地球系統科學國家級虛擬仿真實驗教學中心建設

柯長青+肖鵬峰+李滿春+陸現彩+江靜+陶先平

摘要：地球系統科學國家級虛擬仿真實驗教學中心通過虛擬現實、對地觀測系統、地理信息系統、人機交互等技術，構建高度仿真的地球系統科學虛擬實驗環境和實驗對象，不僅解決了諸多地學現象的高風險、不可見、不可達，而且也解決了地球科學野外實習受經費、設備等條件的限制。經過多年的建設，中心軟硬件設施齊全，虛擬仿真實驗教學資源豐富，管理運行措施得力，實驗教學效果明顯，在地理學、地質學、大氣科學、海洋科學等地球科學創新人才培養的過程中發揮了積極作用。

關鍵詞：地球系統科學；虛擬仿真；實驗教學；創新人才培養

虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的重要內容，是學科專業發展與信息技術深度融合的產物。它依托虛擬現實、人機交互、數據庫和網絡通訊等技術，構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，學生在虛擬環境中開展實驗，達到教學大綱要求的教學目的。虛擬仿真實驗教學中心的建設任務是實現真實實驗不具備或難以完成的教學功能，它的建設體現了虛實結合、相互補充的原則。在涉及高危或極端環境，不可及或不可逆操作，高成本、高消耗或大型綜合訓練等情況時，提供可靠、安全、經濟的實驗項目。通過重點開展隊伍、平臺、資源和制度等方面的建設，形成高效持續服務實驗教學、保證優質實驗教學資源開放共享的有機整體。

一、地球系統科學虛擬仿真實驗教學中心建設的必要性

（1）地球內部圈層包括地核、地幔、地殼，外部圈層包括水圈、生物圈、大氣圈等，各圈層之間，即使地表的陸地與海洋之間，都存在著物質與能量的交換，是一個復雜的巨系統。地球探測技術、對地觀測系統、地理信息系統、衛星定位技術、計算機、互聯網等現代信息技術，為地球系統科學的教學提供了虛擬實驗手段。通過構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，學生可在虛擬環境中開展地球系統科學實驗，為探索復雜的地球系統提供了極具價值的途徑。

（2）虛擬仿真實驗教學，與課堂教學、野外觀測、科研訓練一樣，都是地球系統科學極其重要的學習手段。地學專業都需要進行大量的實踐教學，但是由于學生數量、實驗空間、教學成本等客觀條件的限制，難以全面開展現場實踐教學，虛擬仿真實驗教學手段非常重要。板塊漂移、青藏高原隆升、水文剝蝕、氣候變化等大空間尺度、大時間跨度的地學過程也只能以虛擬仿真的方式進行教學。

（3）對于地球系統科學而言，諸多現象、特征和規律的認知，充滿著高風險、不可見、不可達，甚至難以想象，虛擬仿真實驗教學手段尤為重要。地震、火山、臺風、滑坡、泥石流、洪澇災害等地學現象具有高度的危險性，溫室效應、全球變暖等全球變化事件人類不可見，地核、地幔等地球圈層人類不可達，大氣環流、臭氧層破壞等氣象氣候現象人類難以想象，因此，只能通過虛擬仿真的教學手段開展相應的人才培養。

（4）虛擬仿真實驗教學是信息時代數據共享、知識共享的必然要求，有利于拓展地球系統科學知識傳播的廣度和深度。地球系統科學數據是典型的大數據，具有海量、多源、多時相等特征。在互聯網、云計算技術的支持下，建設地球系統科學虛擬仿真實驗教學中心，必將使人才培養水平更上一層樓，順應時代的發展潮流。

二、實驗教學資源建設

南京大學地球系統科學虛擬仿真實驗教學中心以計算機、地理信息技術等為手段，引進與自主研發相結合，開發虛擬仿真平臺軟件，支撐地球系統科學虛擬仿真實驗教學，與課堂教學、現實實驗、野外實踐一起，培養學生認識、分析、發展地球系統科學的能力。目前建設了地球系統虛擬仿真、地球動力系統仿真、地表過程虛擬仿真、海洋變化虛擬仿真、大氣系統虛擬仿真五個專題實驗室和一個虛擬仿真技術支持實驗室。經過十余年的建設與發展，2016年被教育部批準為地球系統科學國家級虛擬仿真實驗教學中心。

