基于數(shù)字地質(zhì)調(diào)查技術的野外地質(zhì)教學實習模式改革

0 引言

區(qū)域地質(zhì)調(diào)查是地質(zhì)工作中有戰(zhàn)略意義的綜合性基礎工作，往往是衡量一個國家地質(zhì)工作和地質(zhì)科學水平的標志[1-4]。地質(zhì)高校地質(zhì)專業(yè)學生掌握區(qū)域地質(zhì)調(diào)查方法是一項重要的基本技能[5]。早在20世紀80年代，歐美國家的地質(zhì)高校中，掌握地質(zhì)填圖技能的學生已成為彌補地質(zhì)調(diào)查機構人員不足的主要群體[6]。我國地質(zhì)高校已普遍為地質(zhì)專業(yè)學生開設夏季野外地質(zhì)教學實習，系統(tǒng)傳授區(qū)域地質(zhì)調(diào)查方法，包括路線調(diào)查、實測剖面、地質(zhì)填圖等幾個重要單元。

隨著計算機技術、導航技術和移動終端技術的不斷發(fā)展，數(shù)字化與信息化已成為地質(zhì)行業(yè)的發(fā)展趨勢[7]。2010年，中國地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展研究中心在已有工作成果的基礎上，成功研發(fā)了數(shù)字地質(zhì)調(diào)查系統(tǒng)。該系統(tǒng)最大的特點在于實現(xiàn)了無紙化地質(zhì)調(diào)查和實時GPS定位，并具備可視化地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)的獲取、存儲與管理功能，從根本上改變了地質(zhì)調(diào)查成果的表達和存儲方式[8]。同時，該系統(tǒng)能夠隨時隨地查閱已數(shù)字化的地質(zhì)要素規(guī)范化信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享與交流，極大地改變了區(qū)域地質(zhì)調(diào)查的傳統(tǒng)模式，滿足了數(shù)字化地質(zhì)調(diào)查的需求。隨著數(shù)字地質(zhì)調(diào)查技術的不斷發(fā)展與完善，目前該技術已廣泛應用于區(qū)域地質(zhì)調(diào)查領域，國內(nèi)從事相關工作的單位普遍采用數(shù)字地質(zhì)調(diào)查方法開展野外工作。因此，地質(zhì)高校野外地質(zhì)教學實習引入數(shù)字地質(zhì)調(diào)查技術勢在必行。這不僅能夠有效培養(yǎng)學生的實踐操作能力，還能顯著提升他們的整體競爭力，更好地滿足就業(yè)市場的需求。

然而，目前大部分地質(zhì)高校的野外地質(zhì)教學實習仍然沿用傳統(tǒng)的區(qū)域地質(zhì)調(diào)查方法，實習過程中，不同專業(yè)的授課教師普遍采用一對多的教學模式，即實習學生集中學習、觀察并記錄教師所介紹的典型地質(zhì)現(xiàn)象。這種模式已成為大多數(shù)地質(zhì)高校的常規(guī)做法，但該模式存在以下不足：1）授課教師因?qū)I(yè)和研究方向不同，在授課過程中難免會教學側(cè)重點不同，難以保證教學內(nèi)容的統(tǒng)一性和規(guī)范性；2）實習學生由于基礎知識掌握程度和對典型地質(zhì)現(xiàn)象理解程度存在差異，在一對多的教學模式下，很難根據(jù)自身能力和興趣進行選擇性學習。這些問題在一定程度上阻礙了野外地質(zhì)教學質(zhì)量和學生自主實踐能力的提升，因此，地質(zhì)高校野外地質(zhì)教學實習模式亟待改革。

