地學三維可視化與過程模擬課程建設

田宜平,翁正平,何珍文,張志庭

摘要：空間信息與數字技術專業是一個新興專業，結合中國地質大學的優勢學科，以培養地質信息復合創新型人才為目標。地學三維可視化與過程模擬是本專業的主干專業課之一，本文就該課程在課程體系中的地位、教材編寫內容選定、課程教學方法、一體化實踐教學以及大賽與科研結合的專業課教學模式等方面做了相應的探討和實踐。相關工作將對同類專業的課程建設有一定的借鑒作用。

關鍵詞：空間信息與數字技術；一體化實踐教學；課程教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）45-0148-03

空間信息與數字技術本科作為新專業已經在國內武漢大學、中國地質大學（武漢）、西安電子科技大學、廈門理工大學等多所院校開設了該專業，各校依托優勢學科，分別側重于測繪、地質信息技術、深空探測等領域的空間信息機理研究及應用，人才培養各具特色[1，2]。

我校開辦的空間信息與數字技術專業依托地質資源與地質工程、地質學等國家重點學科，以培養地質信息技術復合創新型人才為目標。教學團隊于2005年提出了“地質信息科學”的理論框架與方法技術體系，為本專業人才的培養明確了學科基礎，為地質信息技術復合型人才培養明確了指導思想[3，4]。本專業將立足服務于國家信息化建設和社會發展的需要，為國家培養系統掌握計算機技術、地質學、資源勘查學、地礦勘查（察）計算機應用、地質信息系統工程等方面的基本理論、基本方法和基本技能，能適應新時期地礦工作信息化建設發展需要，掌握科學的思維方法，愛崗敬業，能在地質調查、地礦勘查、環境監測、海洋勘查、黃金工業、礦山企業、建材勘查、水利水電、工程地質、地質災害勘查、城鄉建設規劃設計部門、交通、國防軍事、航空航天等行業或部門從事各類地質信息系統的管理、設計、開發和科學研究工作，具有發現問題、分析問題和解決問題的能力和素質，并且在德、智、體、美諸方面全面發展的復合型人才。本專業的課程體系建設近幾年來進行了一系列深入地研究與探討，圍繞專業主干課進行了課程設置，地學三維可視化與過程模擬為其專業主干課之一。

一、本課程在課程體系中的位置

本專業提出了基于知識結構樹的課程體系研究與配置方法，構建了學科基礎課—專業主干課—專業核心課的課程體系和專業培養方案，編寫出版了全新的專業核心課程教材，搭建了面向跨學科知識有機融合的教學體系，見圖1。圍繞《地質信息系統》和《地學三維可視化與過程模擬》兩門核心課程配備專業主干課程，開設計算機技術類、空間信息技術類、地質學與資源勘查學類的系列課程，從地質數據采集、管理、處理、建模、可視化及評價等不同角度構建地質信息處理專業知識體系。在夯實地學基礎的同時強化計算機開發能力培養，并突出地質信息技術的應用特色。

二、教材編寫內容選定

本課程主要從地質、地理兩個方面出發，全面介紹了地學三維可視化的理論、方法和技術手段。在數據模型、三維建模、可視化技術手段、空間可視化分析等方面都綜合考慮了地質空間與地理空間的特點，將兩者完全統一起來，彌補了目前空間信息可視化的教材沒有考慮地質空間特點的不足。針對地質對象的建模不確定性與地質過程模擬的復雜性，本課程在綜合介紹地學數據模型和可視化方法的基礎上，重點介紹了三維地質體建模和地質過程動態模擬，突出了地質數據可視化的特色和難點。

針對本課程的教學內容，教學小組在大量已有教材的基礎上自編并出版教材。教材的內容章節如下：第1章 緒論，包括：（1）地學信息的科學概念及七多特性；（2）可視化的科學概念與地學可視化；（3）地學可視化的研究內容；（4）地學數據的特點及其可視化方法簡介；（5）地學可視化與過程模擬的研究內容。第2章 地學信息可視化的理論基礎，包括：（1）地圖可視化理論；（2）地圖（學）信息傳輸理論；（3）空間認知科學理論；（4）數據挖掘和知識發現理論；（5）地學圖解/圖譜理論；（6）虛擬現實理論。第3章 地學信息的數據模型，包括：（1）地學信息的空間數據模型；（2）地學信息的屬性數據模型。第4章 三維地質體建模，包括：（1）三維地質體建模現狀；（2）三維地質體建模難點分析；（3）三維地質建模方法。第5章 典型的地學數據及其可視化方法，包括：（1）數據類型；（2）點數據場的可視化；（3）標量場數據的可視化；（4）矢量場數據的可視化；（5）張量場數據的可視化；（6）其他可視化方法。第6章 地學三維可視化分析，包括：（1）數字地形顯示與簡化技術；（2）地理空間分析可視化技術；（3）地質體三維可視化技術。第7章 地學三維可視化實現工具，包括：（1）OpenGL；（2）Direct3D；（3）OSG；（4）Java3D；（5）VRML；（6）QuantyView。第8章 地質過程的動態模擬，包括：（1）盆地模擬概述；（2）構造—地層格架演化的平衡剖面法模擬；（3）構造—地層格架演化的平衡體法模擬；（4）盆地古地熱場與有機質熱演化模擬；（5）生烴模擬；（6）排烴模擬；（7）運聚模擬。

