基于Web GIS的多尺度“礦床學”3D虛擬標本庫建設

張明明，李曉暉，吳宇昂，毛玉榿，周濤發(fā)，2，袁 峰，2，4

1.合肥工業(yè)大學 資源與環(huán)境工程學院，安徽 合肥 230009；2.安徽省礦產(chǎn)資源與礦山環(huán)境工程技術(shù)研究中心，安徽 合肥 230009；3.合肥工業(yè)大學 資源與環(huán)境工程學院空間信息集成與綜合分析平臺，安徽 合肥 230009；4.中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所 新疆礦產(chǎn)資源與研究中心，新疆 烏魯木齊 830011

以能力為導向的“培養(yǎng)目標、教學過程、質(zhì)量提升”三位一體的教學體系是深化教育教學改革，創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的新型教學體系。需要以能力為導向制定培養(yǎng)目標，將“知識、能力、素質(zhì)”的要求完整融入其中，構(gòu)建“三層次”（基礎實踐層、實踐提高層、綜合創(chuàng)新層）、“三環(huán)節(jié)”（實驗、實習、實訓）全程貫穿、分層實現(xiàn)、循序漸進的實踐教學體系，同時加強實驗、實習及實訓條件建設。實踐能力培養(yǎng)是“能力導向的一體化教學體系”的重要組成部分，也是高校教育培訓的重中之重。

一、學科交叉是“礦床學”教學研究的必經(jīng)之路

“礦床學”教學以培養(yǎng)適應社會需求，具有實踐能力的高素質(zhì)專業(yè)型人才為最終目的，因此課程以案例教學為主要創(chuàng)新教學模式，通過大量野外實習促進學生準確掌握礦床分類，每種類型礦床在成礦地質(zhì)背景、地層、巖漿巖、構(gòu)造等方面的特征，培養(yǎng)學生的綜合實踐能力[1-2]。在近年來交叉學科日益發(fā)展的背景下，礦床學與地理信息科學、礦床學與地球物理學、礦床學與地球化學等在科學研究領(lǐng)域碰撞出火花，開發(fā)出了新的交叉學科方向，取得了很好的成果，具有良好的發(fā)展前景。但教學研究中交叉學科的發(fā)展略顯不足，需要廣大礦床學及相關(guān)領(lǐng)域的教育工作者做出更大的努力。

本文結(jié)合學科交叉的發(fā)展趨勢和社會需求及專業(yè)培養(yǎng)特色，建設礦床學3D虛擬標本庫，實現(xiàn)顯微照片、3D標本模型、觀察點3D場景等多尺度數(shù)據(jù)的集成，并建立WebGIS系統(tǒng)實習觀察路線、實習觀察點、實習觀察內(nèi)容的時空管理及數(shù)據(jù)更新維護功能，作為“礦床學”野外實習的必要補充，優(yōu)化相關(guān)的課程體系，改革實踐教學模式，全面提高學生的實踐能力和綜合素質(zhì)，推動綜合型人才的培養(yǎng)。

二、GIS技術(shù)的支持可提升“礦床學”野外實習的教學效果

傳統(tǒng)的礦床學實習分為實習前、實習中、實習后幾個階段，野外觀察主要在實習中進行，而實習前后著重于背景知識的介紹和記錄材料如照片、野外記錄等數(shù)據(jù)資料的整理[3]。實習中這一階段必須有足夠時間對野外觀察點場景及野外巖石、標本等進行詳細觀察，實習效果才能得到保證[4-5]。

由于課時、經(jīng)費及資源限制，礦床學野外實習時間及內(nèi)容受到限制，如果能將野外實習觀察提前至實習前讓學生身臨其境地了解實習路線、觀察點及所需觀察的標本形態(tài)、顏色等特征，明確觀察重點；在實習后，讓學生能夠通過反復復習觀察內(nèi)容，對觀察點細節(jié)、巖礦石標本等進行綜合對比、分析，即等于將實習中這一過程拓展至整個野外實習，教學效果將會得到大大提升。

因此迫切需要將礦山、巖礦石標本從野外搬到室內(nèi)，讓學生能夠在多次、重復的學習、觀察中熟練掌握野外勘查技能，但實際情況是由于礦山及大塊巖礦石標本不可能直接搬到室內(nèi)演示，因而必須借助其他手段彌補野外實習過程中的缺失。

近年來，地理信息科學及其產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，組件 GIS、WebGIS、三維 GIS、OpenGIS和 3S集成成為地理信息科學技術(shù)的研究熱點和發(fā)展趨勢[6]。特別是三維GIS是地球空間信息學的重要組成部分,也是數(shù)字地球和數(shù)字城市的重要技術(shù)基礎[7-8]。在地質(zhì)、工程、城市建設等領(lǐng)域，三維模型可融合多源海量信息，可多尺度清晰地反映地上地下的空間結(jié)構(gòu)[9]，支持模型的任意旋轉(zhuǎn)、剖切、透視和查詢，可準確模擬各種現(xiàn)象和過程[10]，具有極強的生命力。因此為延伸“礦床學”實習過程，提升實習效果，急需GIS強大的時空數(shù)據(jù)管理及三維建模等技術(shù)的支持。