在南京大學“三三制”教學改革與人才培養要求指引下，開設了認識地球、地質學實習、數值天氣預報、虛擬地理環境、遙感與地理信息系統、GIS設計、虛擬現實、地表過程認知實習、地球系統建模等多門實驗課程，大部分包含虛擬仿真實驗教學內容。通過教學資源建設、科研成果轉化、校企合作等方式開展虛擬仿真實驗教學，建設了“仿真展示、動態模擬、過程調節”三大類型的虛擬仿真實驗項目。

（1）地震過程仿真。地震是地球內部某些部分突然急劇運動而破裂，從而釋放巨大能量，并引起周邊一定范圍內地面震動的過程，高震級地震有極強的破壞性。巖層斷裂產生的強烈震動以波的形式自震源向各個方向傳播，地震波分為縱波、橫波和面波，面波只能沿地球表面傳播，而縱波和橫波能在地球內部傳播。地震過程仿真對地震成因、地震過程以及地震波傳播進行生動形象地動態模擬，學習了解地震的成因、過程和地震波的傳播方式有助于增強學生對地震的全方位認識和學習，提高地震災害預防的意識，培養學生對于地震災害預測的科研興趣。

（2）火山活動仿真。火山活動是典型的地球內部動力地質活動，其成因和形態復雜多變，由于難以靠近等現實原因，學生對于火山活動難以獲得直觀、感性的認識。火山是地下深處高溫巖漿及有關氣體、碎屑從地殼中噴出而形成的特殊形態的地質體，是地球內部能量釋放的一種自然現象。火山噴出物在通道口堆積形成的錐形山丘稱為火山錐，火山錐頂部漏斗狀的洼地稱為火山口。通過虛擬仿真手段，將同時涉及地幔、地殼、地表以及底層大氣等一系列地球系統復雜的作用過程直觀形象地表達出來，并對不同火山類型及其后續產生的火山地貌進行動態展示，大大提高了學生的興趣和積極性，提升了學習效果，有助于加強學生對火山機理的深入了解。

（3）海嘯傳播過程模擬。絕大部分海嘯是由海底地震引起的。海嘯數值模擬主要采用COMCOT模式，對于深海海嘯，海嘯振幅遠小于水深，采用基于球面坐標系的線性淺水波方程；當海嘯傳播到近海時，則采用直角坐標系的非線性淺水波方程。該模式能夠有效模擬整個海嘯的生命過程，包括它的產生、傳播、抬升和漫灘。本實驗主要模擬中國最主要的海嘯源一一地處南海的馬尼拉海溝發生地震時所引發海嘯的傳播過程，學生可通過設置不同參數和條件，分析震源位置、深度、震級、斷層特性等對海嘯的影響，理解海嘯的傳播特點。endprint

（4）全球碳循環虛擬仿真。通過FUSION軟件觀察林冠結構，準備基礎數據，設置參數，運行Beps-Hydr模型和全球碳同化模型GCAS，觀察葉面積指數、凈初級生產力與生態系統生產力在全球不同地區的分異狀況，使學生思考其分異規律及其與全球植被空間分異之間的相互關系。觀察全球碳循環的時空分布和變化狀況，思考碳循環動態變化與全球陸地生態系統分布及全球變化的聯系。實驗目的是通過“自上而下”與“自下而上”的全球碳循環虛擬仿真，學習碳循環建模與同化方法，理解全球碳循環機制。

（5）數字高程模型構建。數字高程模型（DEM）是在一定范圍內通過規則格網點描述地面高程信息的數據集，用于反映區域地貌形態的空間分布。借助地理信息系統軟件，基于高程點創建不規則三角網，生成數字高程模型，構建三維地形場景，分析地形地貌特征，并可實現三維場景的虛擬仿真漫游。通過體驗數字高程模型的構建過程，使學生加深了解數字高程模型構建的原理和方法。通過地形剖面分析、坡度分析、坡向分析、三維漫游，使學生理解不同地貌特征在數字高程模型中的表現形式，有助于學生能更好地掌握地形分析相關技術。

