重磁資料處理與解釋虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)建設(shè)

楊宇山，李永濤，張世暉

1.中國地質(zhì)大學（武漢） 地球物理與空間信息學院，湖北 武漢 430074；2.地球內(nèi)部多尺度成像湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430074

近年來高等教育教學改革逐步由以教師“教”為主轉(zhuǎn)向以學生“學”為主的教學方式，為了適應(yīng)這種轉(zhuǎn)變，高等學校進行了一系列的課程體系改革，逐步減少課堂教學的學時，大量增加實踐教學環(huán)節(jié)和學生自主學習的時間，期望學生通過更生動的實踐訓練來全面掌握專業(yè)技能。虛擬仿真實驗依托網(wǎng)絡(luò)通信、仿真、計算機、多媒體、人機交互等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境、實驗對象、操作過程等，學生通過模擬軟件對實驗器材進行組裝、操作，并對實驗數(shù)據(jù)進行分析、處理，得出實驗結(jié)果，最后完成實驗報告。作為專業(yè)發(fā)展與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物，虛擬仿真實驗提供了一種新的教學手段[1]，它與野外觀測、真實實驗相互補充，可以有力地增強學生的現(xiàn)實感，調(diào)動學生學習的主動性，在探索知識技能運用過程中，促進學生個性化思維發(fā)展，培養(yǎng)學生的想象力和創(chuàng)造力[2-3]。

教育部2013 年公布了《關(guān)于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)工作的通知》，極大地推動了虛擬仿真實驗教學中心的建設(shè)與可持續(xù)發(fā)展，目前全國共建設(shè)了約300個具有示范和引領(lǐng)作用的虛擬仿真實驗教學中心[4-5]。在國內(nèi)，地球科學虛擬仿真實驗平臺，特別是地球物理學方向，還處于起步階段。西安石油大學于2019年6月成立了油氣地質(zhì)與地球物理虛擬仿真實驗教學示范中心；西南石油大學的地震勘探虛擬仿真實驗平臺已經(jīng)初步建成并面向?qū)W生開放；2020年4月東北石油大學張云峰教授負責的“油氣勘探地球物理測井虛擬仿真實驗”入選國家級虛擬仿真實驗教學項目。為了適應(yīng)教育改革，提高教學質(zhì)量，地球科學虛擬仿真實驗平臺的建設(shè)已提上日程并不斷建設(shè)和完善[6-8]。2020年1月7日，“高等學校地球科學虛擬仿真實驗教學項目建設(shè)與申報研討會”在北京大學英杰交流中心舉行。中國地質(zhì)大學（武漢）地球物理與空間信息學院參與了高等學校地球科學虛擬仿真實驗教學項目建設(shè)指南的編寫工作，依托“勘查技術(shù)與工程（勘查地球物理方向）”這一地質(zhì)資源與地質(zhì)工程一流本科專業(yè)，構(gòu)建了重磁資料處理與解釋虛擬仿真實驗平臺和實踐教學體系。

一、重磁資料處理與解釋虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)建設(shè)目標

作為勘查技術(shù)與工程（地球物理方向）的專業(yè)主干課程，“重磁勘探”是利用地球的重力場和磁場來透視地下三維結(jié)構(gòu)，包括重力場與磁場的基本理論，儀器的基本原理和操作以及重力場、磁場資料的采集、處理與解釋。課程實踐性較強，而地下隱伏的地質(zhì)構(gòu)造往往不可見，傳統(tǒng)的理論和實驗教學方式難以形象地展現(xiàn)地下構(gòu)造與相應(yīng)的重力場和磁場之間的關(guān)系。雖然專業(yè)培養(yǎng)計劃配置有野外生產(chǎn)實習、重磁資料處理與解釋上機實習，但目前野外生產(chǎn)實習主要是儀器的操作與野外工作流程的演示，受儀器數(shù)量、實習工區(qū)人文地理條件、實習周期等因素的限制，學生無法全面實踐野外工作的每個環(huán)節(jié)，特別是設(shè)計；而校內(nèi)的上機實習只是選擇重磁資料處理與解釋中的單一環(huán)節(jié)或者單一處理方法進行編程實踐，缺少對整個處理流程的全局把握，難以支撐學生深入學習地球重力場和磁場的產(chǎn)生機理和分布規(guī)律。

