南京大学巢湖区测实习数字化填图教学方法探索

廖 晴，施小清，朱国荣，吴本君，叶 鸿

南京大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 210023

实践教学

南京大学巢湖区测实习数字化填图教学方法探索

廖 晴，施小清，朱国荣，吴本君，叶 鸿

南京大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 210023

巢湖区域地质调查实习是南京大学地质学类本科二年级最为重要的实践教学环节。自20世纪90年代南京大学在巢湖建立区测实习基地以来，一直重视并强调数字化填图，在填图教学各阶段综合运用Surfer 和CorelDraw等商业软件，以及自主开发的GiSP和实测地层剖面SDP软件对巢湖区测实习开展数字化填图教学和实践。数字化教学方法不仅激发了学生对地质填图的兴趣，提高了地质填图的工作效率，加强了学生的数字化填图能力，而且有效地综合了多年来巢湖地质调查数据，构建了巢湖实习基地实习数据库和三维综合成果地质沙盘，取得了良好的教学效果。

巢湖； 区域地质调查实习； 数字化填图； Surfer； CorelDraw； GiSP； SDP

一、引言

区域地质调查是地质工作的基础，也是每个地质工作者必须具备的基本技能。安徽省巢湖北部地区（简称巢北地区）地处华北和华南两大板块的交接处，北邻大别造山带，西有规模宏大的郯庐断裂带穿越，对中国东部诸多构造运动都有记录，是研究大陆动力学和进行地质类专业教学的极佳场所。长期的地质运动使该区地层出露完整清晰，古生物化石发育连续丰富，构造形迹清晰典型，传统地质现象和水文工程地质现象集中，加上地形平坦、交通便利，已逐步发展成为国内近40所大学地学相关专业的教学实习场所［1］。

自1999年以来，南京大学在“211”工程资助下正式确定巢北地区作为区域地质调查（填图）课程的野外教学实习区，与安徽省巢湖铸造厂共建南京大学巢湖实习基地。野外教学实习主要包括五个阶段，即野外地质踏勘阶段、实测地层剖面阶段、区域地质填图阶段、补充教学实习阶段和内业整理室内考试阶段。这既是地质类学生本科二年级最为重要的实践环节，又是一次较系统地加强学生综合知识掌握程度和培养动手能力的过程。对于培养本科生地质思维和实践能力、促进理论知识与野外实践结合、加深学生对巢湖北部地区沉积环境和构造历史的理解、更好地为学生毕业后从事地质工作打下扎实基础均具有重要意义。

近年来随着“数字国土”工程建设的开展和有关计算机技术的发展，越来越多的高校逐渐意识到为培养适应新一轮国土资源大调查所需要的新时代人才，区域地质调查（填图）教学从传统方式向数字化方式转变的重要性并对教学方法进行了一定程度的探索［2-7］。我校自20世纪90年代末在巢湖建立区测实习基地以来，一直重视和强调数字化填图，并率先在区域地质调查中开展数字化教学［8］。目前南京大学已经拥有教学网络和实验室，建立了一套完整的教学体系，师生共同组织的研发小组完成了集成3S技术（GPS、GIS、RS）的数字地质测量软件的开发和虚拟教学基地的建设，并已将这些成果逐步应用于教学。为了克服传统的区域地质填图中野外数据记录不规范不完整、绘图效率低费时长、地质工作者工作量大、数据保存更新和共享困难的缺点，同时更大程度地把长期地质实习获得的经验和资料更加直观方便地提供给学生并且激发学生兴趣，有必要将野外调查采集的数据、室内整理的资料借助当今计算机技术和软件的发展，制作有关的三维地质沙盘模型和相关图件为后续填图和教学提供宝贵资料。

二、数字化填图方法

1. 野外探勘阶段

由于野外获取数据的准确性和真实性是进行数字化填图的基础，因此在传统地质实习中引入数字化填图并不意味着放弃传统填图方法和工具［9］。野外工作是检验学生基础知识功底并将课堂和课本上学习的知识应用于实际工作的重要途径。踏勘阶段教师应提前做好踏勘路线的规划，使学生尽可能多地观察到区内出露较好完整的典型地层。学生主要运用传统的野外三大件，即罗盘、地质锤、放大镜，并用野外记录本实时记录，用GPS进行野外定点。

