火山噴發(fā)地質(zhì)過程的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)

賀金鑫， 趙慶英， 韓秀梅， 張家欣

(吉林大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130061)

?

火山噴發(fā)地質(zhì)過程的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)

賀金鑫， 趙慶英， 韓秀梅， 張家欣

(吉林大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130061)

火山噴發(fā)等地質(zhì)現(xiàn)象的動(dòng)態(tài)模擬和仿真表達(dá)，對(duì)于地學(xué)類專業(yè)的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)及課堂教學(xué)都具有十分重要的意義。因此，基于3D Studio Max等軟件，實(shí)現(xiàn)了火山噴發(fā)地質(zhì)過程的動(dòng)態(tài)模擬與仿真表達(dá)。通過實(shí)際教學(xué)效果表明，既能夠使學(xué)生更直觀地掌握火山噴發(fā)等地質(zhì)現(xiàn)象的形成規(guī)律，同時(shí)可使學(xué)生的感覺如身臨其境般真實(shí)，極大提升了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性與主動(dòng)性。

火山噴發(fā)； 地質(zhì)過程； 動(dòng)態(tài)模擬

0 引 言

火山噴發(fā)等地質(zhì)現(xiàn)象是在內(nèi)、外動(dòng)力地質(zhì)作用下形成的，其成因和形態(tài)復(fù)雜多變[1-2]。因而，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)現(xiàn)象形成演化在時(shí)間尺度上的動(dòng)態(tài)模擬和仿真表達(dá)，使學(xué)生更直觀地掌握火山噴發(fā)等地質(zhì)現(xiàn)象的形成規(guī)律，對(duì)于地學(xué)類專業(yè)的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)及課堂教學(xué)都具有十分重要的意義。因此，利用三維地質(zhì)建模及四維動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)[3-8]，許多地學(xué)信息得到了有效地組織和整合，并建立起相互之間的聯(lián)系, 在充分表達(dá)時(shí)間和空間尺度信息的基礎(chǔ)上，以一種全新、直觀和形象的視覺方式提供給用戶使用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)火山噴發(fā)等地質(zhì)信息的四維動(dòng)態(tài)模擬與仿真。

1 火山噴發(fā)的基本原理

如圖1所示，火山是一個(gè)由固體碎屑、熔巖、流或穹狀噴出物圍繞著其噴出口堆積而成的隆起的丘或山。火山噴出口是一條由地球上地幔或巖石圈到地表的管道，大部分物質(zhì)堆積在火山口附近，有些被大氣攜帶到高處而擴(kuò)散到幾百或幾千km外的地方。火山的形成涉及一系列物理化學(xué)過程。地殼上地幔巖石在一定溫度壓力條件下產(chǎn)生部分熔融并與母巖分離，熔融體通過孔隙或裂隙向上運(yùn)移，并在一定部位逐漸富集而形成巖漿囊。隨著巖漿的不斷補(bǔ)給，巖漿囊的巖漿過剩壓力逐漸增大。當(dāng)表殼覆蓋層的強(qiáng)度不足以阻止巖漿繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，巖漿通過薄弱帶向地表上升。在上升過程中溶解在巖漿中揮發(fā)氣體逐漸溶出，形成氣泡，當(dāng)氣泡占有的體積分?jǐn)?shù)超過75%時(shí)，禁錮在液體中的氣泡會(huì)迅速釋放出來，導(dǎo)致爆炸性噴發(fā)，氣體釋放后巖漿粘度降到很低，流動(dòng)轉(zhuǎn)變成湍流性質(zhì)的。若巖漿粘滯性數(shù)較低或揮發(fā)份較少，便僅有寧?kù)o式溢流。從部分熔融到噴發(fā)的一系列物理化學(xué)過程的差別形成了形形色色的火山活動(dòng)[9-13]。

