野外地質實習基地信息化實踐教學輔助平臺研究

唐章英+王成武+張廷山+卿鳳+汪宙峰

（西南石油大學地球科學與技術學院，成都 610500）

摘要：本文探討了以西南石油大學野外地質實習基地為研究對象的信息化實踐教學輔助平臺建設。結合三維激光掃描與地理信息系統技術，完成了野外地質實習基地地質地貌信息化建庫，搭建了野外地質實習基地實踐教學輔助平臺，將野外實習與虛擬實習有機結合，有效地提高了地學類專業學生的實踐動手能力。

關鍵詞：地質實習；數據；信息化；實踐教學輔助平臺

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）21-0037-02

一、野外地質實習基地信息化建設的意義

野外地質實習是地質實踐教學的“核心”，是培養學生理論聯系實際，提高分析和解決實際地質問題能力，培養學生綜合素質、創新精神與實踐能力的重要途徑。但長期以來，野外地質實習的教學主要采用老師帶學生實地野外路線觀察的方式，受到時間季節與天氣狀況影響、地質觀察點地形環境復雜、信息查閱不方便、數據存儲編輯載體落后等因素限制，不能有效激發學生的學習興趣，從而影響實踐教學的效果。為了響應國家對教育信息化建設的要求，實現我校地質實習基地資料成果的信息化管理，加強實踐教學手段和教學方式的信息化建設，提高學生的實踐動手能力，針對我校現有地質實習基地，設計和開發野外地質實習基地信息化實踐教學輔助平臺。

二、野外地質實習基地信息化建設的基本思路

本項目以國家教育信息化為指導，以發揮學生的主觀能動性、充分鍛煉學生動手能力為根本，基于教育心理學規律，結合國內外實踐教學輔助平臺建設的研究成果和認識，進行了野外地質實習基地信息化實踐教學輔助平臺的總體框架設計。平臺建設將虛擬現實技術引入野外地質實習，整合我校地理信息科學專業的資源力量，采用三維激光掃描技術獲取地質剖面的三維點云數據，生成地質剖面三維體模型。將獲取的地質剖面數據與ArcGIS平臺集成，實現ArcGIS對三維激光點云數據的無縫支持，從而完成野外地質地貌信息化建庫。采用B/S三層架構模式，基于Visual Studio開發環境，DevExpress插件，GIS組件ArcEngine，借助SQL Server 2008、MongoDB數據庫、空間數據引擎ArcSDE，完成地質點屬性數據庫、區域地質背景數據庫、地質圖數據庫、基礎地理空間數據庫、點云數據庫的建構，搭建了野外基地實踐教學輔助平臺，實現了虛擬野外地質實習系統。

三、野外地質實習基地數據庫建設

1.野外地質實習基地信息調查與歸類。野外地質實習基地信息化建設依托我校的三個野外地質實習基地：旺蒼野外地質實習基地、峨眉山野外地質實習基地和重慶北碚野外地質實習基地，其中以旺蒼野外地質實習基地為示范區。旺蒼野外地質實習基地位于旺蒼縣城北十公里至四十五公里的罐子壩——雙河——英萃及國華一帶，范圍約450平方公里。通過多年來的地質研究以及大量資料的積累，旺蒼逐漸成為地質研究的熱點地區，我校也因此在旺蒼建立了實習基地，以滿足我校地學類專業的地質實踐實習教學需求。地質實踐實習包括了相關專業的地質地貌認識實習、地質構造認識實習、地質填圖實習等內容，涉及到的資料不僅有地質圖、地形圖等圖件，還有相應地質區域、地質點、地質現象的大量標本實體、圖片、視頻、文本、數據等不同形式的資料。根據建庫需要，將收集到的數據分為地質點屬性數據、區域地質背景數據、地質圖數據、基礎地理空間數據、點云數據幾大類，再根據實習基地的地質地貌特征分別建立數據表和數據文件。

2.野外地質實習基地數據庫設計。野外地質實習基地數據類型多樣、特征差別很大，為了有效地存儲支撐平臺信息化建設的地質地貌數據，系統采用關系型數據庫、非關系型數據庫、空間數據引擎相結合的方式建立野外地質實習基地數據庫。關系型數據庫以行和列的形式采用二維表結構存儲數據，容易理解、使用方便。系統采用關系型數據庫SQL Server 2008存儲地質點屬性數據、區域地質背景數據。系統設計了文檔表、照片表、巖石薄片表、視頻表來存儲地質點屬性數據，通過ID主鍵建立地質點要素與屬性之間的關系，設計了界、系、統、組的基礎表和對應的中間表來存儲描述地層特征的區域地質背景數據。對于具有空間特征、結構復雜的地質圖數據、基礎地理空間數據，不宜直接采用關系型數據庫來存儲，而是利用空間數據引擎ArcSDE連接SQL Server 2008關系型數據庫，實現空間數據的存儲。系統設計了年代地層、地質界線、斷層等表結構存儲地質空間信息，設計了河流、道路等地形特征、鄉鎮、縣界等行政區劃的表結構存儲基礎地理空間信息。對于難以滿足數據一致性的點云數據采用非關系型數據庫來存儲，系統選用非關系型數據庫MongoDB的文檔類型數據庫存儲剖面點圖像數據、剖面雜亂點云數據兩類點云數據。