建议将学生分成小组，强调分工合作的同时又要保证学生们各方面野外工作能力都得到锻炼，因此在对不同路线进行踏勘时，鼓励小组内学生交换各自的分工，保证踏勘过程中学生人人动手，自主观察地质现象，主动提出和思考问题，而不是抱着“外行看热闹”的心态实习。此外，还应督促学生在踏勘结束后及时进行当日小结以加深对当天野外路线和地质条件的理解。本阶段数字化填图内容较少。

2.实测剖面阶段

实测地层剖面是完成地质踏勘阶段之后的另一项重要内容，是确定和划分填图单位、统一认识、指导面上填图的重要步骤［10］。该阶段采用商业软件CorelDraw和南京大学自主开发的实测剖面系统SDP开展数字化教学。

（1） CorelDraw软件绘制实测剖面图。

CorelDraw是加拿大Corel公司出品的矢量图形制作工具软件，因其具有优良和完备的绘图功能以及独特的表现效果而广泛应用于各种专题地图的绘制。在实测剖面阶段中，CorelDraw的数字化功能主要体现在绘图过程中可以通过控制每根线条的长度和旋转的角度精确地再现实测剖面数据并实现上色，从而精准绘制导线图、剖面图等图件。以表1中数据为例绘制1∶1000的导线图。首先在标尺中设定缩放比例为“页面距离1mm=实际距离1m”，确定出剖面起点的位置和正北的方向，然后按导线方向和导线平距，从起点开始，顺次画出每一导线（如图1），最终导出剖面终点。将剖面起点和终点连接起来（如图1中的虚线）。起点和终点的连线与正北方向的夹角便是剖面线（总）方向， 如图1所示 ，该角度为22.6°。在本阶段使用CorelDRAW绘图软件作图较方便，可以很精确地求出剖面线方向。

表1 实测地层数据

图1 实测地层导线图示例

此外，为了使图形更加美观，建议使用者应当学会使用贝塞尔画笔绘制平滑曲线，运用步长与重复功能、群组和合并功能，以及利用对象管理器对不同图层进行管理。由此，在绘图过程中可大大缩短工作时间，提高图件质量。

CorelDraw软件的优点明显：①该软件具有强大的图文编辑功能以及丰富便利的工具如贝塞尔画笔，配合缩放比例修改、任务管理器和图层管理功能，能够更加便捷、精准地绘制地质图件。②灵活性更大，成图质量更高。岩性花纹、地层分界线等具有地质含义的标识均由线条组成，在CorelDraw中线条的粗细、虚实、长短、倾斜等要素均可调整，因此成图表现力更大，上色也非常便捷。由此绘制出的图件相比于其他同类软件绘制的图更加精美，而且便于修改线条长度、粗细等参数。③群组和图层的功能使操作者可以针对同类地质符号分别建立相应数据库，不仅使填图工作者的工作量得到了减少，还使地质信息在后续的修改中因为进行过分类而更加便捷。

但其缺点在于占用内存较多，使用中容易出现软件崩溃的情况，因此使用者在使用过程中应当避免同时显示较多图层并及时保存。

（2） 实测剖面SDP软件。

在实测地层剖面阶段，由于野外记录和室内编制过程中需要处理的数据庞杂，往往导致实习者工作量大且效率低的问题。为此，南京大学自主开发了实测地层剖面资料处理教学子系统（SDP），用于加工处理野外取得的数据，自动绘制各类表格和地质图件（柱状图、导线图、剖面图等）并可以将计算结果、表格和图件打印输出。

在实测地层阶段运用实测地层剖面资料处理教学子系统（SDP）软件，可以免去复杂的数据计算，SDP支持直接将野外实测剖面数据如导线号、方位角、导线长等信息直接通过对话框输入（图2）。实测地层剖面过程中有时会受地形条件制约而需要对测量导线实行平移处理，SDP提供了该情形的处理方式。若需要执行导线平移，可点击工具栏上的按钮，进入如图3所示的导线平移对话框，在对话框中根据要求在相应栏目填入导线号、平移方向和平移距离等平移数据来完成导线平移操作。当分层中出现新的地层名称时，也会出现相应窗口让用户选择地层的接触关系，所有数据输入完成时软件即可自动生成数据记录表和绘制柱状图、导线图（图4）、剖面图等地质图件，运用相应打印设备即可打印输出地质图件和数据记录表，极大地提高了工作者的工作效率。

