數(shù)字技術(shù)在職校地質(zhì)工程實(shí)訓(xùn)中的應(yīng)用探討★

孟 芹

(貴州交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550001)

1 項(xiàng)目背景

對(duì)于地質(zhì)課程學(xué)習(xí)而言，系統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)有著非常重要的作用。長(zhǎng)期以來(lái)，地質(zhì)勘查工程專業(yè)人才培養(yǎng)的教學(xué)手段受到諸多條件的限制。校外實(shí)訓(xùn)基地主要是采用野外實(shí)訓(xùn)基地加校企合作實(shí)訓(xùn)基地，野外實(shí)訓(xùn)基地地質(zhì)場(chǎng)景大多在野外的崇山峻嶺，交通出行不便，學(xué)生安全難以保證。實(shí)訓(xùn)周期較長(zhǎng)，短則數(shù)天，長(zhǎng)則數(shù)月的影響，食宿所需基地建設(shè)耗資不菲；實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)教師數(shù)量亦不足；校企合作基地受企業(yè)生產(chǎn)任務(wù)安排和教學(xué)安排時(shí)間差異的影響，部分實(shí)訓(xùn)涉及到工程的施工耗資較大，且不可逆轉(zhuǎn)，實(shí)驗(yàn)無(wú)法重復(fù)再現(xiàn)，學(xué)生走馬觀花，視野極其受限，未能系統(tǒng)的獲得實(shí)訓(xùn)技能。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度來(lái)看，對(duì)于目前的實(shí)踐教學(xué)來(lái)說(shuō)，野外豐富、經(jīng)典的地質(zhì)現(xiàn)象，也仍存在一些問(wèn)題。隨著人們對(duì)自然資源的開(kāi)發(fā)，實(shí)訓(xùn)區(qū)一些經(jīng)典的、不可再生的地質(zhì)現(xiàn)象遭受破壞，嚴(yán)重影響室外教學(xué)的效果；實(shí)訓(xùn)區(qū)均位于特定區(qū)域位置，進(jìn)行的是對(duì)特定區(qū)域的地質(zhì)作用及其地質(zhì)記錄的觀察培訓(xùn)，這種教學(xué)模式影響到跨區(qū)域就業(yè)學(xué)生在工作崗位中對(duì)工區(qū)的熟悉程度，制約著他們未來(lái)的發(fā)展；實(shí)訓(xùn)區(qū)存在地質(zhì)景觀有限，有教學(xué)資源不足的現(xiàn)象。

這些問(wèn)題的存在，從客觀上影響了地質(zhì)工程專業(yè)教學(xué)水平和質(zhì)量的提高，學(xué)生動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)也受到一定的客觀制約。隨著無(wú)人機(jī)，VR，BIM等數(shù)字技術(shù)的發(fā)展為地質(zhì)實(shí)訓(xùn)在校內(nèi)進(jìn)行提供了有利條件，使之突破以上制約變成可能。

2 幾種數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用概況

2.1 無(wú)人機(jī)技術(shù)在地質(zhì)工程上的應(yīng)用

隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，它將傳統(tǒng)的航空攝影技術(shù)與地面的立體三維技術(shù)和測(cè)繪技術(shù)進(jìn)行綜合應(yīng)用，無(wú)人機(jī)擁有多角度、立體式、全方位等諸多優(yōu)點(diǎn)。無(wú)人機(jī)的遙感監(jiān)測(cè)包含了災(zāi)害遙感監(jiān)測(cè)選項(xiàng)內(nèi)容部分，補(bǔ)充了航空遙感、衛(wèi)星遙感對(duì)地觀測(cè)頻度、精度和時(shí)效上的缺陷，完善了對(duì)地觀測(cè)技術(shù)在災(zāi)害中的應(yīng)用。通過(guò)無(wú)人機(jī)的低空多位鏡頭獲得立體高清影像數(shù)據(jù)、自動(dòng)生成三維地理信息模型，快速實(shí)現(xiàn)獲取地理信息，相應(yīng)的滿足了地質(zhì)工程的不同條件的需求。

無(wú)人機(jī)在地質(zhì)勘察、地質(zhì)災(zāi)害防治中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。在汶川大地震、貴州水城大型滑坡、寧夏彭陽(yáng)縣大型滑坡等災(zāi)害治理中，無(wú)人機(jī)都發(fā)揮了較大的作用。無(wú)人機(jī)可以多次拍攝不同角度不同層面的同一個(gè)地區(qū)，對(duì)這些拍攝照片進(jìn)行數(shù)據(jù)分析就可以得到完整準(zhǔn)確的事發(fā)現(xiàn)場(chǎng)的現(xiàn)狀，還可以對(duì)地質(zhì)進(jìn)行二次分析，如果地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生了一次，那么無(wú)人機(jī)就可以對(duì)下次災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)一些不穩(wěn)定區(qū)域進(jìn)行劃分。即使是在沒(méi)有發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的區(qū)域，只要被無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)到危險(xiǎn)情況或者分析出了不穩(wěn)定的地殼運(yùn)動(dòng)，那么就可以及時(shí)對(duì)該地區(qū)進(jìn)行調(diào)整，避免地質(zhì)次生災(zāi)害的發(fā)生，將人身和財(cái)產(chǎn)損失降到最低。

