多尺度數字地質剖面與野外教學深度融合的實踐與探索

毛凱楠 鄒雨甜 楊 巍 向 坤

地質野外實習包括地質認識實習、地質填圖實習、地質生產實習等實踐教學環節，作為地球科學各專業學生的理論課和實驗課的延伸，是相關專業本科生實踐教學的重要組成部分。野外實習以其生動性、直觀性、綜合性及實用性為特點，能夠深化學生對理論知識的理解，拓展學生的思維，提升學生發現問題、分析問題并解決問題的綜合能力。但是由于傳統的地質野外實習需要考慮天氣情況、交通環境、經濟成本及學生安全等問題[1～3]，往往會受到很多限制，導致學生能夠參與條件較好的野外實習的機會大大減少，學生的創新能力與實踐能力就很難得到有效的訓練[1～5]。

隨著大數據“互聯網+”人工智能等新技術的發展與應用[2,5,6]，傳統的野外教學時空限制被打破，全新的教學方式將推動地質野外教學的創新與發展[2～5，7]。本文將利用無人機傾斜攝影技術獲取的航拍影像通過Pix4D mapper軟件進行三維地質建模，而后在三維地質模型中添加相關知識點交互功能，再借助Electron、Untiy3d等平臺發布，以實現實習路線的第一人稱沉浸式漫游，能夠使學生較好地從宏觀到微觀地學習各類地質現象與地質特征，從而有效提高教學質量，降低了野外實習的勞動強度與風險。

一、地質野外教學設計

永寧鎮剖面位于貴州省貴陽市南西方向約150km關嶺縣城以西方向，沿國道320展布(圖1)。該剖面三疊系出露完整，自下三疊統夜郎組至上三疊統瓦窯組，巖石類型多樣，海—陸相類型豐富，且擁有全球晚三疊世卡尼期著名的海生爬行動物群——關嶺動物群，另外以新鋪復向斜為代表的構造行跡在區內發育清晰，沿剖面可觀察典型峰叢洼地等喀斯特地貌類型，是開展古生物、沉積、地貌等地學研究、實習教學的良好素材，目前該剖面已入選DDE深時數字地球大科學計劃野外路線建設范圍。

圖1 永寧鎮野外實習教學剖面區位圖

二、數字地質剖面助力野外教學

(一)路線方案設計。在對實習路線進行實地考察之前，需要對其進行前期調研，以便確定后期的數據采集方式。通過文獻檢索，了解目標剖面的交通位置、區域地質構造、地層巖性及古生物等概況。結合上述信息，再利用各類電子地圖或衛星地圖來對實習路線進行初步方案設計。

(二)素材信息采集。數字地質剖面的數據采集主要包括兩個方面的內容：一是主要利用無人機傾斜攝影航拍技術，采集高分辨率影像圖片，用于建設高精度地質剖面的三維模型；二是采用傳統野外地質工作手段，對巖層分界點、重點層位以及典型古生物化石進行樣品采集，后期對典型的巖石化學成分進行分析，磨制巖石薄片以得到結構、構造鏡下照片等數據。將上述兩者在后期場景重建的工作有機結合起來，從而實現從宏觀到微觀的無縫連接，讓學生體驗無間斷學習的過程。

本條路線的影像采集利用的設備是大疆悟2無人機配備禪思X5S云臺相機。總體的建模思維是，高空完成整體三維模型的建設，與近地表無人機特定露頭點三維模型進行融合。實現高空看整體，放大看局部的功能。在這一思維的指導下，我們采取了航線掃描與露頭掃描兩種方式結合(表1)，分別實現宏觀影像的采集與精細影像的采集，以便獲得高分辨率的模型(圖2)。

表1 無人機航拍影像采集方案

圖2 高分辨率模型細節展示

(三)數字剖面制作。一是三維建模，將無人機傾斜攝影航拍影像導入Pix4D mapper軟件，生成永寧鎮剖面高精度的高程模型(digital elevation model，DEM)和數字正射影像圖(digital orthophoto map，DOM)。二是場景創建，在Electron或Unity 3D平臺中創建場景，并把模型拖至新建場景中。設計體驗者可游覽的路徑，給墻體、物體等添加物理碰撞，防止體驗者在游覽時“穿墻”“穿物”或是進入“禁區”。三是交互設計：首先，創建視角，使用第一人稱控制器“First Person Controller”，學生就能以第一人稱的視角去觀察周圍的地形地貌環境特征；然后設置漫游交互，通過按鍵來控制前后，左右移動，實現在實習路線上的漫步；再根據教學需要設計其他觸發交互，比如相關知識點的文字說明、教師的音頻或者視頻講解、巖石鏡下特征照片與說明、古生物化石特征展示照片、地層界線以及地質構造要素的解釋等豐富的內容(圖3)。最終實現地質野外教學的內容從宏觀到微觀的多尺度數字地質剖面的建設。

圖3 展示教學內容的交互界面(地層介紹，巖層分界，鏡下照片展示)

(四)線上線下教學融合實踐。通過自己動手親自操作多尺度數字地質剖面，學生可以在線上對其進行各種瀏覽、測量、旋轉等操作，刺激學生的視聽感官，使其加深對該地質剖面的感性認識。相較于傳統的二維地圖的教學，現在的數字剖面由遠及近，由近及遠，多尺度；由高到低，由低到高，多視角的變換，可以讓學生體驗到身臨其境的感覺。甚至可以做到“上帝視角”的觀測角度，讓學生不再局限于某一尺度某一視角，深刻體驗地球科學的大局觀，這些都是現場野外教學不能實現的。

雖然上述的數字地質剖面可以實現很多傳統野外教學不能做到的事情，但是它還是只能作為現實中野外地質實習的輔助教學資源，讓學生預習或者復習的時候能夠得到幫助。在學生充分做好上述環節后，可以組織學生進行野外實習體驗，完成一些在線上無法實現的工作，比如使用羅盤測量巖層產狀，使用放大鏡觀察巖性標本，使用地質錘敲開巖石新鮮面等。

通過對學生的分批教學實驗表明，能夠參與線上線下融合實踐的學生表現出對地球科學更加濃厚的學習熱情與興趣，也明顯體現出了學生更好的創新思維與野外實習的教學效果(圖4)。當然，通過學生的反饋，也收集了一些共性問題(圖5)，將在今后的教學過程中改進與完善，借助數字地質剖面推動野外教學的發展與改革。

圖4 學生對線上線下融合實踐的體會

圖5 學生對線上線下融合實踐的建議

三、結語

地質教學始終離不開實踐教學環節，多尺度數字地質剖面教學資源的加入，使得野外地質教學的教學資源得到了豐富，兩者的深度融合創建了“虛實結合”的教學模式，使學生的實踐學習從“線下”拓展至“線上”，實現了兩種教學資源的優勢互補。這樣的教學模式打破了傳統野外教學的時空限制，有利于綜合型、研究型實習實踐課程的開展，大大降低了學生野外實習過程中的強度與風險度，同時加強了學生的實踐與創新能力，也提高了地質野外教學的教學水平與本科教學質量。