图2 SDP提供的实测地层部面数据输入与编辑初始窗口

图3 SDP导线平移对话框

相比于CorelDraw而言，SDP软件作为实测地层剖面阶段的实用软件之一，其优点主要体现在：（1）在数据的记录方面，软件附有专门的栏目，只需使用者按照野外数据填充，有效地改善了野外记录工作中容易出现的记录不规范、不全面的问题；（2）图件可根据野外实测数据自动生成，相比于传统的地质成图过程更加方便快捷，大大降低了地质工作者劳动强度，缩短了制图时间；（3）操作界面简单人性化，对于使用者而言极易掌握。

图4 SDP绘制的导线平面图

目前SDP软件也具有局限性。首先，软件绘图灵活性差，用户无法自行更改默认参数，只能按照设定模式成图；其次，用户数据输入过程中人为输入错误软件无法判定。此外，由于SDP软件中自动计算实测剖面数据代替了传统人工计算，容易造成学生不能很好地掌握数据计算整理工作，对软件的过分依赖也不利于学生地质工作能力的培养。

3. 地质填图阶段

（1） GiSP Studio 2012软件。

GiSP Studio 2012软件简称GS2012，是由国家自然科学基金委地质学巢湖实习基地数字化填图项目支持，南京大学地球科学与工程学院区域地质测量实习队数字填图教学科研小组开发的一款以地理信息系统为核心组件的桌面应用程序。采用Java语言开发，是地质学巢湖实习基地研制的室内信息集成平台，其信息来源可以是专用GPS或者智能手机，也可以是与GiSP V1.0同时推出的DiGS。

将GS2012运用于地质填图阶段可以有效规划填图路线并及时将野外采集的GPS数据导入软件以进行管理和准确性核查。学生通过加载由教师发布的实习区首曲线、计曲线等底图，导入并显示野外记录的地质点（图5），从而进行数据编辑与管理。另一个常用功能是简易定位，通过简易定位在底图上的位置结合地形图和地层分布特点可以核查野外数据的准确性，如五通组大多分布在实习区山脊位置。

该软件在地质填图阶段具有重要意义，主要体现在以下几个方面：①操作界面友好简单，便于初学者掌握；②可以将野外航点、航迹清晰投在地形图上，便于教师能够在室内检查当天野外定点工作的准确性，确定有无错定点、漏定点的情况；③可以通过数据编辑和管理对地质点的详细信息进行管理，提高了数据储存的长久性，使数据共享更为便捷。其不足之处在于GS2012必须在装有Java运行时环境（JRE）的操作系统下方能使用。使用过程中当计算机内存不足时为避免软件崩溃，在缩放地图和增加图层时操作速度不宜过快。

（2） Surfer软件。

Surfer是美国Golden Software公司开发的一款以等值线绘图为主要功能的软件，具有的强大插值功能和绘制图件能力。随着地质数字化时代的到来，Surfer受到越来越多地质工作者的青睐［11-13］。在地质填图阶段可运用Surfer绘制包含地名、标高、航迹等地质信息的平面图、三维地形图。Surfer操作方便快捷，只需将高程网格数据导入Surfer中即可直接绘制平面等值线图和三维地形图，高程点、地名、标高、社区道路、水域等文件通过基础图导入即可，而航点、航迹文件作为张贴图导入（图6）。

在填图阶段引入Surfer软件，不仅可使学生在填图前提前对填图路线进行预习和熟悉，在最后教学阶段老师甚至可以放手让学生独立进行野外填图，学生野外填图回来后只需将GPS中数据文件导入到Surfer建立的沙盘里，教师就可以很清楚直观地判定学生走的路线以及观测到的地层分界线点是否正确。以凤凰山东南坡五通组和坟头组分界点定点为例（图7），由于五通组以石英砂岩为主，抗风化能力强，因此在实习区主要分布在山脊。假定图中T3059、T3060、T3061均为学生所测五通组和坟头组分界点，根据T3061处为山谷的地形特点、五通组分布的特点即可判断T3061有误。这种教学手段不仅能使学生更好地锻炼独立进行野外地质填图的能力，促进学生时间观、空间观、系统观和发展观等地质思维的培养［14］。同时也提高了教学质量和效率。