2.2 VR技術(shù)在地質(zhì)工程上的應(yīng)用

VR虛擬也叫做人工環(huán)境，也就是帶上VR眼鏡所看到的景象全部是虛擬的。VR技術(shù)是通過(guò)相機(jī)采集、影像制作，從而創(chuàng)建和體驗(yàn)的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)生成一種虛擬世界的模擬環(huán)境。可以讓用戶感受不同地質(zhì)條件下的三維虛擬環(huán)境。該技術(shù)的出現(xiàn)可廣泛應(yīng)用到各大領(lǐng)域，如：地質(zhì)工程、水利電力工程、橋梁道路工程等行業(yè)，尤其是在教育領(lǐng)域得到了大眾的認(rèn)可。將VR技術(shù)應(yīng)用在地質(zhì)工程教學(xué)上，既可以減少經(jīng)費(fèi)又能解決學(xué)生在野外所帶來(lái)的安全隱患。

基于VR技術(shù)的多尺度地質(zhì)數(shù)據(jù)3D式可視化與交互方法,為科學(xué)的地質(zhì)工程的教學(xué)提供新思路,該方法既符合計(jì)算思維又符合地質(zhì)專業(yè)理論。適用于地質(zhì)數(shù)據(jù)的可視化與交互。南京地震科學(xué)館亮相可通過(guò)VR感受地震場(chǎng)景，親身體驗(yàn)地震時(shí)地?fù)u山動(dòng)的驚險(xiǎn)場(chǎng)景，點(diǎn)擊觸摸屏,立馬就能讓用戶了解地震發(fā)生后在不同地方的感受。四川省國(guó)土資源廳和香港特別行政區(qū)政府土木工程拓展署，于成都理工大學(xué)聯(lián)合舉辦“川港地質(zhì)災(zāi)害防治工作交流暨香港地質(zhì)災(zāi)害防治成就展”。該成就展引入了現(xiàn)代的VR科技，展示了VR泥石流體驗(yàn)，從直升機(jī)駕駛員、汽車駕駛員、居民這三個(gè)不同角度感受山泥傾瀉帶來(lái)的影響。

2.3 BIM技術(shù)在地質(zhì)上的應(yīng)用

BIM具有可視化、協(xié)調(diào)性、優(yōu)化性、模擬性等特點(diǎn)，可用于地質(zhì)勘查、建模，重現(xiàn)地質(zhì)現(xiàn)象，解決地質(zhì)問(wèn)題。中國(guó)地質(zhì)大學(xué)錢睿利用BIM核心建模軟件Civil 3D為建模和調(diào)試主程序,以某煤田地質(zhì)勘查資料為項(xiàng)目依托,進(jìn)行了煤礦區(qū)三維地質(zhì)模型的應(yīng)用研究,可以清晰展示礦區(qū)的地質(zhì)特征,方便開(kāi)展深入的地質(zhì)研究和評(píng)價(jià)。通過(guò)三維地質(zhì)模型,可以直觀和方便的查看和利用地質(zhì)數(shù)據(jù)資料,將其復(fù)雜的內(nèi)容通過(guò)圖像方式表達(dá)出來(lái),更為清晰易讀和便于操作分析。

3 地質(zhì)實(shí)訓(xùn)數(shù)字化建設(shè)

3.1 建立地質(zhì)資料數(shù)字資源平臺(tái)

通過(guò)現(xiàn)有的學(xué)校網(wǎng)站，增設(shè)地質(zhì)實(shí)訓(xùn)板塊，并創(chuàng)建相應(yīng)的地質(zhì)資料數(shù)據(jù)庫(kù)。結(jié)合學(xué)校大量畢業(yè)生在工程建設(shè)一線崗位，接觸大量工程實(shí)踐的優(yōu)勢(shì)，網(wǎng)站內(nèi)容主要包括教師教學(xué)視頻資源、實(shí)訓(xùn)教學(xué)影音資源和畢業(yè)生工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐教學(xué)資源等三個(gè)方面的數(shù)據(jù)庫(kù)，課程平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，學(xué)生能夠隨時(shí)查閱相關(guān)資料，以便更好的學(xué)習(xí)地質(zhì)方面的相關(guān)專業(yè)知識(shí)。

