浅谈“地学三维可视化”课程建设及教学实践

摘要：“地学三维可视化”是我校地球信息科学与技术专业的专业主干课程，一些高校的地理信息系统专业也开设了该课程。为适应新的教育形势，提高学生学习的主动性和创造性，促进学生自主学习，本文在课程开设的必要性、课程内容、教学方法、考核机制的改革等方面进行了有益探索，为课程建设提供参考。

关键词：地学三维可视化；教学改革；课程建设

中图分类号：P208 文献标志码：B 文章编号：1674-9324（2012）09-0155-02

科学计算可视化[1]（visualization in scientific computation）是20世纪80年代发达国家提出的一个新的研究领域，是通过运用计算机图形学和图像处理，将科学计算的过程和结果以图形或图像的形式显示，并进行交互处理的方法和技术。它涉及计算机图形学、计算机视觉、图像处理和人机交互等多个领域。科学可视化在地学领域，如地理信息系统（GIS）和地学建模（GMS）的应用，形成了地学可视化。通过地学三维可视化可以提高人们对复杂、抽象的三维地学现象的空间感知、理解和分析能力。随着地学可视化技术的发展和广阔的应用前景，一些高校在与地学相关的专业中相继开设了地学可视化相关课程。

一、课程开设的必要性

从学科发展需要而言，孙九林院士认为“地球信息科学这个学科是地球科学与现代信息科学技术交叉融合综合集成在一起的新兴学科，是以信息流为手段，来研究地球系统内部的物质流、能量流、人流和运动状态、方式。”地学领域关于三维空间信息的采集、组织、表达、建模、可视化、交互分析的研究日益重要，发展为两个并行的研究方向[1]，一个是3D GIS（三维地理信息系统），是以地球表面及其以上的自然地理实体和人工建筑实体为研究对象，另一个是3D GMS（三维地学模拟系统），是以地表及其以下自然地质实体和人工开掘实体为研究对象。目前，真三维地学建模、三维拓扑描述、地表地下空间无缝集成、三维动态地学过程模拟、三维地学可视化等问题已成为地球空间信息的技术前沿和攻关热点[1-3]，吸引了计算机科学、测绘、地理、地质、采矿、岩土、环境、资源等诸多领域的学者的研究兴趣。因此为了适应地球信息科学的学科发展，有必要开设“地学三维可视化”课程，使学生了解研究前沿和热点，实现本科生与研究生教育的良好衔接；并且，地学可视化在测绘、地质、环境、资源等诸多领域的重要性，使其成为学生应该掌握的重要技能。

从社会需求而言，随着三维可视化技术的发展，地学可视化具有十分广阔的应用前景和社会需求，主要应用于数字城市、矿山、海洋、地质、水利、气象、环境等领域[1]，例如城市景观分析、城市规划、地下水源污染监测、地下管线规划、地表沉陷监测、多煤层矿层储量分析、地层结构解析等。因此，通过开设“地学三维可视化”课程，使学生掌握三维地学建模、可视化和交互分析的方法和技能，可促进就业，适应社会需要。

因此，考虑到学科发展、就业和社会需求，有必要在地学相关专业开设“地学三维可视化”课程，使学生掌握地球信息科学领域的重要技能，促进学生在测绘、地质、环境、资源、气象等诸多领域较好就业。

二、课程的主要内容

本课程的目的是通过系统讲授地学可视化的基本概念、原理、方法和技术，使学生掌握面向地学的常用的三维空间模型、基本的三维空间建模算法、能够运用常用的三维空间信息系统与图形工具，如IDL（Interactive Data Language）或ArcGIS，进行三维地学建模和交互分析。

本课程主要包括以下5个方面的内容：

（1）“地学三维可视化”的内涵和相关概念，如“地学认知模型”、“空间数据模型”、“空间维数分析”、“真三维”“3D GIS”、“3D GMS”、“地学多维图解”等。

（2）针对“地学可视化”应用最多的两个领域：数字城市和地质领域，介绍常用的三维空间信息系统和三维图形工具。

（3）面向地学常用的三维空间模型，包括面元模型、体元模型（规则体元和不规则体元模型）、混合三维模型（断面-三角网混合模型、线框-块体混合模型、八叉树-四面体混合模型）、集成三维模型（三角网-八叉树集成模型、矢栅集成模型）；三维地质空间模型的原理、特点、优缺点及其适用范围。

（4）典型的三维空间建模算法，包括三维图形几何变换、地物模型与地形模型无缝集成、TEN模型生成、Octree模型生成、面向对象的三维模型重建、GTP模型剖切、LOD模型生成、多分辨率纹理生成与映射、三维空间索引与显示判断等代表性算法。