4.室内整理阶段

（1） GiSP结合CorelDraw绘图。

本阶段先将GPS中的航点、航迹投在GiSP上，利用GiSP上地质点位置结合野外记录本上相应数据绘制纸质实际材料图。将纸质实际材料图扫描进电脑作为使用CorelDraw进行三大图件（实际材料图、地质图、构造纲要图）绘制的底图，即可绘制三大图件。由于绘制三大图件时对CorelDraw的功能运用与实测地层剖面阶段类似，因此在此不赘述。需要注意的是在对地质图和构造纲要图进行上色的过程中，需要保证所勾勒区域的封闭性，否则不能在指定区域正确上色。

（2） Surfer 制备三维地质图。

室内整理阶段引入Surfer主要是用于将野外采集的数据导入已建立的三维地形图，建立直观、信息包容量大且美观实用的三维地质沙盘。主要实现步骤包括添加地层产状（图6）、地质点和对地质图进行上色。

①添加地层产状和地质点。在Excel中制作产状数据文件作为张贴图导入填图阶段创建好的三维图中，设定合适的X、Y坐标、Symbol标识栏，关键是将标识角度调整到与野外实际符合的产状标识方向。正确导入后将Label栏中工作表栏目选项指向特定栏即可查看相应栏数据。同理，地层分界线地质点的数据也可按照该方法利用张贴图实现，需要注意的是当运用“”符号表示地层接触关系时，应当在原始数据文件中使用“\”才能使Surfer识别。

②地质图上色。一张完整的地质图除了要有各种地质要素以外，还需要上色。以巢湖北部地区1∶50000地质图作为填图依据，最终得到着色后的三维地质图（图8）。

5.有关数字化填图的结果和讨论

以巢湖区域1∶10000地形图高程数据和Google地图中最新的高程数据共同插值获得的实习区地形高程数据为基础，通过运用Surfer12实现数字化区域地质填图，最终得到巢北实习区平面地质图和三维地质沙盘，不仅对于推动实习区地质资源共享和建立巢北实习区地质资料数据库具有积极意义，而且在提升实习学生对地质填图工作能力、加深对巢湖地区沉积历史、地质构造的体会等方面都有重要作用。

Surfer作为巢湖北部地区数字化教学过程中的填图工具具有其优势，本文的第一作者作为2014年参与南京大学巢湖区域地质实习的学生，在使用Surfer软件进行该区域三维数字化地质填图过程中有一定体会，主要体现在以下几方面。

（1）在图形绘制方面，与地质类院校更普遍使用的CorelDraw相比，CorelDraw软件绘制出的图件缺乏地理信息属性，难以利用进行二次开发［15］。而Surfer中的散点数据包含了经纬度和高程，在地质填图中更具有现实意义。

（2）在软件操作方面，Surfer与GiSP2、CorelDraw等软件相比，都在Windows系统下即可操作，但Surfer因为占用内存较小，运行速度更快，使用过程中更为稳定。操作者只需要根据使用目的阅读相关说明书即可掌握基本操作。尽管Surfer官方版本是英文的，但相关功能的工具栏直观易懂，并不需要太强的英语基础。

（3）在教学方面，Surfer运用于地质填图教学有效地避免了学生在室内填图阶段由于过多关注软件的使用和线条的绘制而忽视对其中地质现象的分析和思考的情况，弥补了学生由于三维空间意识的不足而难于根据室内平面等高线图还原野外实际路线而造成室内整理阶段脱离野外实际的缺陷，减少了学生只是为了填图而填图的现象，大大提高了野外工作的意义。此外，在野外填图之前的室内教学阶段，利用三维沙盘和其上投影的地质点能够帮助学生熟悉填图路线和将遇到的地质现象，从而加快在野外教学的节奏，帮助学生在野外自主找到典型地质现象，主动提出和思考地质问题，促进学生综合地质思维能力的训练，有利于高层次地学人才的培养［16］。

（4）在加深对“V”字形法则的理解和应用方面，由于Surfer支持在地层分界线上直接标注出产状，同时展示三维地形显示的坡脚，更有利于实习者在室内工作阶段成图时，通过三维模型从不同角度观察倾斜岩层与地表的接触线，结合V字形法则和实际地质情况，直观学习V字形法则的原理的理解和实际应用。以凤凰山东南坡（图9）为例，由于此处坟头组和五通组接触线上的两个地质点T3059和T3060野外测得的产状分别120°∠29°和196°∠20°，由图9可知岩层倾向与地面坡向相同，坡角约为30°，岩层倾角小于地形坡角，由此判断地层露头线与地形等高线应呈相同方向弯曲并在图9中黄线标注的沟谷处凸向上游，再依据三维地形图可知该地层在平面上的露头线弯曲的角度大于等高线，由此可在实际材料图进行这两点之间的连线（图中红线），这个运用三维地形图判断实际材料图中地层界线限点连线的过程即“V”字形法则中的“向同线同”法则。

