地球系統(tǒng)科學(xué)國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)

柯長青+肖鵬峰+李滿春+陸現(xiàn)彩+江靜+陶先平

摘要：地球系統(tǒng)科學(xué)國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心通過虛擬現(xiàn)實、對地觀測系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、人機交互等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的地球系統(tǒng)科學(xué)虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，不僅解決了諸多地學(xué)現(xiàn)象的高風險、不可見、不可達，而且也解決了地球科學(xué)野外實習受經(jīng)費、設(shè)備等條件的限制。經(jīng)過多年的建設(shè)，中心軟硬件設(shè)施齊全，虛擬仿真實驗教學(xué)資源豐富，管理運行措施得力，實驗教學(xué)效果明顯，在地理學(xué)、地質(zhì)學(xué)、大氣科學(xué)、海洋科學(xué)等地球科學(xué)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的過程中發(fā)揮了積極作用。

關(guān)鍵詞：地球系統(tǒng)科學(xué)；虛擬仿真；實驗教學(xué)；創(chuàng)新人才培養(yǎng)

虛擬仿真實驗教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)和實驗教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容，是學(xué)科專業(yè)發(fā)展與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物。它依托虛擬現(xiàn)實、人機交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展實驗，達到教學(xué)大綱要求的教學(xué)目的。虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)任務(wù)是實現(xiàn)真實實驗不具備或難以完成的教學(xué)功能，它的建設(shè)體現(xiàn)了虛實結(jié)合、相互補充的原則。在涉及高危或極端環(huán)境，不可及或不可逆操作，高成本、高消耗或大型綜合訓(xùn)練等情況時，提供可靠、安全、經(jīng)濟的實驗項目。通過重點開展隊伍、平臺、資源和制度等方面的建設(shè)，形成高效持續(xù)服務(wù)實驗教學(xué)、保證優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源開放共享的有機整體。

一、地球系統(tǒng)科學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)的必要性

（1）地球內(nèi)部圈層包括地核、地幔、地殼，外部圈層包括水圈、生物圈、大氣圈等，各圈層之間，即使地表的陸地與海洋之間，都存在著物質(zhì)與能量的交換，是一個復(fù)雜的巨系統(tǒng)。地球探測技術(shù)、對地觀測系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、衛(wèi)星定位技術(shù)、計算機、互聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代信息技術(shù)，為地球系統(tǒng)科學(xué)的教學(xué)提供了虛擬實驗手段。通過構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，學(xué)生可在虛擬環(huán)境中開展地球系統(tǒng)科學(xué)實驗，為探索復(fù)雜的地球系統(tǒng)提供了極具價值的途徑。

（2）虛擬仿真實驗教學(xué)，與課堂教學(xué)、野外觀測、科研訓(xùn)練一樣，都是地球系統(tǒng)科學(xué)極其重要的學(xué)習手段。地學(xué)專業(yè)都需要進行大量的實踐教學(xué)，但是由于學(xué)生數(shù)量、實驗空間、教學(xué)成本等客觀條件的限制，難以全面開展現(xiàn)場實踐教學(xué)，虛擬仿真實驗教學(xué)手段非常重要。板塊漂移、青藏高原隆升、水文剝蝕、氣候變化等大空間尺度、大時間跨度的地學(xué)過程也只能以虛擬仿真的方式進行教學(xué)。

（3）對于地球系統(tǒng)科學(xué)而言，諸多現(xiàn)象、特征和規(guī)律的認知，充滿著高風險、不可見、不可達，甚至難以想象，虛擬仿真實驗教學(xué)手段尤為重要。地震、火山、臺風、滑坡、泥石流、洪澇災(zāi)害等地學(xué)現(xiàn)象具有高度的危險性，溫室效應(yīng)、全球變暖等全球變化事件人類不可見，地核、地幔等地球圈層人類不可達，大氣環(huán)流、臭氧層破壞等氣象氣候現(xiàn)象人類難以想象，因此，只能通過虛擬仿真的教學(xué)手段開展相應(yīng)的人才培養(yǎng)。

（4）虛擬仿真實驗教學(xué)是信息時代數(shù)據(jù)共享、知識共享的必然要求，有利于拓展地球系統(tǒng)科學(xué)知識傳播的廣度和深度。地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)是典型的大數(shù)據(jù)，具有海量、多源、多時相等特征。在互聯(lián)網(wǎng)、云計算技術(shù)的支持下，建設(shè)地球系統(tǒng)科學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)中心，必將使人才培養(yǎng)水平更上一層樓，順應(yīng)時代的發(fā)展潮流。