2 3ds Max軟件簡(jiǎn)介

3D Studio Max，簡(jiǎn)稱為3ds Max或MAX，是Discreet公司(后被Autodesk公司合并)開發(fā)的基于PC的動(dòng)畫渲染和制作軟件；其前身是基于DOS操作系統(tǒng)的3D Studio系列軟件。在Windows NT操作系統(tǒng)出現(xiàn)之前，工業(yè)級(jí)的計(jì)算機(jī)動(dòng)畫制作被SGI圖形工作站所壟斷；3ds Max與Windows NT組合的出現(xiàn)降低了計(jì)算機(jī)動(dòng)畫制作的門檻。3ds Max軟件界面組成包括：① 標(biāo)題欄；② 菜單欄；③ 工具欄；④ 命令面板；⑤ 繪圖區(qū)域；⑥ 視圖控制區(qū)；⑦ 動(dòng)畫控制區(qū)。

3ds Max軟件的主要特點(diǎn)[2，14]

(1) 功能強(qiáng)大、拓展性好，建模功能強(qiáng)大，在動(dòng)畫制作方面具有優(yōu)勢(shì)，另外豐富的插件也是其一大亮點(diǎn)；

(2) 操作簡(jiǎn)單、容易上手；

(3) 與其它圖像軟件配合流暢；

(4) 做出的效果圖逼真；

(5) 可視性強(qiáng)、可從各個(gè)方向觀察模擬結(jié)果；

(6) 數(shù)據(jù)接口齊全，不但可以導(dǎo)入導(dǎo)出多種格式的點(diǎn)、線、面、體或網(wǎng)格文件，而且與許多大型專業(yè)軟件如AutoCAD、ER Mapper、MAYA 等可以方便地交換數(shù)據(jù)。

3 基于3ds Max的火山建模

基于3ds Max的火山建模采用了多邊形建模方法，具體流程如下：

(1) 首先建立基本平面。在幾何體→標(biāo)準(zhǔn)基本體里生成一個(gè)平面“plane”，將坐標(biāo)xyz都設(shè)置為“0”，賦予長(zhǎng)度和寬度，然后將分段數(shù)調(diào)高；

(2) 將平面轉(zhuǎn)換為可編輯多邊形。在修改器列表中選擇可編輯多邊形“editable ploy”；

(3) 創(chuàng)建山體模型。進(jìn)入可編輯多邊形修改器中的點(diǎn)元素，選擇其中一個(gè)點(diǎn)向上拖動(dòng)，基本效果即可顯示出來，如圖2所示；

圖2 山體模型的創(chuàng)建

(4) 通過布爾運(yùn)算模擬火山口，創(chuàng)建一個(gè)圓柱體。與山體模型進(jìn)行布爾運(yùn)算生成火山口，并在多邊形中進(jìn)行調(diào)整、拉伸、收縮，為模型賦予噪波，完成火山模型的基本構(gòu)造；

(5) 為火山賦予所需的材質(zhì)。在3ds Max 中創(chuàng)建模型, 賦予所需材質(zhì), 以增加模型的真實(shí)感；也可將一些拍攝時(shí)角度良好的照片構(gòu)成的貼圖通過復(fù)合材質(zhì)組織起來, 完成子物體的貼圖操作。

4 基于3ds Max的火山噴發(fā)效果動(dòng)態(tài)模擬

4.1 生成噴射系統(tǒng)

通過“創(chuàng)建→幾何體創(chuàng)建→粒子系統(tǒng)→超級(jí)噴射粒子”生成噴射系統(tǒng)，并將系統(tǒng)坐標(biāo)移動(dòng)至火山口下方。

4.2 設(shè)置粒子的參數(shù)

在右側(cè)工具欄里設(shè)置粒子的基本參數(shù)，如大小、形狀、速度、時(shí)間等。

4.3 為粒子附材質(zhì)

