三維地質建模在烏當地質實習教學中的應用

夏鵬，周涌，蔣璽，唐波，郭川，楊宇寧

（貴州大學資源與環境工程學院，貴州貴陽 550025）

地質學是一門實踐性很強的學科，地質實習是地質學教學過程中非常重要的實踐環節。地質實習對于學生鞏固和深化所學專業理論知識、加強感性認識和培養野外工作能力等有重要意義[1-3]。隨著信息化技術的快速發展，傳統的野外地質工作模式也不斷地發生著變革，數字地質圖、空間數據庫和三維地質模型等已成為目前野外地質填圖的主要手段，第一手地質資料逐漸由手書+素描向電子文檔+照片轉變[4-6]。因此，高校野外地質實習模式迫切需要根據行業需求進行調整，在滿足傳統地質實習教學目標的基礎上，給學生提供圖件矢量化、空間數據庫構建與管理、三維地質模型構建等相關領域的學習和鍛煉機會，確保未來能夠更好、更快地適應工作崗位。

一、烏當地質實習現狀

烏當地質實習是貴州省高校地質類專業的重要實踐教學環節，重要性在于為學生提供了將專業理論知識與實際地質現象相結合的寶貴學習機會，目的是使學生掌握野外地質工作的程序和方法。原貴州工學院（現合并為貴州大學）從1958年建校，開設烏當地質實習課程。實習基地位于貴陽市烏當區東風鎮，面積約20km2。烏當實習基地內出露地層較全，包括古生界寒武系、奧陶系、志留系、泥盆系、石炭系和二疊系，中生界三疊系和白堊系以及新生界第四系的沉積地層，加之區內構造現象豐富且形跡保存完好，古生物化石種類齊全，地貌類型多樣且典型，在沉積巖地區十分罕見，被評為“全國科普教育基地”和“省級地質公園”[7]。

烏當地質實習課程具有基礎性和實踐性強、綜合度高、受自然環境和社會發展影響大等典型特征。近年來，學校在教學過程陸續出現一些較為突出的問題，主要體現在以下3個方面：

1.開發建設帶來的不良影響。實習區距離貴陽市主城區近（約16km），城市建設的高速發展和生活垃圾填埋改變了區內局部的地形地貌和地質特征，直接導致許多重要教學地質點的破壞甚至消失，造成目前實習區范圍狹窄、實習路線逐漸減少等嚴重問題[8-10]。

2.學生學習主動性減弱。學生由于學習興趣、理解能力、知識結構不同，對前期各門基礎和專業課程的掌握程度存在明顯差異，導致部分學生在綜合性教學中接受知識和技能訓練時較為被動，加之野外地質工作量大，實習過程翻山涉水，十分辛苦，所以，部分學生主動性和自覺性難以很好調動起來。

3.實習方法手段更新不足。目前，國內外野外地質填圖工作已進入“數字地質圖+空間數據庫+三維地質模型時代”[4]，地質工作“三大件”已經由傳統的地質錘、羅盤和放大鏡轉變為掌上電腦、GPS定位儀和數碼相機，第一手地質資料逐漸由“手書+素描”向“電子文檔+照片”轉變。烏當地質實習對這些新方法和新技術的應用程度還不足[5]。

綜上，筆者將三維地質建模方法帶入烏當地質實習，不僅能夠彌補教學體系中缺少的新方法和新技術，給實習注入數字化和信息化元素，而且能通過三維地質模型的空間可視化優勢，帶給學生實習區地層、構造空間分布特征的直觀認識，提高他們對該課程的學習興趣。

二、三維地質建模教學環節的引入

（一）三維地質建模概述

三維地質建模是進行三維地質調查、深部找礦勘探、深部地質研究等地下地質研究的基礎性工作，是一門基于數據進行信息分析與合成的新技術，利用地質調查、礦產勘探、地球物理探測等方法手段獲取可靠的地質數據，使用空間插值、幾何重建、計算機圖形圖像、空間分析等技術構建地下地質體的三維地質模型，研究地下地質體的空間形態、結構及其相互關系，解釋和分析相關的地質現象和地質過程[11-12]。由于地質條件復雜、地質資料多源，前人根據實際地質條件和資料情況，針對不同尺度、不同目的的三維地質建模，提出多種建模方法（如表1）。其中，常用的三維地質建模方法主要包含四類，即基于鉆孔數據的建模方法、基于平行剖面的建模方法、基于網格交叉剖面的建模方法和基于多源數據交互的建模方法[13-16]。

