3D全景技術(shù)在野外 地質(zhì)實(shí)習(xí)中的應(yīng)用

林少澤 楊海清 王桂林

摘要：從野外地質(zhì)實(shí)習(xí)的教學(xué)現(xiàn)狀出發(fā)，結(jié)合其特點(diǎn)和需求，應(yīng)用3D全景技術(shù)為野外地質(zhì)實(shí)踐教學(xué)提供有效的輔助手段。利用高分辨率全景影像重現(xiàn)真實(shí)的野外環(huán)境和地質(zhì)現(xiàn)象，為學(xué)生提供身臨其境般的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，從而充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，并有效提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量，進(jìn)而探索一種野外地質(zhì)實(shí)習(xí)與3D全景技術(shù)相結(jié)合的教學(xué)模式。

關(guān)鍵詞：野外地質(zhì)實(shí)習(xí);3D全景技術(shù);實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量

中圖分類號(hào)：G64244?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?文章編號(hào)：1005?2909（2019）03?0134?05

野外地質(zhì)實(shí)習(xí)是地質(zhì)類專業(yè)教學(xué)的重要內(nèi)容，屬于課堂理論教學(xué)的拓展和延伸，也是理論與實(shí)際相結(jié)合、培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)與實(shí)踐能力、掌握野外地質(zhì)工作技能與方法、提高分析和解決實(shí)際問題能力的有效教學(xué)手段[1-4]。因此，各地質(zhì)類院校在人才培養(yǎng)中均十分重視野外地質(zhì)實(shí)習(xí)教學(xué)課程的建設(shè)。

縱觀目前國內(nèi)地質(zhì)院校開展的野外地質(zhì)實(shí)習(xí)，主要采用以教師為主的“填鴨式”教學(xué)方法，學(xué)生在實(shí)習(xí)過程中只是知識(shí)的被動(dòng)接受者，違背了野外地質(zhì)實(shí)踐教學(xué)的初衷。現(xiàn)有的教學(xué)模式無法使學(xué)生獲得對(duì)野外環(huán)境的完整認(rèn)識(shí)，難以快速適應(yīng)野外現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)的要求，導(dǎo)致理論學(xué)習(xí)與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)，已經(jīng)不能達(dá)到野外實(shí)踐教學(xué)的預(yù)期效果。造成此種現(xiàn)狀的原因，主要是缺少一種能讓學(xué)生提前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)的野外實(shí)踐現(xiàn)代教育手段，缺少一個(gè)能將豐富的教學(xué)內(nèi)容和實(shí)習(xí)點(diǎn)完整呈現(xiàn)并引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的教學(xué)輔助系統(tǒng)。

在現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)高速發(fā)展的今天，傳統(tǒng)的教學(xué)方式顯然已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)現(xiàn)代化人才培養(yǎng)的需求。在教學(xué)過程中，教師要善于運(yùn)用多媒體技術(shù)實(shí)現(xiàn)教學(xué)形式、教學(xué)方法和教學(xué)手段的多樣化和現(xiàn)代化，充分激發(fā)學(xué)生的求知欲，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性，讓學(xué)生主動(dòng)參與教學(xué)過程，切實(shí)發(fā)揮其主體作用，從而提高教學(xué)質(zhì)量。鑒于此，針對(duì)野外地質(zhì)實(shí)習(xí)中存在的實(shí)際問題，依托秭歸實(shí)習(xí)基地，結(jié)合當(dāng)前流行的3D全景技術(shù)，以勘查技術(shù)與工程專業(yè)秭歸巖土工程地質(zhì)綜合實(shí)習(xí)為例，探討3D全景技術(shù)在野外地質(zhì)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用，從而探索一種野外地質(zhì)實(shí)習(xí)與3D全景技術(shù)相結(jié)合的教學(xué)模式。

一、基于3D全景技術(shù)的野外實(shí)踐教學(xué)輔助系統(tǒng)

傳統(tǒng)的野外實(shí)習(xí)教學(xué)輔助系統(tǒng)一般都具有野外地圖瀏覽和導(dǎo)航、野外實(shí)習(xí)路線簡介、野外教學(xué)點(diǎn)介紹等功能[2-3，5-6]。而基于3D全景技術(shù)的野外實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)，不僅具備這些常規(guī)功能，還具有教學(xué)點(diǎn)3D全景影像瀏覽的功能。該系統(tǒng)中的教學(xué)點(diǎn)3D全景影像能還原真實(shí)直觀的野外現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)在室內(nèi)環(huán)境下對(duì)野外環(huán)境的全景體驗(yàn)，為學(xué)生提供全方位的全景信息，滿足學(xué)生對(duì)野外教學(xué)點(diǎn)的觀察要求。目前已經(jīng)完成了該輔助教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)，并將其應(yīng)用于秭歸地區(qū)的野外實(shí)習(xí)中，其中教學(xué)點(diǎn)3D全景影像的采集主要利用無人機(jī)和全景相機(jī)等設(shè)備完成。結(jié)合秭歸教學(xué)路線中主要教學(xué)點(diǎn)，著重探討3D全景技術(shù)在野外實(shí)踐教學(xué)中的實(shí)際應(yīng)用。

