周口店野外地質(zhì)三維信息平臺建設與實踐

田 毅，陳建平，鄭彥威，姚書朋，邱俊秀

1.中國地質(zhì)大學(北京) 土地科學技術學院，北京 100083；2.中國地質(zhì)大學(北京) 地球科學與資源學院，北京 100083；3.北京市國土資源信息研究與開發(fā)重點實驗室，北京 100083

實踐教學

周口店野外地質(zhì)三維信息平臺建設與實踐

田 毅1,3，陳建平2,3，鄭彥威2,3，姚書朋2，邱俊秀1

1.中國地質(zhì)大學(北京) 土地科學技術學院，北京 100083；2.中國地質(zhì)大學(北京) 地球科學與資源學院，北京 100083；3.北京市國土資源信息研究與開發(fā)重點實驗室，北京 100083

本文針對大學生野外地質(zhì)實習中存在的基礎圖件管理難、空間概念建立難、地質(zhì)現(xiàn)象認知難的問題，按照地質(zhì)實習的要求，提出了一套綜合性地學野外教學輔助信息平臺的建設方案，并以北京周口店為例開展了相關的實證研究。研究表明，建立獨立的三維實體互動操作平臺，可以有效地豐富野外地質(zhì)實習的教學方法與教學手段，促進學生綜合性、時空性地質(zhì)觀的培養(yǎng)。

野外地質(zhì)綜合實習；操作平臺；三維；教學輔助系統(tǒng)

一、引言

“地質(zhì)學”是一門實踐性和探索性很強的科學，野外地質(zhì)實習作為“地質(zhì)學”專業(yè)教學的重要內(nèi)容，是培養(yǎng)集知識、能力和素質(zhì)于一體的高素質(zhì)地質(zhì)人才的關鍵實踐性教學環(huán)節(jié)之一，也是“地質(zhì)學”理論教學的延續(xù)。通常，我國高校的野外地質(zhì)實習要求學生通過對基本地質(zhì)現(xiàn)象的實地考察和現(xiàn)場實踐, 掌握野外地質(zhì)工作方法，初步建立正確的地質(zhì)思維，掌握造巖礦物、常見巖石與地層的野外識別方法，觀察地殼中小尺度構造形態(tài)和類型，掌握地質(zhì)填圖的基本方法，提高學生對典型地貌和地質(zhì)構造的判斷、勘查能力，會編寫地質(zhì)報告，為其今后從事地學及相關行業(yè)工作打下堅實的基礎。因此，從空間觀、分形觀入手，分析地質(zhì)現(xiàn)象與本質(zhì)間的關系，全面構建三維野外地質(zhì)思維、樹立大地學發(fā)展觀一直是野外地質(zhì)實習的重點與難點[1-2]。簡言之，要求學生能夠從地質(zhì)體的幾何形態(tài)、空間方位以及空間尺度等方面，建立多視角、多內(nèi)涵的空間概念，并能對任一地質(zhì)現(xiàn)象進行理論表述、露頭觀察、構造樣式與關系進行分析。進而，熟悉該地質(zhì)現(xiàn)象的表征、成因及影響，達到透過現(xiàn)象認識本質(zhì)的學習目的。

近年來，為適應各類地質(zhì)工作綜合化與現(xiàn)代化發(fā)展的需要，利用現(xiàn)代測繪技術、計算機技術、數(shù)字電視技術和地理信息技術的數(shù)字填圖實習蓬勃發(fā)展，如中國地質(zhì)大學(武漢)應用GIS技術，在Microsoft Visual Studio 2008軟件平臺上開發(fā)出一套地質(zhì)填圖實習計算機輔助系統(tǒng)，中國地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展研究中心、西北大學、長安大學、東華理工大學、黑龍江省地調(diào)總院等單位開展的多種數(shù)字填圖系統(tǒng)建設。還有一些院校或研究所則基于虛擬實驗室思想，借助互聯(lián)網(wǎng)地圖技術，建立虛擬地質(zhì)實習平臺，為地質(zhì)實踐教學服務。如山東理工大學資源與環(huán)境工程學院、中國地質(zhì)大學(武漢)（2015）基于 Android系統(tǒng)的Baidu Map SDK技術，開發(fā)出可在手機上運行的野外地質(zhì)實習輔助系統(tǒng),實現(xiàn)了實習路線管理、地圖瀏覽、地質(zhì)現(xiàn)象照片瀏覽等功能；中國石油大學（華東）采用百度地圖API框架建立虛擬野外地質(zhì)實習系統(tǒng)，實現(xiàn)了野外地圖導航、實習路線管理、地質(zhì)構造三維模擬等功能[3-5]。

