高陡巖體地質虛擬實景教學方法研究

［摘 要］ 實景虛擬現實技術在地質工程現場三維實景再現中發揮了至關重要的作用，極大豐富了高陡巖體工程地質實習的教學方式與內容，形成了“認知—考察—實訓—反饋”高度一體化的虛擬仿真實驗教學體系。學生可通過高度仿真的三維實景，深入認知地質結構特點；結合數字測量技術，開展地質數據編錄；通過分析評價與實驗報告等環節，全方位、多角度地研究與探討地質工程。與傳統野外實習相比，虛擬仿真實景實習具有可操作化、可重復化、可拓展化的特點，極大地延伸了實習教學的時間與空間；同時可反復操作與實驗，加深學生對知識的理解與掌握。

［關鍵詞］ 工程地質野外實習；虛擬仿真實驗；虛擬實景；實習教學改革

［基金項目］ 2023年度江蘇省自然科學基金項目“巖石節理的主動超聲成像和界面全局表征研究”（BK20230335）；2023年度南京工業大學高等教育教學改革研究課題“巖體地質實習的虛擬實景教學方法研究”（20230149）

［作者簡介］ 王鵬宇（1994—），男，江蘇泰州人，博士，南京工業大學交通運輸工程學院講師，主要從事虛擬仿真實驗教學與軟件開發研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）35-0133-04 ［收稿日期］ 2023-09-18

引言

在水利水電、礦山開采、公路鐵路等大型工程中，高陡巖體地質作為一種常見的工程結構，其自身的穩定性制約著工程的安全，對其安全性評價分析具有重要意義［1-2］。為了培養學生在這一領域的專業素養和實踐能力，針對土木工程類、地質工程類、交通工程類等專業方向的本科生開設了“工程地質實習”這一核心專業課程。該課程通過理論教學與實踐操作相結合的方式，旨在幫助學生全面深入地了解工程地質學的基本理論和方法，培養他們在實際工程問題中運用所學知識進行安全性評價分析的能力。

在涉及高陡巖體地質實習測量的傳統方法中，羅盤儀是一種廣泛應用的工具。它的顯著優勢在于輕巧便攜、原理直觀易懂以及操作簡便快捷。然而，在實際操作中，通常須要直接接觸待測地點，對于具有復雜工程地質特性的高陡巖體來說，這種近距離接觸無疑帶來了很大的安全風險［3-4］。除了安全方面的問題，巖體地質實習面臨著諸多挑戰和困難。其中，典型地質實習場地的稀缺是一個突出問題。很多實習場地由于地質現象不典型或者時間安排上難以保障，無法為學生提供有效的學習機會。此外，實習的組織常常受到天氣、參與人數以及路程遠近等多種因素的制約，給實習的順利進行帶來不小阻礙。在實習安全保障方面，高陡巖體的工程風險較高，而學生普遍缺乏必要的安全意識，同時指導教師人數有限，使得實習過程中的安全保障工作變得尤為困難。另外，實習經費也是不容忽視的問題，包括食宿、交通以及器材等費用，常常給學校和學生帶來經濟壓力。更為關鍵的是，當前的實習效果并不盡如人意。在實習過程中，一些學生往往是聽講解多而實際操作少，無法深入理解和體驗地質工程實踐的真諦。這種走馬觀花式的實習方式，很難真正達到提升學生實踐能力和專業素養的目的。

綜上所述，針對目前高陡巖體地質工程現場實踐存在的諸多問題，亟須探索一種新型的實習模式。隨著科技的發展，無人機技術逐漸進入實習實踐應用范疇。本文提出利用無人機對高陡巖體地質進行連續攝影，采集數據信息，并導入虛擬仿真實景設備，拓展學生的實習方式；同時，聯合工程企業，追蹤最新典型工程，提供多種典型高陡巖體地質三維數字虛擬場景。虛擬實景實習模式不僅能夠達到較好的實習效果，確保學生的安全，同時能夠突破地質條件的限制，為學生提供更加廣闊的學習空間和實踐機會。

一、教學要求

工程地質實習要求學生能夠熟練識別和認知各種工程地質現象，包括但不限于地層、巖石類型、構造形態等。此外，學生須掌握工程地質野外測量的基本方法和技巧，能夠獨立完成地質調查工作，包括野外踏勘、地質采樣、觀測記錄等［5-6］。

在教學內容方面，注重知識點的系統性和完整性。首先，學生須要掌握地質構造特征基本概念，了解地殼運動規律和機制。其次，學生須要學習地質結構面類型的識別和分類，理解不同結構面對工程穩定性的影響。同時，結構面成因特征、受力性質以及巖體結構類型等是教學中的重要內容。在技能培養方面，須特別強調學生對地質羅盤的使用和理解。學生須要掌握地質羅盤的基本構造和使用方法，能夠在野外準確測量巖層產狀、走向和傾向等關鍵信息。此外，還須了解結構面信息產狀、跡長、連續性、間距、張開度等基本概念，并能夠在實踐中準確應用。