教學(xué)點(diǎn)實(shí)例1?秭歸實(shí)踐教學(xué)路線中，蘭陵溪-九曲垴路線是秭歸實(shí)習(xí)區(qū)內(nèi)新元古界南華系與震旦系地層出露最好且連續(xù)性較好的一條路線，沿途可以觀察新元古界南華系蓮沱組（Nh1l）和南沱組（Nh2n）、震旦系陡山沱組（Z1d）和燈影組（Z2dn）地層巖性組合特征、接觸關(guān)系及地層中各類構(gòu)造現(xiàn)象。箱狀褶皺教學(xué)點(diǎn)是一巖性控制點(diǎn)，也是一構(gòu)造觀察點(diǎn)，該褶皺構(gòu)造發(fā)育于陡山沱組地層中（圖1）。在3D全景影像中，可以看到陡山沱組巖性為灰白色薄-中厚層白云巖與灰黑色炭質(zhì)頁巖、泥巖互層。此處巖層中發(fā)育有一小型箱狀褶皺，其轉(zhuǎn)折端寬闊平直，兩翼產(chǎn)狀較陡，分別向北西和南東方向傾斜，整體形狀如箱狀，并具有一對(duì)共軛軸面，巖層產(chǎn)狀沿褶皺右翼向西漸趨平緩， 產(chǎn)狀為200°∠30°（圖1）。利用3D全景影像，可以清楚地觀察到陡山沱組巖層的巖性特征與地層產(chǎn)狀。

教學(xué)點(diǎn)實(shí)例2?茅坪溪第四紀(jì)地貌單元教學(xué)點(diǎn)位于茅坪溪與干溪溝交匯處。借助于3D全景影像，可進(jìn)行大范圍河谷地貌觀察和小范圍第四紀(jì)沉積物觀察，在3D全景影像中能非常清楚地觀察到茅坪溪現(xiàn)代河谷地貌和階地沖積物的二元結(jié)構(gòu)（圖2）。階地沖積物大致可分兩層，上部為粘土層，厚度不均，約為0～40 cm，下部為礫石層，礫石成分為砂巖、灰?guī)r和花崗巖。礫石層母巖為河流上游山體巖石，由水流搬運(yùn)堆積到此，磨圓度好，有一定分選性，半固結(jié)，礫石分層不明顯，礫石之間由細(xì)沙填充。礫石扁平面具有一定傾斜度，其代表當(dāng)時(shí)河水流動(dòng)方向。通過3D全景影像，可以引導(dǎo)學(xué)生觀察分析河谷地貌及河流階地的成因、形態(tài)要素及特征。

教學(xué)點(diǎn)實(shí)例3?張家沖小流域水土保持試驗(yàn)場(chǎng)主要用于研究庫區(qū)秭歸縣水土流失問題，包括小氣候的觀測(cè)、1.26平方公里閉合匯水區(qū)及徑流量與水土流失的關(guān)系。為探討花崗巖類區(qū)水土流失規(guī)律，該水土保持試驗(yàn)場(chǎng)共有14個(gè)小試驗(yàn)區(qū)研究水土流失情況，分別為：不同坡度的水土流失試驗(yàn)場(chǎng)（坡度分別為5°、8°、15°、20°）、石坎梯田種糧、土坎梯田種柑、土坎籬種柑、坡籬種糧、坡籬種茶、坡籬種柑、坡地種糧、坡地種茶、坡地種柑、荒坡地（圖3）。在3D全景影像中，可以了解該試驗(yàn)場(chǎng)所處的周圍環(huán)境及地貌概況，利用3D全景影像中的放大功能進(jìn)行觀察，可以清楚地觀察到14個(gè)小試驗(yàn)區(qū)的作物與坡地的組合類型及差異（圖3）。通過3D全景影像，可以引導(dǎo)學(xué)生了解不同坡地與耕作方式對(duì)土壤造成的不同程度的侵蝕和對(duì)水土流失的影響，認(rèn)識(shí)三峽庫區(qū)水土流失的成因與危害，最后討論并提出治理該地水土流失的合理對(duì)策和措施。