然而，縱觀已有的野外地質(zhì)實習平臺，雖卓有建設成效，但受平臺開發(fā)成本、運行環(huán)境、基礎數(shù)據(jù)等限制，距離引言中所說的通過實習，可以使學生建立一定地質(zhì)空間觀與分形觀仍有一定的差別。例如，借助專業(yè)GIS開發(fā)的實習平臺采購成本、使用成本雙高，且需學生實習前先要學習該專業(yè)GIS軟件，無形增加了實習的經(jīng)濟與時間成本；采用網(wǎng)絡或手機技術開發(fā)的實習輔助系統(tǒng)，則在野外復雜環(huán)境或無網(wǎng)絡覆蓋時難以穩(wěn)定使用。另外，現(xiàn)有輔助系統(tǒng)中的實習內(nèi)容、成果表述多為二維模式，即便采用三維瀏覽，也是基于DEM或TIN的面三維，與野外實習中地質(zhì)體的真三維、實體化表達要求也有一定差距。

顯然，構建一個脫專業(yè)平臺、真三維的野外地質(zhì)綜合信息系統(tǒng)無疑具有重要的現(xiàn)實意義。為此，筆者所在團隊依托教育部“周口店國家大學生校外實踐教育基地”項目，探索在傳統(tǒng)野外教學方法基礎上，從三維化、信息化與可視化等方面探索野外地學教學輔助平臺建設的技術與方法。

二、需求分析

分析地質(zhì)野外實習的教學目標與教學內(nèi)容可知，地質(zhì)實習輔助系統(tǒng)作為教師野外示范教學的重要補充與輔助手段，其建設中需要重點解決：（1）地質(zhì)知識二維學習的挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)為地質(zhì)體的空間表征從圖片或野外人眼的視角，難理解、難表述、難研究，導致所學知識缺乏空間特征；（2）地質(zhì)實習內(nèi)容的點-線-面分開的挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)為地層、巖性、構造等的單點學習清楚，但區(qū)域三維綜合特征凝練難，難以將所學有機融為一體，無法為全面認識區(qū)域地質(zhì)現(xiàn)象服務；（3）野外實習地質(zhì)資料的管理、查閱的挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)為地質(zhì)圖、地形圖、DEM、航片等多源、多尺度、多形式、多類型的實習資料綜合管理與查詢難；（4）資源環(huán)境聯(lián)合型地學觀構建的挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)為學生在學習綜合地質(zhì)知識后，如何認識地質(zhì)資源、環(huán)境與人類活動之間的關系，有效提升實習成果、構建地學思維觀。