在教學方法上，注重理論與實踐相結合。除了傳統的課堂講授外，采用了地質編錄、三維網絡模擬等現代技術手段，以幫助學生更好地理解和掌握工程地質知識。通過極射赤平投影分析法等先進方法的學習和應用，學生能夠更加準確地分析工程地質問題并判斷工程穩定性。同時，要注重培養學生的綜合素質和創新能力。在實習過程中，鼓勵學生積極參與討論和思考，提出自己的見解和解決方案。通過團隊協作和互動交流，學生的綜合素質和創新能力能夠得到有效提升。工程地質實習不僅為學生提供了系統的工程地質知識，更通過實踐教學的方式培養了學生的實際操作能力和問題解決能力。對于學生未來在工程領域的發展具有重要的促進作用。

二、教學模塊

依據工程地質實習教學要求，建立以下教學模塊。

教學模塊1（認知環節）：地質觀察。以巖體工程地質環境的三維實景虛擬技術為依托，實現高陡巖體地質認知。

教學模塊2（考察環節）：數字測量。以局部巖體結構面露出區為對象，以巖體結構三維實景模型為支撐，實現巖體地質測量操作與訓練。

教學模塊3（實訓環節）：現場編錄。以測線法與測窗法為基本方法，以區域巖體結構特征的三維虛擬實景建模為背景，以虛擬現實技術為手段，實現面向工程實踐的虛擬地質編錄與結構面統計的一系列實踐環節訓練。

教學模塊4（實訓環節）：分析評價。以地質編錄與結構面統計為基礎，以評價巖體工程的工程地質穩定性為目標，以虛擬現實技術為手段，實現面向工程實踐的工程地質穩定性分析的一系列實踐環節訓練。

教學模塊5（反饋環節）：實驗報告。提供在線評分、考核與教輔機制，記錄所有的學習實踐內容與教學考評，并給出標準答案供學生參考，反饋學生在前面4個模塊認知、考察與實訓環節中的教學效果，使學生能夠通過教學反饋反復開展虛擬實訓，達到提高實習教學質量的效果。幫助學生通過實習教學，加強課程教學中對基本概念、基礎理論的掌握與運用實踐能力。

三、技術實現

為了構建基于虛擬實景技術的高陡巖體地質工程實習資源庫，應基于無人機技術，開展高陡巖體地質數據采集。首先在地面進行控制點選取，試飛無人機，對測量物體進行多角度拍攝；接著將拍攝照片導入Agisoft photoscan中進行集成、影像拼接、冗余判斷，經算法生成超高密度的點云模型，并對紋理進行修正以及模型的精細化處理，提取出三維點坐標，同時對測得數據進行坐標系轉換；最后進行結構面的擬合。實現巖體地質信息高精度、高效率的獲取。

在通過無人機采集數據建立三維模型后，計算結構面的傾向傾角，同時采用新型分類方法對結構面數據進行分組，分析不同概率分布的結構面產狀形式下巖體地質關鍵塊體的穩定性，并通過神經網絡實現巖體地質位移監測預警。經過詳盡的處理與精細的編輯，導入虛擬仿真實景設備，還原出高陡巖體地質實景。這種實習方式不僅突破了傳統實習方式的限制，使學生能夠隨時隨地進行實踐學習，而且大大提高了實習的效率和質量。同時，由于在虛擬環境中進行實習，學生的安全也得到了充分的保障。未來將繼續探索虛擬現實技術在巖體地質教學和研究中的應用，不斷完善和優化虛擬仿真實景設備的功能與性能，為學生提供更加優質的學習體驗和實踐機會。

四、虛擬實景實習步驟

精心設計了以下五個核心環節，以此構建“認知—考察—實訓—反饋”一體化的巖體工程地質實習教學體系。第一個是地質觀察環節。在這一環節中，學生能夠通過虛擬現實技術，深入觀察三維實景中的地質構造、巖石類型等關鍵要素，從而建立起對地質現象的基本認知。第二個是數字測量環節。學生可以利用虛擬環境中的數字羅盤和皮尺等工具，進行精確的測量和記錄，這既鍛煉了學生的測量技能，又保證了測量數據的準確性和可靠性。第三個是現場編錄環節。學生須要根據在虛擬環境中觀察到的地質現象和測量數據，進行詳細的現場編錄工作。這一環節旨在培養學生的記錄能力和分析思維，使其能夠系統地整理和分析地質資料。第四個是分析評價環節。學生須要運用所學知識，對虛擬環境中的地質現象進行深入的分析和評價。這不僅有助于鞏固和深化學生對巖體工程地質特征的理解，而且能提升其分析問題和解決問題的能力。第五個是實驗報告環節。在完成一系列實習任務后，學生須撰寫實驗報告，總結在實習過程中的收獲和體會。這既是對實習成果的展示，也是對學生綜合能力的考驗。