與傳統(tǒng)的平面照片相比，3D全景影像不受單次拍照視角限制，圖像信息量更加豐富，實(shí)現(xiàn)對(duì)野外自然環(huán)境場(chǎng)景的真實(shí)再現(xiàn)，從而為學(xué)生提供真實(shí)感更強(qiáng)烈的觀測(cè)效果與交互體驗(yàn)。此外，3D全景影像瀏覽不受時(shí)間、地點(diǎn)的限制，學(xué)生在室內(nèi)就可以選擇教學(xué)點(diǎn)查看相應(yīng)的3D全景影像，既方便學(xué)生在實(shí)習(xí)之前了解實(shí)習(xí)地區(qū)的基本地質(zhì)概況，又可幫助學(xué)生在野外實(shí)習(xí)結(jié)束后對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行回顧總結(jié)。

二、3D全景技術(shù)教學(xué)輔助系統(tǒng)的特色分析

傳統(tǒng)的野外地質(zhì)實(shí)踐教學(xué)中存在的不足主要包括：一方面，學(xué)生在野外實(shí)習(xí)之前對(duì)實(shí)習(xí)區(qū)的野外環(huán)境和地質(zhì)情況缺乏了解，直接進(jìn)行野外教學(xué)難以達(dá)到最佳學(xué)習(xí)效果;另一方面，由于野外實(shí)習(xí)內(nèi)容多、時(shí)間緊湊、教學(xué)點(diǎn)分散、地質(zhì)現(xiàn)象復(fù)雜等因素，走馬觀花的實(shí)地教學(xué)往往難以使學(xué)生建立宏觀的思路和完整的知識(shí)體系，從而限制了學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的發(fā)揮。傳統(tǒng)教學(xué)本身存在的問題只能通過新的教學(xué)理念和方式來解決，而基于3D全景技術(shù)的野外實(shí)踐教學(xué)輔助系統(tǒng)為解決這些問題提供了有效可行的路徑。

近兩年，將野外實(shí)踐教學(xué)輔助系統(tǒng)應(yīng)用于勘查技術(shù)工程專業(yè)秭歸巖土工程綜合野外實(shí)習(xí)中，野外教學(xué)效果提升顯著，受到了帶隊(duì)教師和學(xué)生的一致好評(píng)。在野外實(shí)習(xí)之前，借助于該教學(xué)輔助系統(tǒng)，學(xué)生可以提前進(jìn)行實(shí)習(xí)區(qū)的地質(zhì)圖瀏覽、地質(zhì)教學(xué)路線介紹、實(shí)習(xí)知識(shí)點(diǎn)提示以及地質(zhì)現(xiàn)象3D全景預(yù)覽，滿足野外教學(xué)中學(xué)生前期自習(xí)的要求，讓學(xué)生做到心中有數(shù)，從而為野外地質(zhì)實(shí)習(xí)打下良好基礎(chǔ)。在野外實(shí)習(xí)過程中，該教學(xué)輔助系統(tǒng)除了在路線設(shè)計(jì)、教學(xué)點(diǎn)定位與野外導(dǎo)航方面為教師提供了極大的便利，同時(shí)也為學(xué)生提供了豐富的教學(xué)點(diǎn)信息預(yù)覽（包括圖片與3D全景影像瀏覽），幫助學(xué)生建立系統(tǒng)、直觀的認(rèn)識(shí)。值得指出的是，在地質(zhì)實(shí)習(xí)之后，學(xué)生也可以通過該教學(xué)輔助系統(tǒng)對(duì)實(shí)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行復(fù)習(xí)和鞏固，對(duì)關(guān)鍵的地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行回顧和3D全景瀏覽，加深對(duì)實(shí)習(xí)內(nèi)容的理解和記憶。該野外實(shí)踐教學(xué)輔助系統(tǒng)的最大特色在于為學(xué)生進(jìn)行野外實(shí)習(xí)路線和實(shí)習(xí)內(nèi)容的課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)提供了極大的便利，并引導(dǎo)學(xué)生從“要我學(xué)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤拔乙獙W(xué)”，讓學(xué)生更主動(dòng)地參與到野外實(shí)踐教學(xué)中來，同時(shí)也為野外地質(zhì)實(shí)踐教學(xué)帶來了新手段，顯著提高了教學(xué)效率與質(zhì)量。