對于上述挑戰(zhàn)，筆者所在的項目組經(jīng)過調(diào)查中國地質(zhì)大學（北京）周口店野外地質(zhì)實習實際后提出，構建一個虛擬的脫專業(yè)平臺、互動性強、無需網(wǎng)絡輔助的系統(tǒng)，可以真三維實體展示實習對象特征，以及可以對實習結果多方法輸出，同時容易進行實習要求與實習內(nèi)容的更新、進行系統(tǒng)本身的維護，是野外地質(zhì)實習輔助系統(tǒng)建設的首要要求。其次，該系統(tǒng)還應可以將與實習相關的多源、多時空的地形、地質(zhì)、礦產(chǎn)等數(shù)據(jù)裝入系統(tǒng)并能進行統(tǒng)一管理與查詢，為學生創(chuàng)新性、創(chuàng)造性與實踐性的學習提供幫助。因此，野外地質(zhì)實習輔助系統(tǒng)建設的具體要求可以歸納為以下幾點：（1）實用。要求系統(tǒng)可結合野外地質(zhì)填圖的實際過程，為用戶提供必要的數(shù)據(jù)格式、坐標轉(zhuǎn)換功能，系統(tǒng)提供的相關基礎數(shù)據(jù)資料應真實可靠，精度可以滿足實習要求。（2）安全。要求系統(tǒng)具有較強的容錯能力，軟硬件要求低，可適應野外復雜環(huán)境；同時，系統(tǒng)采用分級式安全管理，確保地質(zhì)實習資料的保密與安全。（3）通用。要求系統(tǒng)采用面向?qū)ο笤O計，有簡單直觀的人機交互界面，使學生容易上手使用；同時，數(shù)據(jù)記錄方式與內(nèi)容具有通用性，便于教師在實習區(qū)域調(diào)整、實習內(nèi)容變化時，可隨時更新系統(tǒng)內(nèi)容。（4）可視。要求系統(tǒng)可實現(xiàn)操作可視化、計算過程可視化和分析結果可視化，便于學生按照創(chuàng)新性學習的要求，進行交互式探索學習，樹立大地學觀。

三、實證研究

1.建設概況

周口店野外地質(zhì)實踐基地自1954年創(chuàng)建，先后為國家培養(yǎng)了大量的地質(zhì)專業(yè)人才。進入21世紀后，該基地野外地質(zhì)實習在保持原有地質(zhì)教學路線前提下，結合新一輪國土資源大調(diào)查，開辟了環(huán)境地質(zhì)、災害地質(zhì)等數(shù)十條拓展路線，以滿足21世紀國家對復合型地學人才的需要。基地在原有的野外地質(zhì)調(diào)查“老三件”（錘子、羅盤、放大鏡）加“兩張圖（地質(zhì)圖、地形圖）的基礎上，引入GPS、數(shù)碼相機、筆記本電腦等實習設備，建設巖礦標本室、圖書資料室，錄制實習路線視頻，實習條件大大改善，實習手段與方法也得到了極大豐富。

為進一步推進基于時空觀、系統(tǒng)觀的野外教學實改革，中國地質(zhì)大學（北京）教務處與地球科學與資源學院牽頭，土地科學技術學院、信息網(wǎng)絡中心、北京市國土資源信息研究與開發(fā)重點實驗室及北京博觀慧智傳媒科技有限責任公司共同參與，于2014年7月～2016年12月開展了北京周口店野外地質(zhì)綜合信息平臺建設（表1）。希望通過該平臺，為有效管理基地的地質(zhì)實習多種素材，為學生提供可重復、可虛擬的拓展性學習，將地學空間觀、分形觀理念授予學生而服務。

表1 項目實物工作量概覽表

系統(tǒng)開發(fā)的具體內(nèi)容、方法與流程（圖1）如下：

（1）“天地空”實習區(qū)基礎數(shù)據(jù)采集：主要是借助“3S”（GPS+GIS+RS）技術，實測采集、收集整理周口店地區(qū)的地理、地質(zhì)信息，覆蓋北至羊耳峪，南至孤山口，東至房山，西至上方山，為平臺建設及野外實習提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

圖1 平臺建設過程

2.建設結果

經(jīng)過近3年的建設，建成的平臺（圖2）可以讓學生全面認識實習區(qū)的區(qū)域地質(zhì)概況，可按實習大綱進度要求，在計算機上虛擬再現(xiàn)野外地質(zhì)現(xiàn)象，提示實習要點，理解野外地質(zhì)現(xiàn)象，掌握實習的內(nèi)容，加深實習成果認識，為最終實習報告的編寫在計算機上提供全新幫助。同時，平臺結合周口店野外地質(zhì)實習講解內(nèi)容，開發(fā)的VRP多源多尺度空間數(shù)據(jù)的交互透視瀏覽功能、地層剖面自動切割-圖切剖面繪制功能等，則可向師生提供實習區(qū)的典型區(qū)域、典型路線及典型地質(zhì)現(xiàn)象的模擬學習、交互查詢及三維實景展示。例如，對于太平山西坡大型滑坡體，系統(tǒng)提供的地面影像、地表地質(zhì)露頭及地下地層構造與巖漿巖任意方向圖切剖面，便于學生在基礎地質(zhì)野外實習認識的同時，從地形、地貌、構造的角度，思考該災害體發(fā)生機理、治理手段，達到學源于實際，用歸于實地的效果。