針對傳統(tǒng)實驗教學面臨的問題，本文探索構(gòu)建一套完善的重磁資料處理與解釋虛擬仿真實驗系統(tǒng)，在計算機環(huán)境下進行重磁資料的采集、處理解釋及圖示，對野外觀測或室內(nèi)的儀器操作和物理模型實驗提供強有力的補充，提高實踐教學效果。系統(tǒng)建設(shè)的目標如下。

（1）將不同的重磁場野外觀測方式（航空、地面和井中）搬入室內(nèi)，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)以及虛擬仿真相結(jié)合等方式重現(xiàn)勘探過程，讓學生親身感受重磁勘探的實施過程，通過調(diào)節(jié)技術(shù)參數(shù)，可多次重復試驗勘探過程。

（2）利用虛擬仿真技術(shù)，將位場理論公式的物理意義形象化。構(gòu)建地球內(nèi)部不同結(jié)構(gòu)模型，模擬重磁異常的產(chǎn)生，學生一邊輸入幾何和物性參數(shù)，一邊觀察異常產(chǎn)生過程及結(jié)果，實時感受參數(shù)變化帶來的影響，使抽象的知識點具象化。學生在深度體驗的過程中，深刻理解和掌握重磁異常的正演規(guī)律。

（3）以完成教學要求和內(nèi)容為目標，依托虛擬現(xiàn)實技術(shù)，結(jié)合三維建模、多媒體、人機交互、人工智能、大數(shù)據(jù)等計算機技術(shù)手段，生成一個逼真的，具有視、聽、觸等多重感知的“模擬實驗室”。同時實現(xiàn)虛擬實驗過程網(wǎng)絡(luò)化，學生可以遠程登錄，在3D空間里完成遠程無法完成的復雜實驗，大膽嘗試野外和實驗室里難以實現(xiàn)的頗具危險性和破壞性的實驗，在沉浸式、交互式的體驗中增強學生的獲得感。

二、重磁資料處理與解釋虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)建設(shè)基礎(chǔ)

（1）中國地質(zhì)大學（武漢）地球物理與空間信息學院實驗教學中心是在1952年創(chuàng)建的原北京地質(zhì)學院地球物理探礦專業(yè)實驗室的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，中心依托地質(zhì)資源與地質(zhì)工程國家重點學科和地球物理學湖北省重點學科，構(gòu)筑高水平實驗教學體系，完成了湖北省地球物理學品牌專業(yè)、湖北省地球物理概論精品課程、國家高等學?？辈榧夹g(shù)與工程和地球物理學特色專業(yè)、國家級精品資源共享課等的建設(shè)。經(jīng)過半個多世紀的建設(shè)與發(fā)展，地球探測技術(shù)實驗教學中心建立了以地球物理學為主體，資源物探、水文工程環(huán)境物探等多個相關(guān)學科為背景的實驗教學平臺。2017年中心被湖北省授予重點實驗教學示范中心。實驗中心現(xiàn)有14個教學實驗室、2個校內(nèi)室外實驗場地、3個野外教學實習基地、1個教學儀器維修與研發(fā)室，使用面積約2000 m2?，F(xiàn)擁有各類儀器設(shè)備約400臺（套），設(shè)備配置基本齊全，涵蓋了重力、磁法、電法、地震、測井等多種地球物理勘探方法。

（2）地球探測技術(shù)實驗教學中心分為三個層次：基礎(chǔ)實驗室、實踐技能訓練基地及科研能力提高實驗室?；A(chǔ)實驗室主要承擔地球物理類專業(yè)的專業(yè)課，以及相關(guān)專業(yè)地球物理課程的地球物理實驗任務(wù)，同時為學生自選實驗項目、課外科技實踐等提供實驗條件平臺。實踐技能訓練基地包含11個實習及產(chǎn)學研基地：北戴河野外實習基地、卓越工程師培養(yǎng)基地以及與學校簽訂產(chǎn)學研合作協(xié)議的國內(nèi)企事業(yè)單位（如地科院廊坊物化探研究所、中石化華北石油局、湖北省地礦局、云南錫業(yè)礦山等）。科研能力提高實驗室包括與中科院、中石油和國外著名大學等相關(guān)學術(shù)機構(gòu)組成的7個學術(shù)創(chuàng)新基地，以及校內(nèi)國家和教育部重點實驗室（如地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點實驗室、教育部三峽地質(zhì)災(zāi)害研究中心、地球內(nèi)部多尺度成像湖北省重點實驗室等）。中心依托行業(yè)辦學，堅持產(chǎn)學研一體化開發(fā)、建設(shè)與共享，促進虛擬仿真教學資源的不斷更新與升級。