三、基于Web GIS的多尺度“礦床學”3D虛擬標本庫建設

結(jié)合“礦床學”野外實習的教學需求，在構(gòu)建以能力為導向的“培養(yǎng)目標、教學過程、質(zhì)量提升”三位一體的教學體系的指導下，將地理信息科學的WebGIS和3D建模技術(shù)及礦床學實踐教學聯(lián)系起來，在教學研究過程中發(fā)展學科交叉方向，巖礦石標本、巖心使用多視圖三維重建技術(shù)進行建模，采用Agisoft photoscan軟件導入具有一定重疊率的數(shù)碼影像生成高質(zhì)量的正射影像和三維模型[11-12]，同時將顯微照片、3D標本模型、觀察點3D場景等多尺度數(shù)據(jù)進行集成，以Web頁面作為引導，一體化展示多尺度數(shù)據(jù)，將文字信息、二維地圖與圖片信息與三維模型和場景信息結(jié)合進行交互式操作，以空間位置作為線索，對實習觀察路線、實習觀察點、實習觀察內(nèi)容進行時空管理，建立集成時空數(shù)據(jù)庫管理功能的WebGIS系統(tǒng)，采用WebGL、Web3D、GPU等技術(shù)提供沉浸式的教學功能[13]，并提供便捷的數(shù)據(jù)、模型更新維護功能，使學生通過電腦、手機等外設即可多次重復回顧野外實習過程，觀察標本，可自主自發(fā)地進行實習內(nèi)容的交互式操作。建設步驟如下。

1.“礦床學”野外實習路線、觀察點、巖礦石標本整理

收集、整理以往礦床學野外實習資料，精簡、整理野外實習路線及觀察點，通過項目組成員野外現(xiàn)場討論等手段確定進入系統(tǒng)的實習路線及觀察點，并按照建模要求補充實習路線及觀察點資料；整理及補充巖礦石標本，對不能移動的標本按照建模要求在現(xiàn)場拍照，對已采集標本在實驗室進行全方位拍照；系統(tǒng)整理所收集資料、照片，建立文檔、圖像數(shù)據(jù)庫。

2.多尺度“礦床學”3D虛擬標本庫建設

將巖礦石標本、巖心照片進行整理，去除重復信息，補充缺失信息，基于照片建模技術(shù)對連接點進行深度過濾，生成密集點云（圖1a）、格網(wǎng)和紋理（圖1b），去除陰影、反光等不良信息，生成3D模型（圖1c）。同時基于空間坐標和采樣位置將對應的顯微照片、3D標本模型、觀察點3D場景等多尺度數(shù)據(jù)進行集成。

3.基于Web GIS的標本庫集成與發(fā)布

將實習觀察路線、實習觀察點、實習觀察內(nèi)容通過地圖進行集成（圖2）?；贘avaScript+PHP+OpenLayer的開源js類庫開發(fā)相應的WebGIS系統(tǒng)。使用對所有模型進行發(fā)布，考慮到瀏覽器與WebGL引擎的性能與高質(zhì)量建模的需要，系統(tǒng)提供超高質(zhì)量和中低質(zhì)量兩種類型的模型。

其中高清模型以數(shù)據(jù)索引方式進行發(fā)布；中低質(zhì)量模型提供交互式操作功能，包括基于WebGL的引擎模型的自由瀏覽、縮放、光線調(diào)節(jié)以及礦石信息查看（圖3），場景內(nèi)礦石模型切換，基于JQuery框架的顯微結(jié)構(gòu)的瀏覽（圖4，圖5）等。開發(fā)數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)、模型的上傳、更新維護等功能。

圖1 巖礦石3d建模

圖2 實習過程信息集成

圖3 礦石信息查看（手機客戶端）

圖4 顯微結(jié)構(gòu)（1級）

圖5 顯微結(jié)構(gòu)（2級）

四、總結(jié)

虛擬標本庫的建設可彌補“礦床學”野外實習過程中由于各種限制無法詳細、多次觀察每個觀察點、每塊巖礦石標本的缺陷，改革了野外實習的實踐教學模式。并將“礦床學”與地理信息科學不同學科的交叉從科研發(fā)展到教學，完善了教學體系的建設。虛擬模型、WebGIS這些新的學習方式也可激發(fā)學生的學習興趣，提高學習的自主性和創(chuàng)新性，提升學生的綜合素質(zhì)，推動創(chuàng)新實踐人才的培養(yǎng)。