二、實驗教學(xué)資源建設(shè)

南京大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)中心以計算機、地理信息技術(shù)等為手段，引進與自主研發(fā)相結(jié)合，開發(fā)虛擬仿真平臺軟件，支撐地球系統(tǒng)科學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)，與課堂教學(xué)、現(xiàn)實實驗、野外實踐一起，培養(yǎng)學(xué)生認識、分析、發(fā)展地球系統(tǒng)科學(xué)的能力。目前建設(shè)了地球系統(tǒng)虛擬仿真、地球動力系統(tǒng)仿真、地表過程虛擬仿真、海洋變化虛擬仿真、大氣系統(tǒng)虛擬仿真五個專題實驗室和一個虛擬仿真技術(shù)支持實驗室。經(jīng)過十余年的建設(shè)與發(fā)展，2016年被教育部批準為地球系統(tǒng)科學(xué)國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心。

在南京大學(xué)“三三制”教學(xué)改革與人才培養(yǎng)要求指引下，開設(shè)了認識地球、地質(zhì)學(xué)實習、數(shù)值天氣預(yù)報、虛擬地理環(huán)境、遙感與地理信息系統(tǒng)、GIS設(shè)計、虛擬現(xiàn)實、地表過程認知實習、地球系統(tǒng)建模等多門實驗課程，大部分包含虛擬仿真實驗教學(xué)內(nèi)容。通過教學(xué)資源建設(shè)、科研成果轉(zhuǎn)化、校企合作等方式開展虛擬仿真實驗教學(xué)，建設(shè)了“仿真展示、動態(tài)模擬、過程調(diào)節(jié)”三大類型的虛擬仿真實驗項目。

（1）地震過程仿真。地震是地球內(nèi)部某些部分突然急劇運動而破裂，從而釋放巨大能量，并引起周邊一定范圍內(nèi)地面震動的過程，高震級地震有極強的破壞性。巖層斷裂產(chǎn)生的強烈震動以波的形式自震源向各個方向傳播，地震波分為縱波、橫波和面波，面波只能沿地球表面?zhèn)鞑ィv波和橫波能在地球內(nèi)部傳播。地震過程仿真對地震成因、地震過程以及地震波傳播進行生動形象地動態(tài)模擬，學(xué)習了解地震的成因、過程和地震波的傳播方式有助于增強學(xué)生對地震的全方位認識和學(xué)習，提高地震災(zāi)害預(yù)防的意識，培養(yǎng)學(xué)生對于地震災(zāi)害預(yù)測的科研興趣。

（2）火山活動仿真?；鹕交顒邮堑湫偷牡厍騼?nèi)部動力地質(zhì)活動，其成因和形態(tài)復(fù)雜多變，由于難以靠近等現(xiàn)實原因，學(xué)生對于火山活動難以獲得直觀、感性的認識?；鹕绞堑叵律钐幐邷貛r漿及有關(guān)氣體、碎屑從地殼中噴出而形成的特殊形態(tài)的地質(zhì)體，是地球內(nèi)部能量釋放的一種自然現(xiàn)象。火山噴出物在通道口堆積形成的錐形山丘稱為火山錐，火山錐頂部漏斗狀的洼地稱為火山口。通過虛擬仿真手段，將同時涉及地幔、地殼、地表以及底層大氣等一系列地球系統(tǒng)復(fù)雜的作用過程直觀形象地表達出來，并對不同火山類型及其后續(xù)產(chǎn)生的火山地貌進行動態(tài)展示，大大提高了學(xué)生的興趣和積極性，提升了學(xué)習效果，有助于加強學(xué)生對火山機理的深入了解。

（3）海嘯傳播過程模擬。絕大部分海嘯是由海底地震引起的。海嘯數(shù)值模擬主要采用COMCOT模式，對于深海海嘯，海嘯振幅遠小于水深，采用基于球面坐標系的線性淺水波方程；當海嘯傳播到近海時，則采用直角坐標系的非線性淺水波方程。該模式能夠有效模擬整個海嘯的生命過程，包括它的產(chǎn)生、傳播、抬升和漫灘。本實驗主要模擬中國最主要的海嘯源一一地處南海的馬尼拉海溝發(fā)生地震時所引發(fā)海嘯的傳播過程，學(xué)生可通過設(shè)置不同參數(shù)和條件，分析震源位置、深度、震級、斷層特性等對海嘯的影響，理解海嘯的傳播特點。endprint