（3）教師多年在教學一線，承擔了“磁法勘探”“重力勘探”“重磁資料處理與解釋”“重磁資料處理與解釋實習”“重磁新方法新技術(shù)”“數(shù)字信號處理”“北戴河地球物理專業(yè)教學實習”等相關(guān)本科課程，具有豐富的教學和科研經(jīng)驗，了解學生學習的需求以及教學中存在的不足。地空學院擁有自主開發(fā)的重磁處理解釋軟件MAGS4.0、GMS4.0、井中磁測處理解釋軟件BMS1.0、二維/三維井地聯(lián)合約束反演軟件GMIS3D等，具備建立重磁資料處理與解釋虛擬仿真實驗平臺的良好基礎(chǔ)。結(jié)合地球探測技術(shù)實驗教學中心的建設(shè)，重磁資料處理與解釋虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)開發(fā)的軟硬件條件已經(jīng)具備。

三、重磁資料處理與解釋虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)研發(fā)

針對重磁數(shù)據(jù)的軟件開發(fā)主要是用界面的形式實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理與解釋的各種方法技術(shù)，學生可以通過不同的參數(shù)選取來了解各種方法的應(yīng)用效果。但針對野外不同的地質(zhì)環(huán)境和勘查目標，如何設(shè)計處理與解釋的思路和技術(shù)路線，達到好的地質(zhì)效果，缺乏全局把握。而虛擬仿真實驗系統(tǒng)利用虛擬仿真實驗開發(fā)技術(shù)，3D模擬不同實際案例的野外場景和重磁勘探實施過程，通過虛擬情景再現(xiàn)不同地下結(jié)構(gòu)模型產(chǎn)生的重磁場特征，幫助學生熟悉處理與解釋的完整流程，并結(jié)合實際案例學習地質(zhì)解釋的原則和方法。學生在沉浸式深度體驗的過程中，可以調(diào)節(jié)技術(shù)參數(shù)，多次重復數(shù)據(jù)的獲取和處理過程，檢驗給出的實際問題解決方案是否是最優(yōu)方案。通過興趣引導、知識學習、應(yīng)用體驗、項目實踐，引發(fā)學生的探究興趣，培養(yǎng)學生自主創(chuàng)新能力。虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)由3個功能模塊組成。

1.重磁資料整理與預(yù)處理實驗系統(tǒng)

該系統(tǒng)首先利用預(yù)先建立的地質(zhì)-地球物理模型（從簡單到復雜），模擬生成野外的觀測數(shù)據(jù)，學生通過觀察和分析數(shù)據(jù)的產(chǎn)生過程，充分認識到野外觀測數(shù)據(jù)獲取過程中的影響因素及進行各項改正的必要性。系統(tǒng)提供各項改正程序模塊，學生需要根據(jù)所學的理論知識選擇合適的參數(shù)對模擬觀測數(shù)據(jù)進行整理和預(yù)處理，獲得可靠的布格重力異常、ΔT磁異常，并對結(jié)果的質(zhì)量進行評價。該系統(tǒng)可同時模擬地面和井中重磁數(shù)據(jù)的整理。該實驗系統(tǒng)的操作可使學生意識到重磁資料的整理是決定重磁勘探成敗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一（圖1）。

圖1 重磁資料處理與解釋虛擬仿真試驗系統(tǒng)登錄界面

2.重磁場正演實時分析實驗系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要是利用數(shù)值計算方法對規(guī)則形態(tài)模型的重力異常和磁異常在地面和井中的分布特征進行仿真實驗，該系統(tǒng)包括三個模塊：地面重磁場正演實時分析試驗?zāi)K、井中磁場三分量正演實時分析試驗?zāi)K以及井中微重力正演實時分析試驗?zāi)K。

（1）地面重磁場正演實時分析試驗?zāi)K。學生利用該模塊首先設(shè)置模型參數(shù)（從簡單到復雜）和觀測面（線），系統(tǒng)自動正演計算模型在觀測點處產(chǎn)生重磁異常，并以曲線圖、平面圖和三維立體圖的方式實時顯示。學生可直觀地了解不同形體的重磁異常特征，通過交互操作方式改變模型參數(shù)、觀測位置，了解異常隨模型參數(shù)和觀測位置的變化規(guī)律。該系統(tǒng)目的是讓學生掌握不同規(guī)則形體重磁異常的空間分布特征，了解異常與形體參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，為重磁資料的定性解釋提供依據(jù)。