分類依據 建模類型 描述

表1 基于不同數據和任務的三維地質建模方法分類

（二）三維地質建模教學內容

本課程教學涉及三維地質建模教學內容，包括資料整理、圖文數字化、數據存儲與管理、三維地質模型構建、地質特征解釋。

1.資料整理

學生整理實習成果資料，收集并整理巖芯鉆孔資料。

2.圖文數字化方法

學生通過Map GIS和Office軟件對圖文資料開展數字化工作和成圖工作。

3.數據存儲與管理

學生將數字化的圖文資料導入到建模軟件（如Petrel），根據后續工作修改、補充、完善數據。

4.三維地質模型構建方法

學生基于第3階段的數據，以Petrel等專業建模軟件構建三維地質模型，主要流程包括加載數據、圈定邊界、層面模型、斷層模型、地質模型共5個環節。

（1）加載數據包括點位數據、鉆孔位置數據、分層數據和斷層數據。

（2）圈定邊界確定實習區地質模型的范圍和邊界條件。

（3）層面模型以實習課程安排的填圖單元為基本單位，建立每一填圖單元的層面模型。

（4）斷層模型根據野外、鉆孔以及其他信息數據提取斷層面空間數據，構建斷層模型。

（5）地質模型將層面模型與斷層模型結合，建立三維地質模型。

5.地質特征解釋

學生基于構建的實習區三維地質模型，對實習區地質特征（地層發育特征及分布、斷層分布及性質、構造形態及構造演化歷史等）進行介紹，作為課程綜合考核的一部分，計入最終課程成績。

（三）三維地質建模引入及與其他教學環節的銜接

烏當地質實習課程目前主要包括實習動員、課程講解、剖面測量、剖面圖繪制、地質填圖、綜合圖件繪制、報告撰寫、階段考核、終期考核等環節（圖1）。其中，根據實習記者進程，課程講解分4次進行，分別講解實習區地層發育特征及剖面測量方法、剖面圖繪制方法、地質填圖方法、綜合圖件繪制方法及報告撰寫注意事項。階段考核主要包括3次，分別考核學生對實習區地層發育特征、剖面測量方法及剖面圖繪制、實習區構造發育特征。

教師引入三維地質建模后將增加繪圖及建模軟件使用、圖文資料矢量化、數據存儲與管理、三維地質模型構建等教學內容，新增教學內容與現有教學內容銜接關系，如圖1。

圖1 烏當地質實習引入三維地質建模課程內容銜接關系示意圖

1.教師在地質工具（羅盤、放大鏡）使用方法和剖面測量方法介紹環節，同時進行相關地質圖件繪制軟件（如Map GIS）和三維建模軟件（如Petrel）使用方法的講解。學生根據課程講解開展剖面測量工作，整理測量資料并熟悉軟件使用方法。

2.教師在剖面圖繪制環節，除了手繪剖面圖外，增加剖面數據的數字化和矢量圖繪制工作。

3.學生在地質填圖過程中，將新獲得的地層控制點、斷層控制點和文字描述等資料加載到三維地質建模軟件中，存儲數據，形成數據庫，根據后續填圖認識不斷修改、補充、完善數據庫。

4.在綜合圖件繪制環節，學生基于數據庫和綜合圖件資料，構建實習區三維地質模型，并在實習報告中介紹模型構建過程及結果。

三、結束語

烏當地質實習是貴州省高校地質類專業的重要實踐教學環節，課程教學面臨城市開發建設壓縮實習區范圍、學生學習主動性減弱、實習方法手段更新不足等問題。筆者分析認為引入三維地質建模教學內容，能夠彌補烏當地質實習教學體系中缺少的新方法和新技術，給實習注入數字化和信息化元素，帶給學生實習區地層、構造空間分布特征的直觀認識，有助于增強他們對該課程的學習興趣。三維地質建模教學內容包括繪圖與建模軟件講解和入門、圖文資料矢量化、數據存儲與管理和三維地質模型構建4個環節，終期考核要求學生基于自己構建的三維地質模型，對實習區地層發育、斷層分布、構造形態和構造演化歷史等進行介紹。