（6）地物三維建模。通過現場教學的方式，使學生掌握測繪基礎理論與外業流程，通過校園主體建筑物的數據采集，熟練操作激光掃描儀、GPS定位儀、全站儀等儀器，獲得三維激光點云數據。指導學生掌握地面LiDAR點云匹配、噪聲濾除、特征提取、多源數據融合等數據處理手段，熟練操作LiDAR數據處理軟件，并引導學生針對航空與地面點云集成、建筑物點云提取等關鍵技術開展相關實驗。利用地形、建筑物、植物等典型地物的三維模型重建以及模型紋理貼圖，培養學生掌握三維建模工具，提升實踐動手能力，構建精細三維實景模型。運用計算機圖形學原理，結合平臺先進的三維引擎，設立地理加權預加載的大數據量實時渲染技術等研究方向，進行軟件開發實踐，培養學生的軟件開發能力。有利于學生深入理解激光數據采集和點云生產的關鍵技術和過程，幫助學生掌握基于激光點云數據的高精度地物提取與建模方法，引導學生學習地物三維建模與可視化技術。

（7）虛擬廬山地理環境。該虛擬仿真系統提供數字地形（DEM、等高線）、高分辨率遙感影像和地質圖三類基礎數據，包含景點景區、旅游勝地、特殊地形地貌等多個興趣圖層，融合了地理信息與虛擬仿真技術，實現廬山自然和人文地理要素的數字化、地理過程的三維動態模擬、地理要素的三維空間分析、地理信息集成管理和專題成果自動制圖等功能。實驗目的是將廬山地理學野外實習與虛擬廬山地理環境相結合，使學生對廬山地理環境與人文景觀有更深刻的認識；通過野外數據自動采集、位置服務、空間分析、三維地形可視化等功能的操作，提升學生對不同尺度的地表過程與格局的認知和分析能力，有助于培養學生對所學知識的綜合應用與創新思維能力。

（8）流水地貌演化仿真。由于流水地貌演化過程耗時漫長，現實生活中僅能觀測到該演化過程中的某個階段，難以快速、直觀地掌握全局性的流水地貌演化機理。通過虛擬仿真手段，能夠從大的時間尺度進行觀察，使學生把地貌形態和水文、泥沙及水力因素結合起來，認識流水地貌形成、發育的物理過程。通過流水地貌演化仿真，學生對流水侵蝕作用地貌、堆積作用地貌和沖積扇地貌等有了全方位的理解，能夠結合內力作用和外力作用分析河曲、牛軛湖與階地的成因、形態及演化過程，并認識到河流變遷對沿岸人類活動的影響，提高學生綜合運用知識的能力。

（9）滑雪場選址模擬。滑雪場選址，要求滿足滑雪場建設的地形條件、擁有一定的游客數量、交通條件便利的重點區域等。準備區域地形、人口、交通線路等數據，并用疊置分析找出同時滿足人口、交通、地形條件且避讓自然保護區的地區。通過不斷更改、優化相關參數，模擬不同參數條件下的滑雪場情景，在線提交操作結果并獲得評價，最終確定滑雪場建設的備選地。通過該實驗的體驗操作，學生可以掌握以矢量數據為基礎，應用空間查詢、緩沖區、地形、疊加等空間分析技術解決滑雪場等相關選址問題。

（10）地表降雨徑流模擬。降雨徑流過程是地球表層系統重要過程之一。該系統基于柵格單元分別建立土壤下滲模型、坡面產流和匯流模型，以及河道匯流模型；根據降雨資料和模型參數進行模型運算，得出流域內每一柵格的產流過程和匯流過程以及出口斷面的流量過程。在此基礎上，利用虛擬現實技術，將模擬的空間水文過程（如降雨、下滲、產流量、徑流量等）進行三維動態顯示。學生通過設置不同模型及參數，可深入理解不同的水文過程特征；實現流域空間水文過程三維顯示的縮放、旋轉、飛行漫游等交互功能，以便進行多比例尺、多角度的觀察分析；也可以通過鍵盤操作改變漫游路線、視點位置及視角，產生一定程度的沉浸感。這樣有助于學生深刻理解降雨、蒸發、下滲、產流、匯流的空間水文過程及其影響因素。

（11）梅雨鋒運動模擬。梅雨一般發生于每年的6月中下旬至7月上旬，梅雨鋒降水帶可長達數千公里，橫貫東亞和西太平洋地區。以2014年7月11-13日的一次梅雨過程為例，用WRF模式對梅雨鋒降水帶進行虛擬仿真模擬。通過對梅雨鋒降水帶的虛擬仿真實驗，加深學生對梅雨鋒降水帶尺度與強度的認識，了解數值預報對此類系統的預報能力。通過三維結構剖析，進一步使學生了解梅雨鋒降水帶組織化形成過程，認識梅雨鋒暴雨形成的可能機制。