3.野外地質實習基地數據采集與處理。①基于GIS和GPS技術的地質地貌信息采集。地質圖數據、基礎地理空間數據主要采用柵格地圖矢量化，首先利用ArcGIS桌面平臺對圖像進行地理配準，然后建立點、線、面要素對應圖層分類矢量化地理、地質空間信息，地質實習點位置信息采用GPS技術實地采集之后導入ArcGIS。②基于三維激光的地質剖面三維信息獲取技術。三維激光掃描技術又被稱為實景復制技術，能夠完整并高精度地重建掃描實物，大面積高分辨率地快速獲取被測對象表面的三維坐標數據。在實地勘查地質剖面的前提下，設定掃描儀架設測站，在各測站依次采集地質剖面原始點云數據。③野外地質剖面的點云數據處理技術。三維激光掃描獲取的原始數據往往具有噪聲影響，需要通過點云數據去噪消除噪聲，再將多個測站的點云數據拼接，然后進行點云數據簡化以減小點云數據密度，從而快速重建地質剖面三維模型。

四、實踐教學輔助平臺功能設計

虛擬野外地質實習系統需要對實習區域的各類資料和研究成果進行系統地分類匯總和集成，生動直觀地展現實習區域的地質地貌，便于學生進行虛擬實習，為此將系統分成數據管理子系統、信息查詢子系統、數據分析子系統。

1.數據管理子系統。數據管理子系統實現對數據庫的建設，負責對各類基礎數據的錄入、編輯、顯示和維護。數據錄入包括地理空間數據的錄入，地質剖面三維點云數據的導入，地質點、巖石標本、薄片的照片、視頻、文檔數據的導入等功能。數據編輯包括對圖形數據、屬性數據的增添、修改、刪除等功能。數據顯示實現地圖的操作與布局，包括地圖的圖層管理、二維線劃圖展示、三維場景展示、二三維地圖聯動、視圖縮放、布局輸出等功能。數據維護包括對數據的恢復與備份，防止數據的破壞與丟失。

2.信息查詢子系統。信息查詢子系統分為基于屬性的查詢、基于圖形的查詢兩種方式。基于屬性的查詢根據用戶輸入的屬性檢索條件查詢出圖上對應的幾何要素，并以高亮形式在地圖上突出顯示。包括對實習區地質特征點、地層特征、巖石特征、構造特征等的查詢。基于圖形的查詢根據用戶在圖上選擇的區域范圍，查詢選定區域幾何要素的屬性信息。

3.數據分析子系統。數據分析子系統包括最短路徑分析、點云生成DEM、剖面實測分析。最短路徑分析是在設定用戶選擇的地質實習點的情況下，實現實習最佳路線的生成和保存。點云生成DEM，根據點云數據具有高精度的三維坐標信息，生成地質實習點局部高分辨率DEM，準確展現地質實習點的微地貌。剖面實測功能依據點云數據生成的三維地質體，可以測量出地質剖面的長度、地層的產狀信息。

五、結語

本平臺將虛擬現實技術引入野外地質實習，結合地理信息技術，在傳統二維地圖的基礎上構建野外地質實習基地的三維虛擬場景，實現在虛擬三維空間中任意漫游，從任何視角、實時互動地展現野外地質地貌環境。同時，采用了三維激光掃描技術獲取地質剖面的三維點云數據，生成地質剖面三維體模型，這些地質剖面三維體模型可以具體形象地展示地質對象和野外地質實習內容，便于學生直觀地了解剖面所處位置、出露的地層年代等信息，而且能以簡化的方式進行地質剖面測量，使學生能更好、更直觀地掌握野外地質實習的基礎知識，充分調動了學生實習的積極性，讓學生能夠主動地探究地質實習問題，真正發揮了學生在實習中的主導作用，大大提升了地質實踐能力。

參考文獻：

[1]龔文平，何貞銘，劉學鋒，肖傳桃.劉家場綜合實習基地地質填圖系統的設計與實現[J].長江大學學報（自然科學版），2013，（04）.

[2]楊蔚青，李永強，王閣，白丁.三維激光掃描技術在土遺址保護中的應用——以隋唐洛陽城定鼎門遺址唐代道路遺址保護為例[J].中原文物，2012，（04）.

收稿日期：2016-12-05

基金項目：本文受西南石油大學2016年教師教學研究項目《雙創背景下GIS專業綜合實踐環節的優化與整合》（編號：2016JXYJ-11）資助

通訊作者：唐章英，女，講師，主要從事地理信息科學方面的教學與科研工作。