（4）全球碳循環(huán)虛擬仿真。通過FUSION軟件觀察林冠結(jié)構(gòu)，準備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，設(shè)置參數(shù)，運行Beps-Hydr模型和全球碳同化模型GCAS，觀察葉面積指數(shù)、凈初級生產(chǎn)力與生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力在全球不同地區(qū)的分異狀況，使學(xué)生思考其分異規(guī)律及其與全球植被空間分異之間的相互關(guān)系。觀察全球碳循環(huán)的時空分布和變化狀況，思考碳循環(huán)動態(tài)變化與全球陸地生態(tài)系統(tǒng)分布及全球變化的聯(lián)系。實驗?zāi)康氖峭ㄟ^“自上而下”與“自下而上”的全球碳循環(huán)虛擬仿真，學(xué)習碳循環(huán)建模與同化方法，理解全球碳循環(huán)機制。

（5）數(shù)字高程模型構(gòu)建。數(shù)字高程模型（DEM）是在一定范圍內(nèi)通過規(guī)則格網(wǎng)點描述地面高程信息的數(shù)據(jù)集，用于反映區(qū)域地貌形態(tài)的空間分布。借助地理信息系統(tǒng)軟件，基于高程點創(chuàng)建不規(guī)則三角網(wǎng)，生成數(shù)字高程模型，構(gòu)建三維地形場景，分析地形地貌特征，并可實現(xiàn)三維場景的虛擬仿真漫游。通過體驗數(shù)字高程模型的構(gòu)建過程，使學(xué)生加深了解數(shù)字高程模型構(gòu)建的原理和方法。通過地形剖面分析、坡度分析、坡向分析、三維漫游，使學(xué)生理解不同地貌特征在數(shù)字高程模型中的表現(xiàn)形式，有助于學(xué)生能更好地掌握地形分析相關(guān)技術(shù)。

（6）地物三維建模。通過現(xiàn)場教學(xué)的方式，使學(xué)生掌握測繪基礎(chǔ)理論與外業(yè)流程，通過校園主體建筑物的數(shù)據(jù)采集，熟練操作激光掃描儀、GPS定位儀、全站儀等儀器，獲得三維激光點云數(shù)據(jù)。指導(dǎo)學(xué)生掌握地面LiDAR點云匹配、噪聲濾除、特征提取、多源數(shù)據(jù)融合等數(shù)據(jù)處理手段，熟練操作LiDAR數(shù)據(jù)處理軟件，并引導(dǎo)學(xué)生針對航空與地面點云集成、建筑物點云提取等關(guān)鍵技術(shù)開展相關(guān)實驗。利用地形、建筑物、植物等典型地物的三維模型重建以及模型紋理貼圖，培養(yǎng)學(xué)生掌握三維建模工具，提升實踐動手能力，構(gòu)建精細三維實景模型。運用計算機圖形學(xué)原理，結(jié)合平臺先進的三維引擎，設(shè)立地理加權(quán)預(yù)加載的大數(shù)據(jù)量實時渲染技術(shù)等研究方向，進行軟件開發(fā)實踐，培養(yǎng)學(xué)生的軟件開發(fā)能力。有利于學(xué)生深入理解激光數(shù)據(jù)采集和點云生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)和過程，幫助學(xué)生掌握基于激光點云數(shù)據(jù)的高精度地物提取與建模方法，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習地物三維建模與可視化技術(shù)。

（7）虛擬廬山地理環(huán)境。該虛擬仿真系統(tǒng)提供數(shù)字地形（DEM、等高線）、高分辨率遙感影像和地質(zhì)圖三類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包含景點景區(qū)、旅游勝地、特殊地形地貌等多個興趣圖層，融合了地理信息與虛擬仿真技術(shù)，實現(xiàn)廬山自然和人文地理要素的數(shù)字化、地理過程的三維動態(tài)模擬、地理要素的三維空間分析、地理信息集成管理和專題成果自動制圖等功能。實驗?zāi)康氖菍]山地理學(xué)野外實習與虛擬廬山地理環(huán)境相結(jié)合，使學(xué)生對廬山地理環(huán)境與人文景觀有更深刻的認識；通過野外數(shù)據(jù)自動采集、位置服務(wù)、空間分析、三維地形可視化等功能的操作，提升學(xué)生對不同尺度的地表過程與格局的認知和分析能力，有助于培養(yǎng)學(xué)生對所學(xué)知識的綜合應(yīng)用與創(chuàng)新思維能力。

