基于三維數(shù)字露頭模型的野外地質(zhì)教學(xué)方法探討

王 冉

長(zhǎng)安大學(xué) 地球科學(xué)與資源學(xué)院，陜西 西安 710054

教育不光要注重內(nèi)容，還要注重形式[1]。計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)（Computer Aided Instruction，簡(jiǎn)稱CAI）作為一種在計(jì)算機(jī)輔助下進(jìn)行的各種教學(xué)活動(dòng)的重要形式[2]，近40年來(lái)取得了長(zhǎng)足發(fā)展，形成了現(xiàn)在流行的多媒體計(jì)算機(jī)教學(xué)，它具有能夠綜合處理文字、圖像、聲音、圖形的能力，顯示了計(jì)算機(jī)在教育方面的非凡才能[2-4]。其中，利用計(jì)算機(jī)模仿真實(shí)現(xiàn)象(自然的或人為的現(xiàn)象)并加以控制是非常重要的一個(gè)方面[2,4]。

就地學(xué)而言，尤其是地質(zhì)學(xué)，物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間尺度較大，多以百萬(wàn)年（Ma）計(jì)算，可視為靜物或者剛體。為了方便和包容性教學(xué)[5]，前人早期進(jìn)行了一系列關(guān)于虛擬野外旅行（Virtual Field Trip，簡(jiǎn)稱VFT）方面的探索[6-10]，但多注重虛擬效果的演示，數(shù)據(jù)的獲取方式仍然停留在人工方式，而不是真三維遙感。近年來(lái)，三維數(shù)字露頭模型（Digital Outcrop Model，縮寫DOM）[11]的出現(xiàn)為地質(zhì)學(xué)的三維數(shù)據(jù)的獲取和顯示帶來(lái)了新的契機(jī)。筆者應(yīng)用SfM（Structure from Motion，譯為運(yùn)動(dòng)恢復(fù)結(jié)構(gòu)）和激光雷達(dá)（LiDAR）技術(shù)進(jìn)行了DOM重建實(shí)驗(yàn)，取得了一些進(jìn)展[12-15]。爾后，筆者將這一新的技術(shù)應(yīng)用到西安高校地學(xué)專業(yè)經(jīng)典實(shí)習(xí)露頭—口鎮(zhèn)斷層[16]，得到的三維場(chǎng)景模型能夠較好地反映斷層地貌和地質(zhì)特征，并進(jìn)行了教學(xué)實(shí)踐應(yīng)用，效果較好，有效提高了教學(xué)質(zhì)量，降低了野外勞動(dòng)強(qiáng)度和風(fēng)險(xiǎn)。

一、野外教學(xué)內(nèi)容的選擇

口鎮(zhèn)—關(guān)山斷層是多期構(gòu)造活動(dòng)產(chǎn)物，早期至少可追溯到燕山期的褶皺沖斷作用，致使斷層部分地段傾角低緩，小于45°，可與北側(cè)前三疊紀(jì)地層的強(qiáng)烈褶皺變形配套[16]；晚期發(fā)育在新構(gòu)造期，轉(zhuǎn)變?yōu)樯煺箻?gòu)造系統(tǒng)，整條斷層的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出一條正斷層系統(tǒng)，成為鄂爾多斯活動(dòng)塊體和渭河活動(dòng)盆地之間的一條邊界斷裂，也是一條發(fā)震構(gòu)造，地震活動(dòng)監(jiān)測(cè)顯示沿著斷層有儀器地震記錄，目前尚無(wú)破壞性地震報(bào)道；變形監(jiān)測(cè)顯示口鎮(zhèn)—關(guān)山斷裂現(xiàn)今仍以0.75mm/a的速率正傾滑，并沿?cái)嗔炎呦蛴袕埿缘亓芽p發(fā)育[17]。

