鉆孔巖心地質(zhì)編錄虛擬仿真實(shí)驗(yàn)探索

李小明，張 宇,馬麗紅，劉雨鑫

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

0 引言

實(shí)踐能力的培養(yǎng)在地質(zhì)類專業(yè)人才培養(yǎng)中占有十分重要的地位,鉆孔巖心地質(zhì)編錄是地質(zhì)實(shí)踐教學(xué)中需要重點(diǎn)培養(yǎng)的技能[1-4]。針對(duì)巖心地質(zhì)編錄實(shí)驗(yàn)教學(xué)，許多從事地質(zhì)類教學(xué)的高校探索過現(xiàn)場地質(zhì)編錄、實(shí)驗(yàn)室?guī)r心地質(zhì)編錄以及一定程度的巖心數(shù)字化工作，也取得了一些有益的成果[5-10]。但是，由于受到現(xiàn)場路程遠(yuǎn)、安全管理、食宿條件等客觀因素的限制，現(xiàn)場教學(xué)場地難以大量接受學(xué)生實(shí)習(xí)，而校內(nèi)實(shí)訓(xùn)空間狹窄，巖心數(shù)量少且不宜長期保存等制約了開展巖心編錄的教學(xué)、技能考核與競賽活動(dòng)。 鑒于此，華北科技學(xué)院地質(zhì)實(shí)踐教學(xué)團(tuán)隊(duì)以Unity3D開發(fā)引擎和3DGIS及3DS Max專業(yè)三維建模軟件為依托，自主研發(fā)了基于虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)的“鉆孔巖心編錄虛擬仿真數(shù)據(jù)庫”，搭建非現(xiàn)場環(huán)境條件下的沉浸式人-機(jī)互動(dòng)操作平臺(tái)，將現(xiàn)場地質(zhì)編錄方法、步驟、內(nèi)容及成果形象直觀地表現(xiàn)出來，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)學(xué)生進(jìn)行虛擬“親自”操作。建成鉆孔巖心編錄虛擬仿真數(shù)據(jù)庫，可以有效地解決不易現(xiàn)場實(shí)際操作和巖心、實(shí)訓(xùn)空間不足、學(xué)生多巖心少等諸多問題，在教學(xué)、考核和開展競賽訓(xùn)練等方面發(fā)揮了重要的作用，極大地提高了教學(xué)效率和學(xué)生的積極性。

1 實(shí)物鉆孔巖心的選取

根據(jù)不同的教學(xué)目標(biāo)，確定實(shí)物巖心選取的原則。華北科技學(xué)院地質(zhì)工程專業(yè)主要專注于能源礦產(chǎn)，尤其是煤礦床的資源勘查和開發(fā)，因此，虛擬仿真教學(xué)以含煤沉積巖系為主。鑒于此，實(shí)物鉆孔巖心選取了華北地區(qū)具有代表性的典型煤系地層鉆孔巖心實(shí)物地質(zhì)資料，要求:①實(shí)物鉆孔巖心長度150 m以上；②巖心要包含有煤系地層下二疊統(tǒng)山西組、上石炭統(tǒng)太原組以及上覆地層下二疊統(tǒng)下石盒子組和下伏地層奧陶系峰峰組；③巖心具有一定的沉積構(gòu)造、接觸關(guān)系和特殊巖石等；④運(yùn)輸過程確保巖心的原始狀態(tài)不被破壞，上下順序正常。按照上述原則最終選取的實(shí)物鉆孔來自山西沁水盆地趙莊井田，如圖1所示。

圖1 鉆孔實(shí)物巖心

2 實(shí)物鉆孔巖心的地質(zhì)編錄

實(shí)物鉆孔編錄是進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)的基礎(chǔ)性工作。為了盡可能使虛擬實(shí)驗(yàn)貼近實(shí)際地質(zhì)編錄的教學(xué)效果，首先根據(jù)《含煤巖系鉆孔巖心描述》(DZ/T0002—2016)的要求對(duì)實(shí)物巖心進(jìn)行分層——編號(hào)——描述(巖性、沉積構(gòu)造、化石等)——巖相歸納與環(huán)境解釋——綜合剖面圖繪制、沉積模式建立——剖面環(huán)境演化史總結(jié)等五個(gè)環(huán)節(jié)，并建立地質(zhì)編錄卡片。通過選擇典型的層位進(jìn)行圖像、音視頻資料的采集，并開展人工精細(xì)的堅(jiān)定，綜合加工，形成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)資源。

基本要求：①分層(單一巖性層或旋回層等)合理，分層描述與記錄格式正確，內(nèi)容要完整；②巖心編錄成果圖圖形要素齊全、布局合理；③斜距誤差小于2 m；④巖性花紋、粒度變化、巖層接觸關(guān)系正確；⑤巖層顏色、沉積構(gòu)造和化石識(shí)別準(zhǔn)確；⑥巖心綜述全面完整。

3 鉆孔巖心地質(zhì)編錄仿真實(shí)驗(yàn)整體設(shè)計(jì)