（5）从常用的三维空间信息系统与图形工具中选择一种典型系统或图形工具，如IDL或ArcGIS进行三维地学模型的建立、可视化和交互分析。

三、教学方法和考核机制

本课程是一门实践性很强的课程，要求以学生为主体，激发学生的学习兴趣、主动性和创造性；本课程并不指定某一具体的三维地学模型，不是要求所有学生都建立三维地形模型，而是鼓励学生创设自己感兴趣的三维地学模型，如洪水演进模型、地面沉降模型、三维地层模型、数字城市模型等，并鼓励学生根据模型的需要来选择合适的三维系统或图形工具，建立自己的三维地学模型。有的学生擅长编程，则可以用VC或IDL编程实现三维空间建模算法或建立三维地学模型；有的学生对菜单操作更感兴趣，则可以根据模型特点，选择ArcGIS或3D Max来建立三维模型。因此本课程给予学生充分的学习主动性，鼓励学生大胆想象和创设自己的三维地学模型，并根据自身特长和兴趣，选择合适的三维系统或图形工具实现自己的三维地学模型。

为了激发学生的学习热情，培养学生的创新精神，本人对教学方法作了一些探索和改进：

（一）注重案例教学

案例教学被认为是代表未来教育方向的一种成功教育方法。通过在课堂上演示一些三维地学模型的程序和录像，让学生对三维地学模型有一个直观的认识，鼓励学生积极思考、讨论该演示模型是如何建立的，是否可以进一步改进和完善。通过案例教学可以促进学生通过自己的思考或他人的思考，来拓宽思路，积极思考和创设自己的模型。

（二）由注重知识转换为注重能力

不再强调书本知识的灌输，而是强调学生将学习到的地学可视化知识转换为实践能力，利用学到的地学可视化知识，实际动手来建立自己的三维地学模型。因此涉及到以下5方面能力的培养：①查阅文献的能力，本课程要求学生课后查阅地学三维可视化方面的文献，寻找三维地学模型的思路和合适的建模工具或系统；要求学生在查阅文献的同时，积极思考文献中的模型是如何建立的，存在哪些不足，如何改进，从而找到自己创建三维地学模型的思路；②自学能力，学生在明确自己所想创建的三维地学模型的思路后，需要选择合适的建模工具和系统，并要在教师指导下学习该建模工具和系统；由于“地学三维可视化”的课程在大三下学期开设，因此学生都已系统学习过VC编程和ArcGIS的操作，在课堂上会介绍IDL的一些编程技巧，因此学生主要学习如何将学习过的知识深化、并应用于实践开发；③创新能力，鼓励学生大胆想象，创建自己的三维地学模型，从而可以很好地培养学生的想象力和创造力，而不拘泥于课本上介绍的知识和模型；④实践能力，鼓励学生通过对三维空间信息系统或图形工具的操作和应用，实现和建立自己脑海中的三维地学模型，从而可以深化学生对以前学习过的VC、IDL和ArcGIS等的掌握，将知识变为实践；当学生实现了自己的三维地学模型构想后，会产生很大的成就感和自信，产生浓厚的学习兴趣，会更加热爱本专业；⑤论文撰写和学术报告能力，要求学生将自己创建的三维地学模型，如何创建，以及创建模型的优缺点，进一步改进的设想等写成学术论文的形式，并作PPT，在课堂上作口头报告，从而培养学生的科研能力、学术论文撰写和学术报告的能力。通过本课程的学习，学生的科研能力和创新能力都能得到很好地培养和锻炼。

（三）启发式教学

在课堂上尽可能多地预设问题，引导学生分析思考各三维空间模型、三维空间建模算法以及演示的三维地学模型的优缺点，以及如何改进完善；同时，注重介绍地学可视化研究的前沿问题和热点技术，鼓励学生课后查阅相关文献加深理解，提高学生的学习兴趣和创新能力。

（四）考核机制

本课程致力于培养学生的创新思维和实践能力，而不是一味地学习课本上的知识，因此不采用试卷考试方式，而是根据学生创建的三维地学模型、撰写的学术论文给出课程成绩，考核侧重于学生的创造性、建立的三维地学模型的完备性，以及对模型改进的设想等方面。

“地学三维可视化”是地学相关专业一门重要的专业课程[4]，“地学可视化”具有广阔的应用前景和社会需求，在数字城市、矿山、海洋、地质、水利、气象、环境等诸多领域都能得到很好的应用。通过多年的教学实践证明，以上课程内容、教学方法和考核机制的探索和改革，取得了较好的效果，激发了学生的学习兴趣，提高了学生的科研能力和创新能力，课程结束后，有的本科生撰写的本课程论文被学术期刊录用。也希望本论文能起到抛砖引玉的作用，和同行们一起努力，将地学教学改革[5]的工作做好。

参考文献：

[1]史文中，吴立新，李清泉，王彦兵，杨必胜.三维空间信息系统模型与算法[Ｍ].北京：电子工业出版社，2007.

[2]吴立新，史文中.论三维地学空间构模.地理与地理信息科学[J].2005，21（1）：1-4.

[3]王瑞芳.基于空间信息的三维地学模拟理论及研究[J].山西建筑，2007，33（22）：354-355.

[4]闫志刚.GIS专业地学可视化课程的建设与教学实践[J].地理空间信息，2011，9（4）：159-161.

[5]张国伟，赖绍聪.深化地学教学改革的探讨[J].中国大学教学，2009，（12）.

作者简介：王贤敏，女，副教授，主要从事遥感地质方面的教学和科研工作。