)對圖像進(jìn)行地理配準(zhǔn)，然后建立點(diǎn)、線、面要素對應(yīng)圖層分類矢量化地理、地質(zhì)空間信息，地質(zhì)實(shí)習(xí)點(diǎn)位置信息采用GPS技術(shù)實(shí)地采集之后導(dǎo)入ArcGIS。②基于三維激光的地質(zhì)剖面三維信息獲取技術(shù)。三維激光掃描技術(shù)又被稱為實(shí)景復(fù)制技術(shù)，能夠完整并高精度地重建掃描實(shí)物，大面積高分辨率地快速獲取被測對象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。在實(shí)地勘查地質(zhì)剖面的前提下，設(shè)定掃描儀架設(shè)測站，在各測站依次采集地質(zhì)剖面原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)。③野外地質(zhì)剖面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理技術(shù)。三維激光掃描獲取的原始數(shù)據(jù)往往具有噪聲影響，需要通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪消除噪聲，再將多個(gè)測站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接，然后進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)簡化以減小點(diǎn)云數(shù)據(jù)密度，從而快速重建地質(zhì)剖面三維模型。

四、實(shí)踐教學(xué)輔助平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

虛擬野外地質(zhì)實(shí)習(xí)系統(tǒng)需要對實(shí)習(xí)區(qū)域的各類資料和研究成果進(jìn)行系統(tǒng)地分類匯總和集成，生動(dòng)直觀地展現(xiàn)實(shí)習(xí)區(qū)域的地質(zhì)地貌，便于學(xué)生進(jìn)行虛擬實(shí)習(xí)，為此將系統(tǒng)分成數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)、信息查詢子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)。

1.數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的建設(shè)，負(fù)責(zé)對各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的錄入、編輯、顯示和維護(hù)。數(shù)據(jù)錄入包括地理空間數(shù)據(jù)的錄入，地質(zhì)剖面三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的導(dǎo)入，地質(zhì)點(diǎn)、巖石標(biāo)本、薄片的照片、視頻、文檔數(shù)據(jù)的導(dǎo)入等功能。數(shù)據(jù)編輯包括對圖形數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)的增添、修改、刪除等功能。數(shù)據(jù)顯示實(shí)現(xiàn)地圖的操作與布局，包括地圖的圖層管理、二維線劃圖展示、三維場景展示、二三維地圖聯(lián)動(dòng)、視圖縮放、布局輸出等功能。數(shù)據(jù)維護(hù)包括對數(shù)據(jù)的恢復(fù)與備份，防止數(shù)據(jù)的破壞與丟失。

2.信息查詢子系統(tǒng)。信息查詢子系統(tǒng)分為基于屬性的查詢、基于圖形的查詢兩種方式?；趯傩缘牟樵兏鶕?jù)用戶輸入的屬性檢索條件查詢出圖上對應(yīng)的幾何要素，并以高亮形式在地圖上突出顯示。包括對實(shí)習(xí)區(qū)地質(zhì)特征點(diǎn)、地層特征、巖石特征、構(gòu)造特征等的查詢?；趫D形的查詢根據(jù)用戶在圖上選擇的區(qū)域范圍，查詢選定區(qū)域幾何要素的屬性信息。

3.數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)包括最短路徑分析、點(diǎn)云生成DEM、剖面實(shí)測分析。最短路徑分析是在設(shè)定用戶選擇的地質(zhì)實(shí)習(xí)點(diǎn)的情況下，實(shí)現(xiàn)實(shí)習(xí)最佳路線的生成和保存。點(diǎn)云生成DEM，根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有高精度的三維坐標(biāo)信息，生成地質(zhì)實(shí)習(xí)點(diǎn)局部高分辨率DEM，準(zhǔn)確展現(xiàn)地質(zhì)實(shí)習(xí)點(diǎn)的微地貌。剖面實(shí)測功能依據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成的三維地質(zhì)體，可以測量出地質(zhì)剖面的長度、地層的產(chǎn)狀信息。

五、結(jié)語

本平臺(tái)將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入野外地質(zhì)實(shí)習(xí)，結(jié)合地理信息技術(shù)，在傳統(tǒng)二維地圖的基礎(chǔ)上構(gòu)建野外地質(zhì)實(shí)習(xí)基地的三維虛擬場景，實(shí)現(xiàn)在虛擬三維空間中任意漫游，從任何視角、實(shí)時(shí)互動(dòng)地展現(xiàn)野外地質(zhì)地貌環(huán)境。同時(shí)，采用了三維激光掃描技術(shù)獲取地質(zhì)剖面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，生成地質(zhì)剖面三維體模型，這些地質(zhì)剖面三維體模型可以具體形象地展示地質(zhì)對象和野外地質(zhì)實(shí)習(xí)內(nèi)容，便于學(xué)生直觀地了解剖面所處位置、出露的地層年代等信息，而且能以簡化的方式進(jìn)行地質(zhì)剖面測量，使學(xué)生能更好、更直觀地掌握野外地質(zhì)實(shí)習(xí)的基礎(chǔ)知識(shí)，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生實(shí)習(xí)的積極性，讓學(xué)生能夠主動(dòng)地探究地質(zhì)實(shí)習(xí)問題，真正發(fā)揮了學(xué)生在實(shí)習(xí)中的主導(dǎo)作用，大大提升了地質(zhì)實(shí)踐能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]龔文平，何貞銘，劉學(xué)鋒，肖傳桃.劉家場綜合實(shí)習(xí)基地地質(zhì)填圖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，（04）.

[2]楊蔚青，李永強(qiáng)，王閣，白丁.三維激光掃描技術(shù)在土遺址保護(hù)中的應(yīng)用——以隋唐洛陽城定鼎門遺址唐代道路遺址保護(hù)為例[J].中原文物，2012，（04）.

收稿日期：2016-12-05

基金項(xiàng)目：本文受西南石油大學(xué)2016年教師教學(xué)研究項(xiàng)目《雙創(chuàng)背景下GIS專業(yè)綜合實(shí)踐環(huán)節(jié)的優(yōu)化與整合》（編號(hào)：2016JXYJ-11）資助

通訊作者：唐章英，女，講師，主要從事地理信息科學(xué)方面的教學(xué)與科研工作。