三、關(guān)于3D全景技術(shù)教學(xué)輔助系統(tǒng)的思考

3D全景技術(shù)教學(xué)輔助系統(tǒng)在野外地質(zhì)實(shí)習(xí)中能滿足學(xué)生自學(xué)及后期復(fù)習(xí)的需求，在野外實(shí)踐教學(xué)中體現(xiàn)了方便、高效的優(yōu)勢(shì)，但是3D全景技術(shù)教學(xué)輔助系統(tǒng)在秭歸實(shí)踐教學(xué)應(yīng)用中仍然存在一些不足。首先是3D全景影像數(shù)據(jù)的采集不夠全面，由于秭歸地區(qū)野外地質(zhì)教學(xué)路線比較多，目前所采集的數(shù)據(jù)只覆蓋了單個(gè)教學(xué)點(diǎn)，還不能呈現(xiàn)一條完整的地質(zhì)教學(xué)路線，缺乏從點(diǎn)到線的連續(xù)性體現(xiàn);其次是有些地質(zhì)現(xiàn)象由于樹木的遮擋而無法拍攝到，需要單獨(dú)進(jìn)行拍攝處理。另外，對(duì)于巖體中的小構(gòu)造和古生物等微觀的地質(zhì)現(xiàn)象無法清晰顯示，比如，斷層上的擦痕與階步及灰?guī)r中的生物碎屑化石等均需要進(jìn)行額外的補(bǔ)充。因此，由于3D全景技術(shù)的局限性和地質(zhì)實(shí)踐教學(xué)的特殊性，3D全景技術(shù)不能替代野外實(shí)踐教學(xué)，只能作為有效的補(bǔ)充手段為野外教學(xué)服務(wù)。同時(shí)，需要采集更多的野外路線數(shù)據(jù)，尤其是針對(duì)一些具體的地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行更詳細(xì)的拍攝，不斷改進(jìn)和完善3D全景技術(shù)教學(xué)輔助系統(tǒng)，更好地滿足野外實(shí)踐教學(xué)的需求。

四、結(jié)語

教學(xué)輔助系統(tǒng)將3D全景技術(shù)引入秭歸地質(zhì)實(shí)踐教學(xué)中，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)教學(xué)點(diǎn)的三維現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)野外地圖瀏覽與導(dǎo)航、實(shí)習(xí)路線及教學(xué)點(diǎn)介紹、教學(xué)點(diǎn)3D全景影像等功能。該教學(xué)輔助系統(tǒng)可以滿足學(xué)生野外實(shí)習(xí)前期預(yù)習(xí)與后期復(fù)習(xí)的需求，為秭歸實(shí)踐教學(xué)提供一種新的手段。該教學(xué)輔助系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)的教學(xué)觀念和教學(xué)方式，學(xué)生不再一味地依靠教師的傳授，而是通過該系統(tǒng)更自主地獲取知識(shí)?；?D全景技術(shù)的教學(xué)方式，能真正發(fā)揮學(xué)生在實(shí)習(xí)中的主導(dǎo)作用，有利于提高學(xué)生的積極性和參與度，讓學(xué)生主動(dòng)地探究地質(zhì)實(shí)習(xí)問題，從而促進(jìn)學(xué)生的自主實(shí)踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。此外，該教學(xué)輔助系統(tǒng)可以極大地減輕教師的備課壓力，對(duì)于提高野外教學(xué)效率與質(zhì)量，優(yōu)化傳統(tǒng)地質(zhì)實(shí)踐教學(xué)模式具有重要作用。參考文獻(xiàn)：

[1]朱世發(fā)， 朱筱敏， 董艷蕾.野外地質(zhì)教學(xué)實(shí)習(xí)課程的考核方式改革探索[J]. 教育教學(xué)論，2015（35）： 107-108.

[2]劉曉， 張照錄， 袁宴明， 等.基于Android的野外地質(zhì)實(shí)習(xí)輔助教學(xué)系統(tǒng)[J]. 中國地質(zhì)教育， 2015（1）：119-120.

[3]劉曉， 張照錄， 袁宴明， 等. 野外地質(zhì)實(shí)習(xí)輔助教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)[J]. 實(shí)驗(yàn)室技術(shù)與管理， 2015，32（7）： 83-85.

[4]唐章英， 王成武， 張延山， 等.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[J]. 教育教學(xué)論壇， 2017（21）： 37-38.

[5]祝德顯.基于Web的虛擬野外地質(zhì)實(shí)習(xí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 內(nèi)江科技， 2013（2）： 96-97.

[6]宋璠， 蘇妮娜.山東省新汶地區(qū)野外地質(zhì)實(shí)習(xí)輔助教學(xué)系統(tǒng)構(gòu)建[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索， 2017，36（9）： 211-215.

Application of 3D panoramic technology in the field geological practice

LIN Shaoze， YANG Haiqing， WANG Guilin

（School of Civil Engineering， Chongqing University， Chongqing 400045， P. R. China）

Abstract：

Based on current teaching status of field geological practice， the 3D panoramic technology is employed as an auxiliary tool to effectively conduct the field geological practice teaching combining with its characteristics and demanding. The real wild environments and geological phenomena can be reproduced by using high?resolution panoramic images. It provides the students a real learning experience which can actively mobilize their learning enthusiasm and effectively improve the quality of practice teaching， andexplores a teaching mode combing the field geological practice and the 3D panoramic technology.

Key words：field geological practice; 3D panoramic technology; quality of practice teaching