（2）井中磁場三分量正演實時分析試驗?zāi)K。學生利用該模塊可任意設(shè)置模型參數(shù)和鉆孔位置，系統(tǒng)自動正演計算模型在井中產(chǎn)生的三分量磁測異常，并以三維圖形可視化方式（如三維切片圖、三維矢量圖、平面等值線圖等）展現(xiàn)其三維空間分布特征，并模擬磁測探頭在井中探測行進過程中磁異常信號的動態(tài)變化特征。通過規(guī)則形體井中三分量磁測異常的虛擬仿真試驗，學生可對井中磁異常特征進行實時模擬分析，直觀地建立不同磁性地質(zhì)體與井中磁異常特征的對應(yīng)關(guān)系。

（3）井中微重力正演實時分析試驗?zāi)K。利用三維地質(zhì)建模方法，構(gòu)建不同類型地質(zhì)體模型，通過規(guī)則形體組合模型正演模擬技術(shù)，實現(xiàn)井中微重力異常虛擬仿真，學生可直觀地了解位于井孔周圍不同位置、不同埋深、不同形態(tài)、不同產(chǎn)狀的密度體的重力異常特征，認識自由空氣效應(yīng)、中間層效應(yīng)、地表起伏地形等因素對井中微重力的影響。利用測量數(shù)據(jù)，為學生提供針對井中微重力數(shù)據(jù)校正、資料處理與綜合解釋等環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和學習平臺（圖2）。

圖2 地面和井中重磁場正演實時分析實驗?zāi)K展示

3.重磁資料處理與綜合解釋實驗系統(tǒng)

該系統(tǒng)首先利用預(yù)先建立的地質(zhì)-地球物理模型，生成地面布格重力異常、地面ΔT異常、井中三分量磁測異常和井中微重力異常數(shù)據(jù)。學生選擇實際地質(zhì)任務(wù)，系統(tǒng)會根據(jù)不同的地質(zhì)任務(wù)，推薦相應(yīng)的處理流程和方法供學生參考。學生通過自主選擇處理模塊搭配，設(shè)計合理的數(shù)據(jù)處理流程，開展局部異常提取、地質(zhì)體邊界識別、界面反演、物性反演等工作，進行構(gòu)造分區(qū)、斷裂分析、巖體圈定等綜合地質(zhì)解釋（圖3）。

圖3 某一實際工區(qū)綜合地質(zhì)解釋實驗?zāi)K展示

四、結(jié)語

“重磁資料處理與解釋”是勘查技術(shù)與工程（地球物理方向）的專業(yè)主干課程，相關(guān)的重磁勘探技術(shù)廣泛應(yīng)用于化石能源與礦產(chǎn)資源勘探、基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查、淺層工程地質(zhì)勘查、國防軍事等領(lǐng)域。課程具有較強實踐性，傳統(tǒng)課堂教學容易受課堂時間、所在空間有限性的約束，理論學習不系統(tǒng)；同時因缺乏野外實際場景的沉浸感，學生參與體驗度不高，容易造成理論與實踐之間的脫節(jié)[9-11]。順應(yīng)高等教育的發(fā)展趨勢，契合信息化社會對高素質(zhì)、復合型工程人才的需求，虛擬仿真實驗提供了一種新的“智能+”實踐教學模式[12]。

重磁資料處理與解釋虛擬仿真教學系統(tǒng)依托網(wǎng)絡(luò)通信、多媒體、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)，將復雜的野外實際地球結(jié)構(gòu)模型搬入室內(nèi)，模擬重磁場響應(yīng)的產(chǎn)生，使抽象的知識點具象化。學生在不同應(yīng)用場景沉浸式深度體驗的過程中，可以調(diào)節(jié)技術(shù)參數(shù)，不斷嘗試各種處理與解釋的過程，根據(jù)處理結(jié)果進行實時的策略調(diào)整，檢驗學生所提供的決策方案是否是最優(yōu)方案。通過全過程、全方位的實時互動體驗，有助于學生深刻理解和掌握理論知識，并在不同的應(yīng)用場景中探索解決實際問題的有效方案。本系統(tǒng)已經(jīng)用于勘查技術(shù)與工程（地球物理方向）專業(yè)的本科教學，在下一步，教學團隊將進一步構(gòu)建更逼真、貼近實際的3D虛擬應(yīng)用場景，結(jié)合學院教學與科研成果，不斷完善開放共享有效的信息化實驗教學體系。