（12）臺風運動模擬。通過野外觀測實驗認識臺風具有較高的難度和危險性。以2014年9月16日在海南和廣西登陸的海鷗臺風為例，用WRF模式進行虛擬仿真模擬。實驗目的是通過臺風內部環流結構特征的數值模擬和三維顯示，認識臺風結構，理解臺風發展和維持機制。通過對臺風的數值模擬仿真演示，使學生了解數值預報對臺風系統的預報能力，加強對臺風降雨帶結構的認識。并經軌跡追蹤分析，使學生形象地認識到臺風內部的三維環流結構特征，為理解臺風發展和維持機制打下基礎。

三、特色與創新

（1）以事前野外實地觀測、事后野外實地驗證為基礎。地球系統科學的虛擬仿真不同于其他學科，具有非常強的現實性，必須體現虛擬世界與真實世界的映射關系，因此，地球系統科學虛擬仿真建立在大量野外實習、野外觀測與真實性檢驗的基礎上，充分體現“虛實結合”的建設原則。經過多年的發展，南京大學已經牽頭建成了廬山國家重點地理學實習基地，以及巢湖、阿爾卑斯山、貝加爾湖等著名的地學野外實習基地，積累了大量的野外實習數據。基于內生金屬礦床成礦機制研究國家重點實驗室、計算機軟件新技術國家重點實驗室、海岸與海島開發教育部重點實驗室、中尺度災害性天氣教育部重點實驗室的軟硬件條件，利用全站儀、激光掃描儀、野外光譜儀、質譜分析儀、多普勒雷達等先進儀器設備獲取了大量野外實地觀測與真實性檢驗數據，為地球科學虛擬仿真提供了堅實的數據基礎。

（2）實現了多圈層、多過程、多尺度、多時相虛擬仿真。地球系統科學虛擬仿真不僅要模擬地球演化、地幔對流、海平面升降、氣候變化等大尺度地學過程，也要模擬地震海嘯、地表覆蓋變化、冰雪消融、降雨過程等中尺度地學現象，還要對潮溝、建筑物、樹木等小尺度對象進行三維建模。涉及的時間范疇既包括地球形成和演化的地質年代，包括地表剝蝕和物質運移的第四紀，也包括氣候變暖和極地冰蓋消融的當代，還包括模擬預測氣候變化和海平面升降的未來。涵蓋巖石圈、地球表層和大氣圈，包括固體地球、地表物質運移、海洋變化、天氣變化等重要地學過程。整個地球的圈層系統相互交叉，地理、海洋、地質、大氣四大學科相互融合，跨學科的地球系統科學虛擬仿真實驗教學中心的建設，有利于培養綜合型、寬基礎、創新性、高水平的地球系統科學領軍人才。

（3）地球系統科學虛擬仿真實驗融合了虛擬仿真技術與地理信息技術。地球系統科學作為新型交叉學科，面對地球復雜巨系統，需要整合多學科研究力量，開展跨學科協作，培養綜合性研究人才。地理信息技術作為地球系統科學的基礎支撐技術，通過構建對地觀測系統，全面采集與整合多源、多時相、多分辨率、多媒體地學空間數據，并在空間數據庫、地理模型、空間分析與數字制圖等技術支持下，開展地學空間格局定量描述、地學過程模擬、專題地圖輸出。隨著虛擬現實、互聯網、大數據、云計算等新興技術的迅猛發展，地理信息技術積極融合虛擬仿真等技術，建設地球系統科學虛擬仿真平臺，以其鮮明的多維可視化、動態交互、實時計算等技術特色，對抽象、不可再現或難以表達的地學現象及其過程開展數字仿真模擬、動態監測與預報預測。同時，虛擬仿真技術融合地理信息技術，為地學人才培養提供了新型的虛擬教學平臺。通過構建高度仿真的地學虛擬實驗環境和實驗對象，引導學生在數字環境下深入學習與探索地球圈層環境的時空格局、地域分異、動態演化規律，掌握地學數據采集、轉換、集成、建模、分析、制圖與可視化的技術流程，增進學生的地學創新思維、實踐動手與科學研究能力，培養具有地球系統科學觀的綜合性創新人才。endprint