（8）流水地貌演化仿真。由于流水地貌演化過程耗時漫長，現(xiàn)實生活中僅能觀測到該演化過程中的某個階段，難以快速、直觀地掌握全局性的流水地貌演化機理。通過虛擬仿真手段，能夠從大的時間尺度進行觀察，使學(xué)生把地貌形態(tài)和水文、泥沙及水力因素結(jié)合起來，認識流水地貌形成、發(fā)育的物理過程。通過流水地貌演化仿真，學(xué)生對流水侵蝕作用地貌、堆積作用地貌和沖積扇地貌等有了全方位的理解，能夠結(jié)合內(nèi)力作用和外力作用分析河曲、牛軛湖與階地的成因、形態(tài)及演化過程，并認識到河流變遷對沿岸人類活動的影響，提高學(xué)生綜合運用知識的能力。

（9）滑雪場選址模擬?；﹫鲞x址，要求滿足滑雪場建設(shè)的地形條件、擁有一定的游客數(shù)量、交通條件便利的重點區(qū)域等。準備區(qū)域地形、人口、交通線路等數(shù)據(jù)，并用疊置分析找出同時滿足人口、交通、地形條件且避讓自然保護區(qū)的地區(qū)。通過不斷更改、優(yōu)化相關(guān)參數(shù)，模擬不同參數(shù)條件下的滑雪場情景，在線提交操作結(jié)果并獲得評價，最終確定滑雪場建設(shè)的備選地。通過該實驗的體驗操作，學(xué)生可以掌握以矢量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，應(yīng)用空間查詢、緩沖區(qū)、地形、疊加等空間分析技術(shù)解決滑雪場等相關(guān)選址問題。

（10）地表降雨徑流模擬。降雨徑流過程是地球表層系統(tǒng)重要過程之一。該系統(tǒng)基于柵格單元分別建立土壤下滲模型、坡面產(chǎn)流和匯流模型，以及河道匯流模型；根據(jù)降雨資料和模型參數(shù)進行模型運算，得出流域內(nèi)每一柵格的產(chǎn)流過程和匯流過程以及出口斷面的流量過程。在此基礎(chǔ)上，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，將模擬的空間水文過程（如降雨、下滲、產(chǎn)流量、徑流量等）進行三維動態(tài)顯示。學(xué)生通過設(shè)置不同模型及參數(shù)，可深入理解不同的水文過程特征；實現(xiàn)流域空間水文過程三維顯示的縮放、旋轉(zhuǎn)、飛行漫游等交互功能，以便進行多比例尺、多角度的觀察分析；也可以通過鍵盤操作改變漫游路線、視點位置及視角，產(chǎn)生一定程度的沉浸感。這樣有助于學(xué)生深刻理解降雨、蒸發(fā)、下滲、產(chǎn)流、匯流的空間水文過程及其影響因素。

（11）梅雨鋒運動模擬。梅雨一般發(fā)生于每年的6月中下旬至7月上旬，梅雨鋒降水帶可長達數(shù)千公里，橫貫東亞和西太平洋地區(qū)。以2014年7月11-13日的一次梅雨過程為例，用WRF模式對梅雨鋒降水帶進行虛擬仿真模擬。通過對梅雨鋒降水帶的虛擬仿真實驗，加深學(xué)生對梅雨鋒降水帶尺度與強度的認識，了解數(shù)值預(yù)報對此類系統(tǒng)的預(yù)報能力。通過三維結(jié)構(gòu)剖析，進一步使學(xué)生了解梅雨鋒降水帶組織化形成過程，認識梅雨鋒暴雨形成的可能機制。

（12）臺風運動模擬。通過野外觀測實驗認識臺風具有較高的難度和危險性。以2014年9月16日在海南和廣西登陸的海鷗臺風為例，用WRF模式進行虛擬仿真模擬。實驗?zāi)康氖峭ㄟ^臺風內(nèi)部環(huán)流結(jié)構(gòu)特征的數(shù)值模擬和三維顯示，認識臺風結(jié)構(gòu)，理解臺風發(fā)展和維持機制。通過對臺風的數(shù)值模擬仿真演示，使學(xué)生了解數(shù)值預(yù)報對臺風系統(tǒng)的預(yù)報能力，加強對臺風降雨帶結(jié)構(gòu)的認識。并經(jīng)軌跡追蹤分析，使學(xué)生形象地認識到臺風內(nèi)部的三維環(huán)流結(jié)構(gòu)特征，為理解臺風發(fā)展和維持機制打下基礎(chǔ)。