1數(shù)字地質(zhì)調(diào)查的基本原理

數(shù)字地質(zhì)調(diào)查經(jīng)過中國地質(zhì)調(diào)查局近20年的研發(fā)和利用，目前已經(jīng)非常成熟。數(shù)字地質(zhì)調(diào)查主要應用計算機、GPS、GIS、RS等多項軟件與技術對地質(zhì)調(diào)查過程中產(chǎn)生的影像、文字與數(shù)據(jù)進行詳細記錄、分類整理、入庫、編輯、處理分析和成果輸出[9-10]；簡而言之，就是原始資料的數(shù)字化過程，最后實現(xiàn)資料的綜合利用。

2數(shù)字地質(zhì)調(diào)查的基本流程

數(shù)字地質(zhì)調(diào)查的軟件平臺主要包括數(shù)字地質(zhì)調(diào)查系統(tǒng)（DGSS，PE端）和數(shù)字地質(zhì)填圖系統(tǒng)（RGMap，Android端）。主要流程包括軟件安裝與環(huán)境配置、背景圖層準備、組織圖幅工程、新建野外手圖、數(shù)據(jù)采集與整理、圖幅PRB庫操作、實際材料圖操作、編稿原圖操作、空間數(shù)據(jù)庫操作[11]，如圖1所示。

2.1軟件安裝與環(huán)境配置

數(shù)字地質(zhì)調(diào)查系統(tǒng)（DGSS，PE端）硬件環(huán)境是非常開放的，Windows 7/8/10/11 均可安裝；數(shù)字地質(zhì)填圖系統(tǒng)（RGMap，Android端）硬件環(huán)境同樣低要求，掌上機設備只要滿足Android2.2以上版本操作系統(tǒng)，設備屏幕多點觸摸即可。

數(shù)字地質(zhì)調(diào)查系統(tǒng)（DGSS，PE端）環(huán)境的配置只要在安裝軟件過程中保持默認即可，無需過多操作；數(shù)字地質(zhì)填圖系統(tǒng)（RGMap，Android端）安裝完成后，必須賦予軟件獲取定位，讀取和寫入照片權限。

2.2背景圖層準備

背景圖層準備包括資料收集和數(shù)據(jù)配準兩個部分。資料收集包括地質(zhì)圖件、地形圖件、遙感影像等一系列矢量圖件和位圖，數(shù)據(jù)配準的目的是將收集的所有資料統(tǒng)一地圖參數(shù)，獲取正確的空間位置，確定新建圖幅工程的地圖參數(shù)。數(shù)據(jù)配準的常用方法包括生成標準圖框、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、投影變換、誤差校正。生成標準圖框的目的是確定統(tǒng)一的地圖參數(shù)，保證正確空間位置，建立“標桿”；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換可以將不同類型矢量數(shù)據(jù)統(tǒng)一到DGSGIS文件類型；投影變換是將不同地圖參數(shù)矢量數(shù)據(jù)變換為統(tǒng)一地圖參數(shù)的過程；誤差校正是將掃描圖、航空影像等位圖（無地圖參數(shù)）校正到標準圖框的過程。

2.3 組織圖幅工程

在數(shù)據(jù)配準完成后，可以根據(jù)地質(zhì)填圖比例尺組織圖幅工程，后期相應的地質(zhì)工作內(nèi)容（如設計路線、剖面，編輯路線、剖面等）均在對應的圖幅工程內(nèi)完成。

2.4新建野外手圖

新建野外手圖即為設計、新建路線過程，野外路線數(shù)據(jù)的采集主要在設計好的路線框架下完成。設計路線時要充分考慮地質(zhì)圖主要構造行跡的展布方向和地形特征，最大限度地穿越各地質(zhì)體并保證最節(jié)省體力，從而合理高效地開展地質(zhì)填圖。

2.5數(shù)據(jù)采集與整理

數(shù)據(jù)的采集包括路線數(shù)據(jù)采集和剖面數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集過程中，GPS可保證地質(zhì)信息采集的精度。

路線數(shù)據(jù)采集主要是在設計路線基礎上，進行地質(zhì)信息的數(shù)字化，包括地質(zhì)點、點間路線、地質(zhì)界線、樣品、產(chǎn)狀、照片、素描、化石等。剖面數(shù)據(jù)采集包括導線、分層、樣品、產(chǎn)狀、化石、照片、素描等。