該條斷層在口鎮(zhèn)地區(qū)出露最好，斷面上有不同期次方解石新生薄膜，厚度較小，0.5～2cm不等，偶見(jiàn)擦痕階步。斷層露頭產(chǎn)狀：179°∠40°～50°。目的地位于涇陽(yáng)縣口鎮(zhèn)，從西安市出發(fā)驅(qū)車經(jīng)國(guó)道211可達(dá)。露頭處地勢(shì)起伏較大，地貌以近東西向斷層線、斷層面和盆地邊緣沉積以及近乎垂直于斷層走向的山區(qū)基巖障谷和盆地松散堆積物峽谷為主，向北為狹窄的河道，向南逐漸變?yōu)殚_(kāi)闊平地。夏季水流已干涸，植物以較矮小的灌木為主。口鎮(zhèn)位于南北向河谷東側(cè)，構(gòu)造上處于斷裂上盤（山麓平臺(tái)）。

鑒于此，口鎮(zhèn)斷層露頭點(diǎn)一直都是西安市設(shè)有地質(zhì)地理類專業(yè)高校的經(jīng)典野外地質(zhì)路線和露頭[16]。長(zhǎng)安大學(xué)、西北大學(xué)、西安科技大學(xué)、西安石油大學(xué)等高校大一地質(zhì)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)均選擇在此處進(jìn)行。

二、三維數(shù)字露頭模型助力野外地質(zhì)教學(xué)

1.資料調(diào)研

在進(jìn)行實(shí)地考察之前，需要對(duì)目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行踏勘觀察，以決定選擇后續(xù)的數(shù)據(jù)獲取方式。因而首先要在室內(nèi)檢索文獻(xiàn)，以了解目標(biāo)露頭的自然地理、交通和地質(zhì)等概況。交通路線的設(shè)計(jì)可以用電子地圖（如谷歌地圖）或紙質(zhì)地圖完成。露頭目標(biāo)的尋找可憑借遙感影像目視解譯完成。

2.露頭三維場(chǎng)景重建

DOM概念最早可見(jiàn)于國(guó)外地基激光雷達(dá)生成地層模型并進(jìn)行儲(chǔ)層和構(gòu)造解譯的研究中[11]，DOM的應(yīng)用也隨之如雨后春筍般涌現(xiàn)。本文探討的DOM，有兩種點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取方式：一種是利用激光雷達(dá)（LiDAR）技術(shù)；另一種是依靠運(yùn)動(dòng)恢復(fù)結(jié)構(gòu)（Structure from Motion，縮寫SfM）。

LiDAR目前可以獲得mm尺度的點(diǎn)云，這些點(diǎn)云是目標(biāo)屬性（X，Y，Z，I）的集合，只有空間坐標(biāo)值和光強(qiáng)值，沒(méi)有目標(biāo)物體光譜信息。不過(guò)，可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行拍照，選擇特征點(diǎn)匹配，通過(guò)數(shù)據(jù)融合的方式增加真彩色信息[13]。搭載平臺(tái)可以是無(wú)人機(jī)，也可以是各種交通工具，以背包最為便捷。

SfM方法僅需普通單反相機(jī)，生成的點(diǎn)云具有空間坐標(biāo)(X，Y，Z)和真彩色RGB信息。實(shí)踐SfM方法的前提是獲得場(chǎng)景目標(biāo)的高質(zhì)量的影像集[14-15]，以新近在地學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)展做參考[18]。

不論是激光雷達(dá)獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)還是用序列照片生成的點(diǎn)云，后期DOM的重建方法都是類似的。針對(duì)選擇的教學(xué)實(shí)例，進(jìn)行DOM重建，效果如圖1a和圖1b所示。在DOM上，可以獲得目標(biāo)的形貌參數(shù)，如構(gòu)造幾何學(xué)關(guān)心的各類面理的產(chǎn)狀。