四、結論與討論

本文結合野外地質(zhì)實習要求，論述了北京市周口店野外地質(zhì)實習綜合信息平臺建設思路與建設方法。已建成的系統(tǒng)2016年試用于中國地質(zhì)大學（北京）地質(zhì)與地質(zhì)拓展專業(yè)4個班的實習后，獲得了師生們的好評，認為：該系統(tǒng)是一個智慧型“數(shù)字地學”信息資料庫，可實現(xiàn)實習資料野外管理與查詢引用、實習內(nèi)容更新由難變易；系統(tǒng)提供的獨立互動操作平臺，可讓學生的地質(zhì)現(xiàn)象認知、綜合能力提高由難變易；以及系統(tǒng)提供的實習虛擬系統(tǒng)對于學生地學空間觀的建立幫助較大。當然，考慮到該平臺對于計算機硬件（如內(nèi)存）的要求，平臺今后還將在系統(tǒng)結構優(yōu)化、數(shù)據(jù)管理優(yōu)化、地質(zhì)現(xiàn)象真三維模擬優(yōu)化等方面多做工作，進一步完善系統(tǒng)功能菜單，確保其使用簡單、實用、流暢，從而更好地為我國野外地質(zhì)實習的現(xiàn)代化提供支撐與幫助。

圖2 周口店野外地質(zhì)實習綜合信息平臺系統(tǒng)結構

致謝：本平臺建設過程中，先后得到中國地質(zhì)大學（北京）顏丹平、白浩、王根厚、徐德斌、魏玉帥、陳家瑋、余曉、趙潔等老師的不吝指導或數(shù)據(jù)支持，特此表示衷心感謝！

[1]王根厚．周口店野外地質(zhì)教學中地質(zhì)思維的培養(yǎng)[J]．中國地質(zhì)教育，2004，13（4）：49-51．

[2]王根厚．“周口店野外地質(zhì)教學”改革淺析[J]．中國地質(zhì)教育，2006，15（2）：48-57．

[3]趙溫霞．周口店地質(zhì)及野外地質(zhì)工作方法與高新技術應用[M]．武漢：中國地質(zhì)大學出版社，2003．

[4]劉剛，趙溫霞，吳沖龍，等．區(qū)域地質(zhì)測量計算機輔助技術課程建設和教學模式研究[J]．中國地質(zhì)教育，2004，13（3）：35-38．

[5]董玉森，劉 強，楊坤光，等．RGMAP數(shù)字填圖系統(tǒng)在周口店實踐教學中的應用[J]．中國地質(zhì)教育，2006，15（2）：92-95．

field geological practices; study platform; three-dimensional; teaching support system

G642

A

1006-9372（2017）04-0046-04

Title:Construction and Practice of 3D Geological Information Platform of Zhoukoudian

Author(s):TIAN Yi , CHEN Jian-ping , ZHENG Yan-wei , YAO Shu-peng , QIU Jun-xiu

2017-05-16。

教育部、財政部高等學校特色專業(yè)建設(TS11214)；北京市特色專業(yè)建設(京教高辦[08]3號) 。

田毅，男，副教授，主要從事三維地籍、城市地下空間資源與環(huán)境聯(lián)合評價的教學與研究工作。

投稿網(wǎng)址： www.chinageoeducation.net.cn 聯(lián)系郵箱：bjb3162@cugb.edu.cn

田毅，陳建平，鄭彥威，等．周口店野外地質(zhì)三維信息平臺建設與實踐[J]．中國地質(zhì)教育，2017，26（4）：46-49.