虛擬實景實習平臺的具體操作步驟有六步。第一步：登錄“巖體工程地質實習虛擬仿真”網址，點擊“開始實習”，選擇所需模塊：地質觀察、數字測量、現場編錄、分析評價、實驗報告。第二步：地質觀察——認識實驗。進入“巖體工程地質實習虛擬仿真”主界面，選擇巖體工程類型，進入不同巖體工程所對應的三維虛擬實景環境，目前包括“邊坡工程”與“隧道工程”。進入漫游模式，開始三維巖體工程地質環境虛擬實景漫游。結合工程地質概況對地形、地貌、環境條件進行基本認知學習。第三步：數字測量——訓練實驗。虛擬地質羅盤使用與結構面產狀測量，包括結構面間距、結構面連續性、結構面張開度、結構面跡線等測量。第四步：現場編錄——實訓實驗。根據實習要求選定測區，根據測區內的巖體結構特點布置測線；選定結構面，標出跡線；使用虛擬羅盤逐一測量測區內的結構面產狀；使用虛擬皮尺逐一測量測區內的結構面跡長；最后對結構面信息進行逐一編錄。第五步：分析評價——實訓實驗。使用極射赤平投影，將采集到的結構面產狀信息投影到赤平面上，分析結構面的優勢面；接著應用剛體極限平衡分析計算影響工程安全的塊體，分析工程地質的穩定性。第六步：實驗報告——考核與反饋。對于認知教學，設計實習體驗問題調查，開展答卷考核；對于訓練教學，獨立設計訓練體驗問卷調查，開展自評調查；對于實踐教學，要求編寫地質編錄與分析報告，由教師考核打分。

通過實施這一全新的實習教學體系，有效地突破了傳統實習模式的局限性，為學生提供了更加豐富、共享性更強的學習資源。同時，步驟完整、操作靈活的實訓環節極大地提升了學生的實踐能力和操作技能。此外，明確的要點和清晰的反饋機制使得教輔指導更加有針對性，有助于學生更好地掌握工程地質知識和技能。總體而言，通過引入實景虛擬現實技術，成功地打造了一個高效、安全、經濟的工程地質實習平臺。這一平臺不僅能夠有效激發學生的學習興趣和積極性，還能有效提升其實踐能力，為培養具有創新精神和實踐能力的工程地質人才奠定了堅實的基礎。

結語

自主研發的高陡巖體地質環境三維實景虛擬現實平臺，通過沉浸式虛擬三維實習場景、全景式VR觀察，身臨其境的操作環境及人機交互環節，有助于引導學生思考與探究，掌握實習的關鍵知識點；實習中及實習后的試題測試和實習報告能夠幫助學生鞏固并加深有關知識。與傳統的地質實習模式相比，虛擬實習具有虛擬實景化、可操作化、可重復化、可拓展化的特點，不僅能延伸實習教學的時間與空間，而且能拓展理論教學內容廣度和深度，切實有效提高學生的實踐能力。更為重要的是，其可拓展性能方便加入新的典型虛擬巖體地質環境實景，使實驗平臺脫離軟件技術人員的支持仍能不斷豐富實習場景。

參考文獻

［1］何虎軍，楊興科，焦建剛，等.野外地質實習虛擬仿真實驗教學平臺建設與思考［J］.教育教學論壇，2022（2）：146-149.

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［3］冉祥金，薛林福，李偉民，等.基于虛擬仿真平臺的野外地質實踐［J］.數字技術與應用，2022，40（10）：1-3+7.

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［6］張津寧，能源，馬驍，等.虛擬現實技術在構造地質學實踐教學中的應用［J］.教育觀察，2022，11（25）：9-11+18.

Research on Geological Virtual Reality Teaching Approaches and Methods for High and

Steep Rock Masses

WANG Peng-yu， ZHANG Peng， WANG Sheng-nian， LIU Hao

（College of Transportation Engineering， Nanjing TECH University， Nanjing， Jiangsu 211816， China）

Abstract： The application of immersive virtual reality technology in the three-dimensional reproduction of geological engineering sites has played a crucial role， significantly enriching the teaching methods and content of high and steep rockmass engineering geology internships. It has formed a highly integrated virtual simulation experimental teaching system of “cognition-inspection-training-feedback.” Through highly simulated three-dimensional scenes， students can deeply understand the characteristics of geological structures. Combined with digital measurement technology， they can carry out geological data recording. Through analysis， evaluation， and experimental reports， students can conduct comprehensive and multi-angle research and discussions on geological engineering. Compared with traditional field internships， virtual simulation internships are operable， repeatable， and scalable， greatly extending the time and space of internship teaching. Additionally， repeated operations and experiments can deepen students’ understanding and mastery of knowledge.

Key words： field practice in engineering geology; virtual simulation experiment; virtual reality; teaching reform in practical training