圖1 陜西口鎮(zhèn)斷層DOM展示效果a.DOM側(cè)視圖；b.DOM俯視圖；c.錄屏軟件中進(jìn)行標(biāo)注的截屏

3.視頻生成和講解加載

該過(guò)程是不同專業(yè)的地學(xué)教師對(duì)同一DOM進(jìn)行各專業(yè)學(xué)科信息的提取和再現(xiàn)。在生成DOM之后，可以進(jìn)而制作不同比例尺、不同視角的瀏覽視頻（圖1c），并針對(duì)DOM上的感興趣區(qū)進(jìn)行具體的標(biāo)注和講解，如地貌、巖性和構(gòu)造等。這一過(guò)程還包括各專業(yè)教師對(duì)同一DOM不同方面知識(shí)的語(yǔ)音加載，需借助錄屏軟件完成。

4.室內(nèi)視覺(jué)和操作體驗(yàn)

學(xué)生對(duì)加載了教師知識(shí)講解內(nèi)容的DOM視頻進(jìn)行觀看，之后可以對(duì)DOM進(jìn)行各類瀏覽、查詢、旋轉(zhuǎn)、量測(cè)等操作，通過(guò)視覺(jué)效果，加深感性認(rèn)識(shí)。同樣可以測(cè)量目標(biāo)的形貌參數(shù)，并根據(jù)真彩色信息和地形差異特征初步判斷巖性。在野外觀察時(shí)，地球是相對(duì)靜止的，活動(dòng)的是觀察者；但在室內(nèi)觀察時(shí)，人已不能置身影像中活動(dòng)，想要達(dá)到身臨其境的效果，就必須讓圖像展示出三維立體的效果，并讓它動(dòng)起來(lái)，由遠(yuǎn)及近，由近及遠(yuǎn)，反復(fù)變換尺度；由高到低，由低到高，反復(fù)變換視角，還可以出現(xiàn)俯瞰視角，這是野外地面觀察不具備的。

5.野外再體驗(yàn)

在室內(nèi)充分做好前述各項(xiàng)環(huán)節(jié)之后，可組織野外再體驗(yàn)，進(jìn)行一些影像上無(wú)法完成的工作，比如打開(kāi)巖石新鮮面、用小刀刻畫巖石等方式以觀察巖性、采樣等。當(dāng)然，對(duì)于影像上感興趣的構(gòu)造，在人工可達(dá)的位置，可以在野外用羅盤等測(cè)量產(chǎn)狀，用直尺測(cè)量長(zhǎng)度，用于驗(yàn)證影像測(cè)量得到的形貌參數(shù)。

6.露頭內(nèi)容的反饋與修正

不論是LiDAR還是SfM得到的點(diǎn)云，都可能出現(xiàn)局部數(shù)據(jù)缺失的情況，這在野外現(xiàn)場(chǎng)露頭數(shù)據(jù)采集的過(guò)程中是無(wú)法全部預(yù)料和控制的。因此建立的點(diǎn)云總是存在空洞和局部稀疏的情況。因此露頭數(shù)據(jù)需要人工檢查之后，再補(bǔ)充野外露頭影像和點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集，室內(nèi)重新重復(fù)前述第二個(gè)環(huán)節(jié)。這項(xiàng)工作也可以由學(xué)生來(lái)完成。

7.室內(nèi)外練習(xí)研究

完成前述六大環(huán)節(jié)之后，實(shí)際上工作已經(jīng)閉環(huán)。但對(duì)于學(xué)習(xí)而言，尚需多加練習(xí)，可以反復(fù)重復(fù)前述的第四、五環(huán)節(jié)。