三、特色與創(chuàng)新

（1）以事前野外實地觀測、事后野外實地驗證為基礎(chǔ)。地球系統(tǒng)科學(xué)的虛擬仿真不同于其他學(xué)科，具有非常強的現(xiàn)實性，必須體現(xiàn)虛擬世界與真實世界的映射關(guān)系，因此，地球系統(tǒng)科學(xué)虛擬仿真建立在大量野外實習、野外觀測與真實性檢驗的基礎(chǔ)上，充分體現(xiàn)“虛實結(jié)合”的建設(shè)原則。經(jīng)過多年的發(fā)展，南京大學(xué)已經(jīng)牽頭建成了廬山國家重點地理學(xué)實習基地，以及巢湖、阿爾卑斯山、貝加爾湖等著名的地學(xué)野外實習基地，積累了大量的野外實習數(shù)據(jù)?；趦?nèi)生金屬礦床成礦機制研究國家重點實驗室、計算機軟件新技術(shù)國家重點實驗室、海岸與海島開發(fā)教育部重點實驗室、中尺度災(zāi)害性天氣教育部重點實驗室的軟硬件條件，利用全站儀、激光掃描儀、野外光譜儀、質(zhì)譜分析儀、多普勒雷達等先進儀器設(shè)備獲取了大量野外實地觀測與真實性檢驗數(shù)據(jù)，為地球科學(xué)虛擬仿真提供了堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（2）實現(xiàn)了多圈層、多過程、多尺度、多時相虛擬仿真。地球系統(tǒng)科學(xué)虛擬仿真不僅要模擬地球演化、地幔對流、海平面升降、氣候變化等大尺度地學(xué)過程，也要模擬地震海嘯、地表覆蓋變化、冰雪消融、降雨過程等中尺度地學(xué)現(xiàn)象，還要對潮溝、建筑物、樹木等小尺度對象進行三維建模。涉及的時間范疇既包括地球形成和演化的地質(zhì)年代，包括地表剝蝕和物質(zhì)運移的第四紀，也包括氣候變暖和極地冰蓋消融的當代，還包括模擬預(yù)測氣候變化和海平面升降的未來。涵蓋巖石圈、地球表層和大氣圈，包括固體地球、地表物質(zhì)運移、海洋變化、天氣變化等重要地學(xué)過程。整個地球的圈層系統(tǒng)相互交叉，地理、海洋、地質(zhì)、大氣四大學(xué)科相互融合，跨學(xué)科的地球系統(tǒng)科學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)，有利于培養(yǎng)綜合型、寬基礎(chǔ)、創(chuàng)新性、高水平的地球系統(tǒng)科學(xué)領(lǐng)軍人才。

（3）地球系統(tǒng)科學(xué)虛擬仿真實驗融合了虛擬仿真技術(shù)與地理信息技術(shù)。地球系統(tǒng)科學(xué)作為新型交叉學(xué)科，面對地球復(fù)雜巨系統(tǒng)，需要整合多學(xué)科研究力量，開展跨學(xué)科協(xié)作，培養(yǎng)綜合性研究人才。地理信息技術(shù)作為地球系統(tǒng)科學(xué)的基礎(chǔ)支撐技術(shù)，通過構(gòu)建對地觀測系統(tǒng)，全面采集與整合多源、多時相、多分辨率、多媒體地學(xué)空間數(shù)據(jù)，并在空間數(shù)據(jù)庫、地理模型、空間分析與數(shù)字制圖等技術(shù)支持下，開展地學(xué)空間格局定量描述、地學(xué)過程模擬、專題地圖輸出。隨著虛擬現(xiàn)實、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等新興技術(shù)的迅猛發(fā)展，地理信息技術(shù)積極融合虛擬仿真等技術(shù)，建設(shè)地球系統(tǒng)科學(xué)虛擬仿真平臺，以其鮮明的多維可視化、動態(tài)交互、實時計算等技術(shù)特色，對抽象、不可再現(xiàn)或難以表達的地學(xué)現(xiàn)象及其過程開展數(shù)字仿真模擬、動態(tài)監(jiān)測與預(yù)報預(yù)測。同時，虛擬仿真技術(shù)融合地理信息技術(shù)，為地學(xué)人才培養(yǎng)提供了新型的虛擬教學(xué)平臺。通過構(gòu)建高度仿真的地學(xué)虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，引導(dǎo)學(xué)生在數(shù)字環(huán)境下深入學(xué)習與探索地球圈層環(huán)境的時空格局、地域分異、動態(tài)演化規(guī)律，掌握地學(xué)數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換、集成、建模、分析、制圖與可視化的技術(shù)流程，增進學(xué)生的地學(xué)創(chuàng)新思維、實踐動手與科學(xué)研究能力，培養(yǎng)具有地球系統(tǒng)科學(xué)觀的綜合性創(chuàng)新人才。endprint