鉆孔巖心地質(zhì)編錄虛擬仿真主要功能是培訓(xùn)學(xué)生通過數(shù)字化、信息化技術(shù)掌握地質(zhì)理論課程學(xué)習(xí)、呈現(xiàn)虛擬現(xiàn)場作業(yè)、實(shí)現(xiàn)互動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)一體化。鉆孔巖心地質(zhì)編錄虛擬仿真嚴(yán)格按照教學(xué)實(shí)習(xí)基地環(huán)境一比一建造三維場景，并進(jìn)行仿真環(huán)境的渲染，從而使得仿真環(huán)境具有更好的沉浸性、真實(shí)性。將建模后的圖形導(dǎo)入到Unity3D引擎后并在Unity3引擎中對(duì)鉆孔巖心地質(zhì)編錄實(shí)驗(yàn)各功能部份開發(fā)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)基本實(shí)現(xiàn)了真實(shí)實(shí)驗(yàn)所要達(dá)到的目標(biāo)，并且具有一定的優(yōu)勢(見表1)。

表1 巖心虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場真實(shí)實(shí)驗(yàn)對(duì)比

3.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

鉆孔巖心地質(zhì)編錄虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用MySQL數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，MySQL是最好的關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)應(yīng)用軟件之一。MySQL關(guān)系數(shù)據(jù)庫將數(shù)據(jù)保存在不同的表中，而不是將所有數(shù)據(jù)放在一個(gè)大倉庫內(nèi)，這樣就增加了速度并提高了靈活性。采用MySQL數(shù)據(jù)庫記錄查詢學(xué)生信息，地質(zhì)鉆孔巖心的相關(guān)信息，包括長度，模型信息，文字介紹等相關(guān)數(shù)據(jù)，建成鉆孔巖心編錄虛擬仿真數(shù)據(jù)庫。鉆孔巖心地質(zhì)資料的成果主要有四類基本形式:目錄薄，文檔(文字資料)，圖件，表格。在現(xiàn)代地質(zhì)礦床勘探過程中，由于計(jì)算機(jī)運(yùn)用，包括了電子文檔(Word文檔)、電子表格(Excel表格)、電子錄像等電子介質(zhì)資料和遙感影像、圖片、聲音、圖像、幻燈片等多媒體資料。

3.2 3DGIS地理數(shù)據(jù)與三維模型設(shè)計(jì)

GIS(Geographic Information System)技術(shù)以計(jì)算機(jī)為主要載體,是進(jìn)行數(shù)據(jù)管理和分析的主要系統(tǒng)工具。我們將GIS運(yùn)用到虛擬實(shí)驗(yàn)中,系統(tǒng)通過對(duì)地理信息情況各種地質(zhì)、地形因素的綜合研究和分析,以此來獲得可以滿足系統(tǒng)操作的信息數(shù)據(jù),并能以圖表、圖形、圖像等形式將各種數(shù)據(jù)信息表達(dá)出來。

三維可視化技術(shù)可以將大量的數(shù)據(jù)通過圖表和圖像的形式表現(xiàn)出來,讓原本抽象的數(shù)據(jù)變得更具體、更直接,還能將事物之間的聯(lián)系生動(dòng)地展現(xiàn)出來(圖2),以此來提高人們對(duì)數(shù)據(jù)信息的理解。該項(xiàng)技術(shù)對(duì)巖心編錄背景加以輔助,有利于將教研所需要的數(shù)據(jù)立體地呈現(xiàn)出來,通過對(duì)地質(zhì)、地形等單元層位的拾取、追蹤,分析層位間的切割關(guān)系,并總結(jié)出規(guī)律,以便提高工作的精確度。

圖2 GIS技術(shù)由遠(yuǎn)到近展示鉆探場景

3.3 UNITY 3D 虛擬平臺(tái)開發(fā)

Unity3D引擎是一個(gè)成熟的多平臺(tái)虛擬仿真開發(fā)工具，可全面整合的專業(yè)3D引擎。其內(nèi)置大量成熟的功能模塊，包括圖形圖像渲染、實(shí)時(shí)物理和碰撞檢測、音效、三位動(dòng)畫、視頻播放、網(wǎng)絡(luò)通信和下載、讀取外部資源、內(nèi)置游戲服務(wù)器和動(dòng)態(tài)加載的場景管理等。每一個(gè)模塊都簡單易用而且高效，開發(fā)者可以完全專注于程序邏輯的開發(fā)和場景的搭建而不用操心其他方面。UNITY3D引擎支持多種語言開發(fā)，通過編寫腳本和Shader，開發(fā)者可以輕松掌控整個(gè)軟件的運(yùn)行。所有程序運(yùn)行的模塊都有足夠的API供開發(fā)者調(diào)用，并調(diào)用整個(gè)Net2.0庫實(shí)現(xiàn)各種功能?？梢哉{(diào)用編輯好的dll，支持C#、C++、Java、Object、C編寫的插件。