教材的編寫思路是按照“可視化理論—數據模型—建模—可視化方法—可視化分析技術—可視化工具—過程動態可視化”的流程，先總結目前可視化研究領域的一些理論，詳細闡述如何用各種數據模型來表達存儲地學三維數據，探討各種三維模型的建模方法，建立起模型后研究用什么可視化方法來表征各種三維模型，進一步對三維模型進行可視化分析技術的實現，最后介紹實現上述可視化的編程工具（三維引擎）。在教材的第8章給出了一個典型的地質過程可視化模擬的案例，綜合應用前面章節的手段實現盆地模擬過程可視化，可為其他地學過程可視化提供借鑒手段。

三、課程教學方法——一體化實踐教學

在強化課堂教學，加強課程間融會貫通的基礎上，在前導課程的支持下，本課程采取實際科研項目引導的實驗教學，采用科研團隊開發的大型三維地學可視化軟件平臺Quanty View進行二次開發實習，實習的內容是實際科研項目中常用的三維建模與可視化功能的開發。與前導課程一起構筑由課程實驗、課程設計、綜合設計、專業實習等組成的一體化實踐教學體系，見圖2，培養學生工程思維和獨立解決問題的能力，提高學生實際動手開發能力。endprint

本課程的上機實踐是從實際科研項目中提煉出來的實習內容，緊緊圍繞常用的三維建模與可視化功能的開發，針對性強，讓學生從上機實踐中理解貫通課堂的教學內容。總共安排四次上機實踐。實驗一：地質災害三維可視化建模實驗。實驗目的：掌握GeoHazard三維可視化軟件，了解三維可視化概念及其原理。使用地學相關數據，使用三維可視化軟件和鉆孔數據，建立地質三維模型。實驗二：三維可視化分析。實驗目的：加深對三維建模軟件的使用，掌握軟件三維可視化分析操作和原理，特別是矢量剪切分析；了解三維可視化分析其他各個功能的編程原理和基本算法。實驗三：基于QuantyView的二次開發。實驗目的：熟悉基于QuantyView的二次開發，掌握地學三維可視化軟件基本框架的搭建；通過QuantyView平臺軟件的二次開發，熟悉地學三維可視化技術的編程實現，完成專題動態庫創建及配置、專題EXE的創建及界面配置以及控制線建模實例開發。實驗四：基于QuantyView的二次開發實現三維可視化功能，實驗目的：通過具體的可視化功能二次開發實現來完成進一步熟悉基于QuantyView的二次開發，掌握地學三維可視化功能模塊的開發，完成搭建基于QuantyView的三維可視化軟件框架、在當前圖層中創建一個多邊形對象、實現鍵盤漫游、實現路線飛行漫游、實現多邊形對象的分層設色、實現兩個多面體合并等開發內容。

四、大賽與科研相結合的專業課教學模式

本課程的教學對象是高年級的本科生，有著一定的專業基礎課知識的儲備，具有參與實際科研或挑戰杯、創新創業等大賽的能力。在專業課程教師指導下參加科研或大賽是創新人才培養的重要環節，對于激發學生創新意識、創新思維，提高動手能力有著重要的作用。本課程組的教師圍繞本專業課的研究內容提出一些前沿的研究小課題，指導學生參賽，讓學生自己獨立思考如何完成小課題的研究。同時，專業課的教師都承擔著一定的實際科研項目，也可以從科研項目中抽取相關的小功能提供給學生開發實現，提高學生實際動手解決問題的能力。為此構筑了大賽與科研相結合的專業課教學模式，促進了多層次、多渠道的導師制和產學研相結合的創新人才培養模式。多層次是指針對不同年級的學生開展不同類型的項目設計。通過導師與學生雙向選擇，低年級參與以興趣引導、基本技能訓練為主的認識和設計型實踐，高年級參與項目或競賽的綜合型和研究型實踐。多渠道指產學研結合，打破單一的課內教學模式，將課外實踐納入人才培養體系。通過與企業合作建設實習基地，派遣學生參加實習，提高學生解決問題的能力[5]。大賽與科研相結合的專業課教學模式有利于課程理論、實際科研與實戰能力的全方位培養。

五、結語

地學三維可視化與過程模擬課程以地質信息科學為學科基礎，依據教學實際情況，按照“理論—模型—建模—可視化方法—可視化分析技術—可視化實現工具—過程動態可視化”逐漸由理論走向實踐的思路，完成了教材編寫，目標是實現地質科學知識與計算機技術的有機融合，為專業培養方案起到承上啟下的作用，可操作性強。專業主干課程結合實際運行的應用軟件進行案例講解，上機實習采取高仿真的“模擬項目”的教學方式。學生自主實戰訓練，組成項目研發小組，完成整個項目的研發，并取得了較好的效果。本課程為“空間信息與數字技術”專業的發展發揮了應有的作用，所選取的教學內容和采取的教學方式對促進相似專業領域的教育教學思想完善起到了很好的示范和借鑒作用。

參考文獻：

[1]張明華，唐寧，鄔群勇，等.“空間信息與數字技術”新辦專業建設與實踐[J].高等理科教育，2010，90（2）：42-46.

[2]吳學文，滿旺.國內空間信息與數字技術專業培養方案的對比與分析[J].測繪通報，2013，（5）：108-114.

[3]吳沖龍，劉剛，田宜平，等.地礦勘查信息化與地礦信息科技學科建設[J].中國地質教育，2005，（01）：32-35.

[4]吳沖龍，毛小平，劉剛，等.論地質信息科學[J].地質科技情報，2005，24（03）：1-8.

[5]張冬梅，王媛妮.空間信息與數字技術專業復合創新型人才培養研究[J].教育教學論壇，2016，（24）：157-158.endprint