在菜單中單擊“Material Editor(材質(zhì)編輯器)”或按鍵盤上的“M”鍵，打開材質(zhì)編輯器，激活一個(gè)示例球，將它賦予場(chǎng)景中的超級(jí)噴射粒子。單擊展開“Maps(貼圖)”卷展欄，單擊“Opacity(不透明度)”右邊的“None”按鈕，在彈出的“Material/Map Browser(材質(zhì)/貼圖瀏覽器)”面板中雙擊選擇“Gradient(梯度)”。“Gradient”貼圖可以使粒子中間部分看上去更像實(shí)體，向邊緣逐漸變得透明。然后，回到“Material Editor”面板，在“Gradient Parameter(梯度參數(shù))”中將“Gradient Type(梯度類型)”設(shè)置為“Radial(放射狀)”，然后設(shè)置漫反射顏色等，使之更接近火山灰的顏色。

4.4 渲 染

激活透視圖，在菜單欄中選擇“渲染設(shè)置”，在彈出的“渲染參數(shù)”面板的“時(shí)間輸出”框中，選擇“Range(范圍)”0～100幀。在“渲染輸出”框中，單擊“文件”按鈕，在彈出的對(duì)話框中設(shè)定好動(dòng)畫格式和存放路徑。

4.5 后期處理

為了給四維動(dòng)態(tài)地質(zhì)過程添加聲音等要素，包括使所錄制的聲音與后期預(yù)渲染輸出的動(dòng)畫同步播出，需要對(duì)生成的動(dòng)態(tài)畫面進(jìn)行加工處理。還可增加濾鏡使渲染效果更明顯，在改善畫面質(zhì)量的同時(shí)，使畫面過渡更加自然、流暢。

具體采用Corel VideoStudio Pro X5軟件，將捕獲的火山噴發(fā)音頻導(dǎo)入其中，設(shè)置“幀數(shù)”為自定義，將音頻與視頻在時(shí)間軸上同步，然后選擇“編輯→分享→創(chuàng)建視頻文件”，生成最終效果，如圖3所示。

圖3 火山噴發(fā)動(dòng)態(tài)效果模擬

5 結(jié) 語(yǔ)

在虛擬實(shí)驗(yàn)及理論地質(zhì)教學(xué)過程中，利用現(xiàn)今發(fā)達(dá)的計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)，可以更加直觀、逼真地表現(xiàn)出地質(zhì)景觀的動(dòng)態(tài)形成效果。除在本文中重點(diǎn)介紹的火山噴發(fā)效果動(dòng)態(tài)模擬之外，如在講授板塊運(yùn)動(dòng)與擠壓部分時(shí)，利用四維的動(dòng)態(tài)地質(zhì)模擬不僅可以讓學(xué)生清楚地認(rèn)識(shí)到運(yùn)動(dòng)過程，并且可以從不同的視角方位予

以展示，使教學(xué)過程更有趣味、更精彩[15]。此外，還可以模擬演示山脈、洋殼等地質(zhì)對(duì)象的整個(gè)形成過程，使學(xué)生的感覺如身臨其境般真實(shí)，必將極大提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和效果。

[1] 牛漫蘭，朱 光．郯廬斷裂帶火山活動(dòng)與深部地質(zhì)過程的新認(rèn)識(shí)[J]．地質(zhì)科技情報(bào)，2000，19(3)：21-26．

[2] 李百壽，秦其明，邢立新，等．基于 3DS MAX 的火山地質(zhì)景觀三維建模與動(dòng)態(tài)模擬研究[J]．北京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，44(3)：421-428．

[3] 賀金鑫，路來君，劉雅琴．一種新的四維地質(zhì)信息系統(tǒng)架構(gòu)[J]．科學(xué)技術(shù)與工程，2008，8(2)：534-536．

[4] ZHAO Qing-ying, HEJin-xin, WANGGuo-liang,etal. Application of RgMap system on digital regional geological survey[J]. Global Geology, 2007, 10 (1): 95-99．

[5] HANXiu-mei, ZHAO Qing-ying, HE Jin-xin,etal. Study of evolution for waterflood dynamic simulation[C]//Environmental Science and Information Application Technology (ESIAT), 2010 International Conference on. IEEE, 2010(1): 463-465.