三、關(guān)于真三維數(shù)字露頭模型優(yōu)點(diǎn)的討論

觀察是科學(xué)研究的首要環(huán)節(jié)，然而地質(zhì)學(xué)的實(shí)驗(yàn)室在野外那廣闊天地間，像物理學(xué)家那樣泡實(shí)驗(yàn)室看似不大可能，但真三維數(shù)字模型卻讓地質(zhì)學(xué)家如愿以償。上述教學(xué)模式可被看作一種計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)（CAI），它為學(xué)生提供一個(gè)良好的個(gè)人化學(xué)習(xí)環(huán)境。綜合應(yīng)用多媒體、超文本、人機(jī)交互、網(wǎng)絡(luò)通信和知識(shí)庫(kù)等計(jì)算機(jī)技術(shù)，克服了傳統(tǒng)教學(xué)情景方式上單一、片面的缺點(diǎn)[1-9]。它的使用能有效地縮短學(xué)習(xí)時(shí)間、提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的教學(xué)目標(biāo)。對(duì)于地學(xué)類的教學(xué)而言，真三維的DOM場(chǎng)景重建至關(guān)重要。這里通過(guò)與傳統(tǒng)人工填繪的二維地形地質(zhì)圖以及2.5維的模擬場(chǎng)景進(jìn)行對(duì)比，即可顯示真三維DOM的優(yōu)勢(shì)。

1.與傳統(tǒng)人工填制二維地形地質(zhì)圖的比較

截至2019年，得到最廣泛應(yīng)用的地質(zhì)圖仍然是人工填制的二維地形地質(zhì)圖。然而人工野外調(diào)查的方式留下了若干空白，畢竟仍有大量人力不可達(dá)的地區(qū)。唐朝詩(shī)人賈島面對(duì)秦嶺深處安業(yè)縣（現(xiàn)鎮(zhèn)安縣）的山勢(shì)險(xiǎn)要，寫出了“一山未了一山迎，百里都無(wú)半里平。宜是老禪遙指處，只堪圖畫不堪行?！保ㄕ浴额}安業(yè)縣》）的詩(shī)句。寥寥數(shù)語(yǔ)，點(diǎn)破了人力實(shí)地踏勘之艱辛，甚或不可達(dá)的情況。這說(shuō)明了在復(fù)雜地形等“不堪行”之調(diào)研條件下，非接觸的感知方法（星—空—地遙感）幾乎是對(duì)地觀測(cè)過(guò)程中不可替代的重要途徑。另一方面，在野外現(xiàn)場(chǎng)，觀察者依靠自身的科學(xué)理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，來(lái)提取客觀對(duì)象蘊(yùn)含的且觀察者感興趣的信息，如構(gòu)造信息、巖性信息等。這一過(guò)程中，“看”和“見(jiàn)”是合二為一的?！八础辈⑽吹玫秸鎸?shí)記錄，而記錄的僅是感興趣的“所見(jiàn)”。這種方式獲得的信息不僅不完備，同時(shí)也是離散的點(diǎn)，有盲人摸象之嫌。

考慮到DOM的實(shí)現(xiàn)主要通過(guò)攝影測(cè)量法或激光雷達(dá)技術(shù)生成，既可人工地面操作，也可以通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載，只是部分標(biāo)識(shí)點(diǎn)需要RTK-GPS進(jìn)行人工測(cè)量。因此，DOM基本上承襲了遙感的宏觀、全面、及時(shí)和遙測(cè)等特點(diǎn)，能夠克服人工獲取地物數(shù)據(jù)的不可達(dá)性、片面性和離散性。

2.與2.5維模擬場(chǎng)景的比較

現(xiàn)階段星—空遙感和DEM（數(shù)字高程模型）數(shù)據(jù)僅能提供最多2.5維的構(gòu)造信息[19]，且空間分辨率大多為m級(jí)。另一個(gè)限制星—空遙感在露頭研究的因素是野外露頭多為近直立的巖壁，平面信息表達(dá)較少，這大大制約了高分辨率真三維的露頭重建。現(xiàn)階段大多數(shù)野外場(chǎng)景平臺(tái)[20]均建立在這種2.5維數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上。