數(shù)據(jù)的整理包括路線數(shù)據(jù)整理和剖面數(shù)據(jù)整理。路線數(shù)據(jù)整理主要是將各地質(zhì)信息按照指定的參數(shù)進行賦值，保證格式的統(tǒng)一和規(guī)范，完成程序化錯誤檢查和路線小結的編寫。剖面數(shù)據(jù)整理主要是錄入剖面數(shù)據(jù)，室內(nèi)分層，剖面圖、柱狀圖的繪制，完善剖面小結。

2.6 圖幅PRB庫操作

將整理好的路線數(shù)據(jù)和剖面數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一入庫，在圖幅工程內(nèi)瀏覽全部的地質(zhì)信息，為實際材料圖操作進行鋪墊；同時完成樣品管理，將不同類別的樣品進行統(tǒng)一分類、送樣，并錄入最終檢測結果。

2.7 實際材料圖操作

實際材料圖操作主要是地質(zhì)連圖過程，根據(jù)地質(zhì)綜合分析和\"V\"字形法則由新到老連接地質(zhì)界線，檢查連圖的合理性，并進行拓撲，標注地質(zhì)代號。

2.8 編稿原圖操作

編稿原圖操作是繪制地質(zhì)圖的過程，需嚴格按照地質(zhì)圖的規(guī)范完成所有圖面清繪工作，制作的編稿原圖要達到地質(zhì)圖的出版要求。

2.9 空間數(shù)據(jù)庫操作

空間數(shù)據(jù)庫操作是把編稿原圖的地質(zhì)面文件、地質(zhì)線文件、樣品、產(chǎn)狀、照片等文件的空間和屬性信息自動繼承到空間數(shù)據(jù)庫規(guī)定的各個對應的要素類和對象類中，并完善相應的屬性內(nèi)容。

3野外地質(zhì)教學實習模式改革：以柳江盆地野外地質(zhì)教學實習為例

柳江盆地清晰地記錄著太古代、元古代、古生代、中生代、新生代的地質(zhì)演化歷史遺跡，保留著由呂梁運動、薊縣運動、加里東運動、海西運動、印支運動和燕山運動所形成的六大不整合面；盆地內(nèi)露頭發(fā)育、地層完整、界線清楚、巖類齊全、化石豐富、構造典型，被公認為“天然地質(zhì)博物館”，為多所地質(zhì)高校野外地質(zhì)教學實習場所。

野外地質(zhì)教學實習模式改革擬選取柳江盆地內(nèi)的典型調(diào)查路線進行數(shù)字化，構建標準化、規(guī)范化、可視化、共享化的調(diào)查路線數(shù)據(jù)模塊，并將數(shù)據(jù)模塊應用到野外地質(zhì)教學實習中。數(shù)據(jù)模塊不僅可供不同專業(yè)的授課教師進行參考，減少野外備課時間，統(tǒng)一地質(zhì)認識，保證教學過程的統(tǒng)一性和規(guī)范性，而且能供基礎不同的學生提前預習實習內(nèi)容，并在集中聽講后，根據(jù)自己的興趣進行補充性學習，保證學習過程的主動性和選擇性。在野外地質(zhì)教學實習過程中，數(shù)據(jù)模塊可不斷更新與完善，并逐步推廣應用。