3.2 無(wú)人機(jī)在地質(zhì)實(shí)訓(xùn)中的應(yīng)用

“橫看成嶺側(cè)成峰，遠(yuǎn)近高低各不同。不識(shí)廬山真面目，只緣身在此山中。”蘇軾的《題西林壁》富有哲理的闡述了當(dāng)一個(gè)人站在不同的位置所觀察到的相同事物會(huì)有不同的感官認(rèn)識(shí)。地質(zhì)意義上的地形、地貌是在一個(gè)大的區(qū)域上所形成的概念，通過(guò)實(shí)地觀察也很難全方位的有一個(gè)總體認(rèn)識(shí)，而且在短時(shí)間的野外實(shí)訓(xùn)也很難有精力爬坡上坎的全面了解一個(gè)地形地貌。而通過(guò)無(wú)人機(jī)的不同視角能夠從不同角度宏觀上觀察地形地貌，更能直觀的理解地形地貌的真正含義。通過(guò)無(wú)人機(jī)我們能直觀的領(lǐng)略到卡斯特地貌的驚奇、風(fēng)蝕地貌的蒼涼、平原地貌的廣袤、峰叢地貌的險(xiǎn)峻和湖泊地貌的秀美。

地質(zhì)災(zāi)害的認(rèn)識(shí)是地質(zhì)工程中的重要環(huán)節(jié)，然而直觀的現(xiàn)場(chǎng)觀察地質(zhì)災(zāi)害既不安全也是可遇不可求的。當(dāng)?shù)刭|(zhì)災(zāi)害發(fā)生時(shí)，由當(dāng)?shù)氐南嚓P(guān)人員通過(guò)無(wú)人機(jī)拍攝上傳至數(shù)據(jù)平臺(tái)。學(xué)生通過(guò)引擎搜索則可以對(duì)泥石流、滑坡、崩塌、地面塌陷、軟土沉降等地質(zhì)災(zāi)害有直觀的感受。通過(guò)無(wú)人機(jī)不同視覺(jué)我們更能深入認(rèn)識(shí)地質(zhì)構(gòu)造中背斜、向斜、褶皺、斷層的形態(tài)。

3.3 VR技術(shù)在地質(zhì)實(shí)訓(xùn)中的應(yīng)用

VR教學(xué)就是利用VR技術(shù)使學(xué)習(xí)者融入虛擬的教學(xué)場(chǎng)景。從廣義上來(lái)講，地形、地貌、地質(zhì)構(gòu)造、地質(zhì)演變都可以在虛擬的教學(xué)場(chǎng)景中進(jìn)行VR教學(xué)。我們可以對(duì)滑坡、泥石流、崩塌、地陷、地震等地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行數(shù)字化模擬，也可以對(duì)地質(zhì)板塊碰撞、火山爆發(fā)、冰川侵蝕、褶皺扭曲、地層倒轉(zhuǎn)、溶洞形成、黃土沉積等地質(zhì)演變進(jìn)行虛擬，分類上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)并通過(guò)VR可視化與交互給學(xué)生們帶來(lái)身臨其境的震撼。

3.4 BIM技術(shù)在地質(zhì)實(shí)訓(xùn)中的應(yīng)用

在地質(zhì)工程設(shè)計(jì)和施工方面BIM也得到了廣泛應(yīng)用，在路橋隧工程中，由于地質(zhì)和地形的誤差會(huì)導(dǎo)致原設(shè)計(jì)與實(shí)際施工有一定出入，這些問(wèn)題常集中在邊坡支護(hù)、橋臺(tái)錐坡、隧道洞門、涵洞、擋土墻等地方。BIM技術(shù)是當(dāng)前重點(diǎn)推廣的技術(shù)，讓學(xué)生們盡早學(xué)習(xí)這門技術(shù)也能夠在今后的工作中發(fā)揮重要作用。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)廣泛調(diào)研國(guó)內(nèi)外數(shù)字技術(shù)的功能的分析以及這些技術(shù)在同類高職院校實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地建設(shè)中的應(yīng)用，進(jìn)一步加深對(duì)數(shù)字技術(shù)的認(rèn)識(shí)。結(jié)合地質(zhì)專業(yè)教學(xué)中的知識(shí)和能力培養(yǎng)目標(biāo)，與現(xiàn)有室內(nèi)外地質(zhì)實(shí)訓(xùn)條件和場(chǎng)地進(jìn)行對(duì)比，梳理可進(jìn)行數(shù)字化建設(shè)的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，進(jìn)行實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的數(shù)字技術(shù)方案的擬定。數(shù)字化技術(shù)在職業(yè)院校地質(zhì)實(shí)訓(xùn)的應(yīng)用是可以實(shí)現(xiàn)的，而且應(yīng)該可以廣泛運(yùn)用。