幸運(yùn)的是，新近發(fā)展起來(lái)的SfM方法和激光雷達(dá)技術(shù)等為突破這一瓶頸帶來(lái)了契機(jī)，它不僅能夠提供mm級(jí)的空間分辨率，而且更重要的是實(shí)現(xiàn)了真三維[18]。DOM是這種真三維露頭信息的表達(dá)和組織載體[12]，它有助于真實(shí)地反映實(shí)際露頭表面，以便室內(nèi)反復(fù)的信息提取、整合，還可以利用地質(zhì)剖面點(diǎn)坐標(biāo)法[21]，從DOM生成任意方位的地質(zhì)剖面。類似于DEM等數(shù)字化的對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)，DOM是一種重要的數(shù)字化產(chǎn)品，不僅可用于構(gòu)造地質(zhì)學(xué)研究，而且可以用于地表地質(zhì)學(xué)和地理學(xué)等領(lǐng)域。

四、結(jié)論

教育內(nèi)容賦載的客觀方式?jīng)Q定了其傳播和受眾廣泛性[22]，未來(lái)的方向是通過(guò)各種手段尤其是通過(guò)CAI提供更多免費(fèi)的優(yōu)質(zhì)教育資源，國(guó)家現(xiàn)階段也正在推行教育信息化[23]。通過(guò)分析討論，我們可以得出如下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

（1）基于DOM的野外地質(zhì)教學(xué)承襲了遙感技術(shù)的全面、宏觀、及時(shí)的特點(diǎn)。

（2）基于DOM的野外地質(zhì)教學(xué)應(yīng)至少包括七個(gè)環(huán)節(jié)：資料調(diào)研、露頭三維場(chǎng)景重建、視頻生成和講解加載、室內(nèi)視覺(jué)和操作體驗(yàn)、野外再體驗(yàn)、露頭內(nèi)容的反饋與修正、室內(nèi)外練習(xí)研究。

（3）基于DOM的野外地質(zhì)教學(xué)，可采用消費(fèi)級(jí)相機(jī)攝影的SfM方法和激光雷達(dá)等多種技術(shù)，較之于人工觀察，不僅能夠多快好省地利用獲取地質(zhì)數(shù)據(jù)，而且能夠不斷完善露頭數(shù)據(jù)庫(kù)并反復(fù)練習(xí)研究。

概言之，教學(xué)實(shí)際上是教師和學(xué)生通過(guò)具體知識(shí)為媒介進(jìn)行互動(dòng)的過(guò)程，而知識(shí)實(shí)際上是一種系統(tǒng)化結(jié)構(gòu)化的信息。知識(shí)的生產(chǎn)過(guò)程包含了數(shù)據(jù)獲取、記錄和呈現(xiàn)、基于數(shù)據(jù)的信息提取、組織、呈現(xiàn)等環(huán)節(jié)。在任何一個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行數(shù)字化都將有助于教學(xué)質(zhì)量和效率的提升。三維數(shù)字露頭模型的建立使得師生能夠在計(jì)算機(jī)顯示器上以任意視角和尺度觀察地質(zhì)活動(dòng)的產(chǎn)物；未來(lái)需要做的是，以地質(zhì)理論模型為指導(dǎo)，用計(jì)算機(jī)模擬地質(zhì)學(xué)家想象的地質(zhì)演化過(guò)程，以時(shí)間為軸，從初始的歷史的三維場(chǎng)景到現(xiàn)今的三維場(chǎng)景，形成一個(gè)動(dòng)畫。這其實(shí)是一種溯因，一種從現(xiàn)象觀察到理論引入到成因回溯的邏輯推理[24]。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，這種三維場(chǎng)景的動(dòng)畫，可能會(huì)在不久的將來(lái)得以實(shí)現(xiàn)，從而進(jìn)一步豐富地質(zhì)教學(xué)的形式。

致謝：長(zhǎng)安大學(xué)李慶春教授和馬見(jiàn)青副教授提供了RTK-GPS設(shè)備上的幫助，北京數(shù)字綠土公司提供了其先進(jìn)產(chǎn)品背包式激光雷達(dá)，長(zhǎng)安大學(xué)眾多研究生和本科生參與了教學(xué)試驗(yàn)，限于篇幅不一一列出，謹(jǐn)表謝忱。