3.1數(shù)據(jù)模塊的數(shù)字化過程

基于數(shù)字地質(zhì)調(diào)查技術，在野外使用數(shù)字地質(zhì)填圖系統(tǒng)（RGMap，Android端）采集典型調(diào)查路線的標準化、規(guī)范化地質(zhì)信息，即采集PRB數(shù)據(jù)信息。“P”代表地質(zhì)點，在典型巖性控制點或界線點準確定位，并完善屬性內(nèi)容，重點記錄地層時代，巖石名稱，接觸關系，巖性描述，化石種屬，礦化蝕變，構造樣式，演化歷史等；“R”代表點間路線，通過GPS實時記錄行進路徑，完善屬性內(nèi)容，重點記錄地形地貌，巖石組合，結構構造的變化情況和典型地質(zhì)現(xiàn)象；“B”代表地質(zhì)界線，在界線點處依據(jù)地層界線走向添加，完善相關屬性，記錄兩側(cè)地質(zhì)體地層時代和巖石名稱，重點介紹接觸關系類型和判別依據(jù)。在完成PRB數(shù)據(jù)信息的同時，對典型照片、樣品、產(chǎn)狀、素描、化石等進行實時定位，并拍攝、采集和記錄。在室內(nèi)，將采集的數(shù)據(jù)導入數(shù)字地質(zhì)調(diào)查系統(tǒng)（DGSS，PE端），整飾和完善屬性內(nèi)容，并完成信手剖面的生成和清繪，編寫路線小結，最終形成標準化、規(guī)范化、可視化的調(diào)查路線數(shù)據(jù)模塊。

3.2 數(shù)據(jù)模塊的應用

由于數(shù)字地質(zhì)填圖系統(tǒng)在Android系統(tǒng)的終端設備（手機）內(nèi)幾乎都能使用，同時，該系統(tǒng)可以隨時隨地查閱已數(shù)字化的地質(zhì)信息，因此，將構建的典型路線數(shù)據(jù)模塊轉(zhuǎn)化成Android格式便可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享與交流。野外地質(zhì)教學實習過程中，授課教師可以根據(jù)GPS實時定位功能準確找到典型地質(zhì)點，并結合標準化、規(guī)范化的PRB屬性內(nèi)容展開授課，不會出現(xiàn)因?qū)I(yè)不同而教學側(cè)重點不同的現(xiàn)象，保證教學內(nèi)容的統(tǒng)一性和規(guī)范性；實習學生在集中聽講后，利用GPS定位功能，根據(jù)自己的理解能力和學習興趣，參照已數(shù)字化的照片、樣品、產(chǎn)狀、素描、化石等各種典型現(xiàn)象點去選擇性地自主觀察，實現(xiàn)學習的主動性和選擇性，提高自主實踐能力。

3.3數(shù)據(jù)模塊的推廣

柳江盆地優(yōu)越的地質(zhì)條件吸引了眾多地質(zhì)高校將其選為野外地質(zhì)教學實習場所，不同的地質(zhì)高校都具有自己獨特的教學路線和教學方法。鑒于數(shù)字地質(zhì)調(diào)查技術的優(yōu)勢，數(shù)字化野外地質(zhì)教學實習模式完全可以推廣至各個地質(zhì)高校，不同的地質(zhì)高校根據(jù)自己的教學特點構建數(shù)據(jù)模塊，實現(xiàn)教學內(nèi)容和教學方法的共享與交流，在相互學習和借鑒的前提下，推動野外地質(zhì)教學實習質(zhì)量的提高。

4結束語

隨著社會的發(fā)展和技術的進步，數(shù)字化已經(jīng)成為時代的一種趨勢，地質(zhì)高校野外地質(zhì)教學實習模式數(shù)字化改革有待進一步推廣。數(shù)字地質(zhì)調(diào)查技術的優(yōu)勢是能夠構建野外地質(zhì)教學實習標準化、規(guī)范化、可視化、共享化的數(shù)據(jù)模塊。數(shù)字化野外地質(zhì)教學實習不僅能夠保證教師授課的統(tǒng)一性、規(guī)范性，同時也能充分激發(fā)學生學習的主動性和選擇性。此外，數(shù)字化的數(shù)據(jù)模塊有利于共享和交流，推動野外地質(zhì)教學實習質(zhì)量的提升，促進學生自主實踐能力的發(fā)展，進而為社會培養(yǎng)更多高素質(zhì)的應用型人才。

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