鉆孔巖心地質(zhì)編錄虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，通過UNITY3D加載數(shù)據(jù)庫、調(diào)用三維模型、結(jié)合3DGIS數(shù)據(jù)、編制仿真實(shí)驗(yàn)功能流程，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需要求。本系統(tǒng)中UNITY3D基于C#語言開發(fā)各項(xiàng)互動(dòng)功能。

4 基于實(shí)物鉆孔巖心構(gòu)建“高精度三維數(shù)字化地質(zhì)編錄虛擬仿真”系統(tǒng)

地質(zhì)編錄虛擬仿真系統(tǒng)應(yīng)具備實(shí)操性，滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的各種需求，即能精確演繹和再現(xiàn)巖心編錄的分層、描述、重要地質(zhì)現(xiàn)象(沉積構(gòu)造、接觸關(guān)系和特殊巖石等)素描和解釋、總結(jié)地質(zhì)相對(duì)演化史(沉積環(huán)境和沉積演化)等編錄場景，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)勘探鉆孔巖心編錄過程的三維虛擬世界的實(shí)時(shí)交互和漫游。因此，系統(tǒng)應(yīng)具備的教學(xué)功能有學(xué)習(xí)、訓(xùn)練和考核功能，如圖3所示。

圖3 巖心編錄系統(tǒng)首頁

4.1 學(xué)習(xí)功能

在此操作環(huán)境下，學(xué)生可以利用鼠標(biāo)對(duì)所觀察的巖心進(jìn)行交互和漫游，實(shí)現(xiàn)對(duì)觀測巖心段以不同的角度和方向進(jìn)行調(diào)節(jié)，以三維狀態(tài)仿真模擬巖心的鑒定過程，配合動(dòng)態(tài)圖像、聲音和文字說明實(shí)現(xiàn)三維仿真顯示顏色、光澤，可真實(shí)再現(xiàn)硬度測試、鹽酸反應(yīng)等物理化學(xué)鑒定特征效果，如圖4所示。系統(tǒng)能夠提供實(shí)驗(yàn)全過程的指導(dǎo)，幫助學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)，達(dá)到掌握巖心地質(zhì)編錄的技能。

圖4 硬度測試和鹽酸反應(yīng)鑒定

4.2 訓(xùn)練功能

在訓(xùn)練功能環(huán)境下，學(xué)生在虛擬環(huán)境下模擬巖心地質(zhì)編錄，通過礦物、巖性、化石鑒定以及沉積構(gòu)造和接觸關(guān)系識(shí)別，完成鉆孔巖心描述卡片，然后系統(tǒng)可以給出所編錄巖心層段的參考標(biāo)準(zhǔn)(如圖5所示)，最終實(shí)現(xiàn)分層和綜述、繪制鉆孔巖心綜合柱狀圖的技能教學(xué)目標(biāo)。

圖5 分層描述

4.3 考核功能

在考核功能環(huán)境下，虛擬仿真系統(tǒng)會(huì)隨機(jī)抽取設(shè)定長度的鉆孔巖心，要求學(xué)生必須在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成巖心的地質(zhì)編錄，同時(shí)完成地層柱狀圖的編制，總結(jié)地質(zhì)相對(duì)演化史(沉積環(huán)境和沉積演化)，系統(tǒng)自動(dòng)給出考核成績(定性)和參考答案。教師可導(dǎo)出成績到指定的虛擬實(shí)驗(yàn)管理平臺(tái)，考核結(jié)果可管理。

5 結(jié)論

(1) 基于真實(shí)地質(zhì)鉆孔巖心開發(fā)高精度三維數(shù)字化地質(zhì)編錄系統(tǒng)，能精確演繹和再現(xiàn)巖心編錄的分層、描述、重要地質(zhì)現(xiàn)象(沉積構(gòu)造、接觸關(guān)系和特殊巖石等)素描和解釋、總結(jié)地質(zhì)相對(duì)演化史(沉積環(huán)境和沉積演化)等編錄場景，實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)勘探鉆孔巖心編錄過程的三維虛擬世界的實(shí)時(shí)交互和漫游。

(2) 采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和數(shù)值仿真開展鉆孔地質(zhì)編錄等實(shí)現(xiàn)實(shí)體實(shí)驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)的重現(xiàn)性，克服了實(shí)體實(shí)驗(yàn)成本高，巖心數(shù)量不足以同時(shí)完成多人同時(shí)進(jìn)行地質(zhì)編錄的缺陷。

(3) 建設(shè)圍繞“一核心、六模塊和二層次”進(jìn)行：以鉆孔巖心地質(zhì)編錄為核心，分為巖性巖相分層、分層描述、重點(diǎn)地質(zhì)現(xiàn)象識(shí)別、素描和解釋、巖心編錄成果圖、地層相對(duì)演化總結(jié)六個(gè)模塊，教學(xué)過程實(shí)現(xiàn)從認(rèn)知實(shí)訓(xùn)層次到創(chuàng)新層次的提升。

(4) 下一步將建立數(shù)字巖心數(shù)據(jù)庫：實(shí)現(xiàn)針對(duì)不同地層區(qū)域、不同構(gòu)造特征、不同礦產(chǎn)資源實(shí)物巖心的數(shù)字化。