[6] 高 抒．海洋沉積地質(zhì)過程模擬：性質(zhì)與問題及前景[J]．海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì)，2011，31(5)： 1-7．

[7] 劉 翠，鄧晉福，張貴賓，等．華北地區(qū)新生代巖石圈伸展減薄機(jī)制的數(shù)值模擬[J]．中國(guó)地質(zhì)， 2006，54(4)：885-895．

[8] 馬野牧，陸現(xiàn)彩，張雪芬，等．花崗巖侵入體-泥質(zhì)圍巖熱傳輸過程的數(shù)值模擬及其地質(zhì)意義：以粵東典型接觸帶剖面為例[J]．高校地質(zhì)學(xué)報(bào)，2013，19(2)：307-315．

[9] 樊祺誠(chéng)，孫 謙，龍安明，等．北部灣潿洲島及斜陽(yáng)島火山地質(zhì)與噴發(fā)歷史研究[J]．巖石學(xué)報(bào)，2006，22(6)：1529-1537．

[10] 楊清福，史蘭斌，張 羽，等．長(zhǎng)白山天池火山千年大噴發(fā)火山碎屑流堆積的粒度特征與地質(zhì)意義[J]．地震地質(zhì)，2007，29(3)：480-491．

[11] 張秉良，許建東，史蘭斌，等．長(zhǎng)白山天文峰剖面全新世火山噴發(fā)物長(zhǎng)石風(fēng)化溶蝕特征及地質(zhì)意義[J]．地震地質(zhì)，2011，33(1)：15-25．

[12] 羅照華，劉嘉麒，趙慈平，等．深部流體與巖漿活動(dòng)：兼論騰沖火山群的深部過程[J]．巖石學(xué)報(bào)，2011，27(10)：2855-2862．

[13] 劉 英，楊 吉，蔣英凱，等．遼西中生代火山噴發(fā)旋回劃分與地質(zhì)意義[J]．科學(xué)時(shí)代，2013，(9).

[14] 包 欣，王 諾．基于3DMAX的三維虛擬校園建模的方法研究[J]．?dāng)?shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2012，(12)：56-56．

[15] 劉長(zhǎng)宏，李曉輝，李 剛，等．大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目的實(shí)踐與探索[J]．實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2014，33(5)：163-166．

Virtual Experiment Teaching for Geological Process of Volcano Eruption

HEJin-xin,ZHAOQing-ying,HANXiu-mei,ZHANGJia-xin

(College of Earth Sciences， Jilin University, Changchun 130061， China)

The dynamic simulation and visualization of geological phenomena such as volcano eruption are of very important significance for virtual experiment teaching of earth science majors and classroom teaching. Therefore, based on 3D Studio Max and some other software, the dynamic simulation of volcano eruption’s geological process was realized. The actual teaching results showed the system can make not only the students understand more intuitive formation rules of volcanic eruptions and other geological phenomena, but also the students feel like be personally in a real world. The system greatly enhances the enthusiasm and initiative of students’ learning.

volcano eruption; geological process; dynamic simulation

2015-08-25

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2015CB453000)；吉林省應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(20130102033JC)；吉林省青年科研基金項(xiàng)目(20130522106JH)；吉林大學(xué)地質(zhì)資源立體探測(cè)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目；2014年吉林大學(xué)科學(xué)前沿與交叉學(xué)科特別資助計(jì)劃項(xiàng)目

賀金鑫(1979-)，男，吉林長(zhǎng)春人，博士，副教授，主要從事數(shù)字地質(zhì)科學(xué)的教學(xué)與科研工作。

Tel.：0431-88502136(辦)；E-mail：hejx@jlu.edu.cn

P 694

A

1006-7167(2016)01-0065-03