图5 Gisp中2014-09-01航点

图6 Surfer中2014-09-01的航点

图7 Surfer凤凰山东南坡三维地形图

图8 巢湖北部地区三维地质图

图9 巢湖凤凰山电视台V字形法则应用示例

（5）在建立巢北地区数据库实现资源共享方面，运用Surfer制作的三维地质沙盘不仅可以把以往在野外采集的地质数据导入，丰富实习区数据库，利于数据永久保存和共享，而且当使用者需要查阅的内容改变时，只需更改指向的数据栏即可将需要的信息标记在图上，提高了三维地形图上信息的利用率。此外，Surfer制作的三维沙盘还可以自由旋转允许操作者从各个角度观察，不论是对于教学者还是学习者都能更加直观观察该区地形和地质特点。

（6）对于教师而言，不仅可以运用学生野外定点航迹和已有地质数据的三维地质沙盘进行对比，检查学生野外工作的准确性，提高工作效率，还可以从整体上把握巢北实习区的地质特点，将局部构造和区域构造环境联系起来发现和解决更多地质科研问题。

Surfer12也具有一些缺点，主要体现在导入的张贴图、基础图之间和各自内部之间不能进行群组，而通常地质沙盘中要素多，因此在一定程度上造成管理不方便。

三、结束语

本文以巢湖地质实习区为例，探讨了数字化填图教学方法的优点和不足之处。通过介绍CorelDraw、Surfer、SDP和GiSP数字化填图软件与以往传统地质填图方法的比较，结合笔者作为学生在实际填图过程中的体会，发现在巢湖区测实习过程中引入数字化填图技术不仅可以激发学生对于地质填图的兴趣，鼓励学生主动发现问题、思考问题、把理论知识与实践运用相结合，避免学生只顾软件应用而忽视地质知识的普遍现象，还在一定程度上综合了实习区地质数据，改善了巢湖北部地区实习数据由于资料庞杂而引起的共享和更新困难的问题，更为老师进行野外路线设计、教学实习区的规划和室内教学提供了有效依据。

地质学是一个多学科交叉的领域，区域地质调查更是其重要组成部分之一，也是每个地质工作者的地质工作能力的重要体现。南京大学地质类学生除了需要掌握扎实的理论基础之外，也应当熟练掌握常用的数字化填图软件填图技能。本文介绍的软件不仅具有良好的用户操作界面和操作说明，而且具有较完备的地质绘图功能，在巢湖区测实习数字化填图中取得了较好成效。推荐Surfer作为巢湖区测实习教学中进行数字化填图的软件，在数据整理阶段使用GiSP Studio 2012并在填图的实测地层阶段配合使用CorelDraw和SDP软件。只有更多地把数字化填图技术引入巢湖区测实习中，使学生更早地接触数字化填图软件和技术，紧跟地质发展的潮流，才能在更大程度上提高学生的就业竞争力、科研能力和工作技能，更好地服务于当代地质调查工作，为国土资源数字化提供后备人才力量，同时也体现了南京大学不断开拓、与时俱进的教学特点。

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Chaohu； regional geological practice； digital mapping techniques； Surfer；CorelDraw； GiSP； SDP

G642

A

1006-9372（2015）03-0078-07

2015-03-25。

国家自然科学基金项目：基础学科人才培养基金项目（J1210076）。

廖 晴，女，2012级本科生，地下水科学与工程专业。

施小清，男，副教授，主要从事水文地质的教学和科研工作。

投稿网址： www.chinageoeducation.net.cn 联系邮箱：bjb3162@cugb.edu.cn

引用格式：廖晴，施小清，朱国荣，等.南京大学巢湖区测实习数字化填图教学方法探索［J］.中国地质教育，2015，24（3）：78-84.

Title： Teaching Using Digital Mapping Techniques for Chaohu Geological Practice in Nanjing University

Author（s）： LIAO Qing， SHI Xiao-qing， ZHU Guo-rong， WU Ben-jun， YE Hong