火山喷发地质过程的虚拟实验教学

贺金鑫， 赵庆英， 韩秀梅， 张家欣

(吉林大学 地球科学学院，吉林 长春 130061)



火山喷发地质过程的虚拟实验教学

贺金鑫， 赵庆英， 韩秀梅， 张家欣

(吉林大学 地球科学学院，吉林 长春 130061)

火山喷发等地质现象的动态模拟和仿真表达，对于地学类专业的虚拟实验教学及课堂教学都具有十分重要的意义。因此，基于3D Studio Max等软件，实现了火山喷发地质过程的动态模拟与仿真表达。通过实际教学效果表明，既能够使学生更直观地掌握火山喷发等地质现象的形成规律，同时可使学生的感觉如身临其境般真实，极大提升了学生学习的积极性与主动性。

火山喷发； 地质过程； 动态模拟

0 引 言

火山喷发等地质现象是在内、外动力地质作用下形成的，其成因和形态复杂多变[1-2]。因而，实现地质现象形成演化在时间尺度上的动态模拟和仿真表达，使学生更直观地掌握火山喷发等地质现象的形成规律，对于地学类专业的虚拟实验教学及课堂教学都具有十分重要的意义。因此，利用三维地质建模及四维动态模拟技术[3-8]，许多地学信息得到了有效地组织和整合，并建立起相互之间的联系, 在充分表达时间和空间尺度信息的基础上，以一种全新、直观和形象的视觉方式提供给用户使用，进而实现火山喷发等地质信息的四维动态模拟与仿真。

1 火山喷发的基本原理

如图1所示，火山是一个由固体碎屑、熔岩、流或穹状喷出物围绕着其喷出口堆积而成的隆起的丘或山。火山喷出口是一条由地球上地幔或岩石圈到地表的管道，大部分物质堆积在火山口附近，有些被大气携带到高处而扩散到几百或几千km外的地方。火山的形成涉及一系列物理化学过程。地壳上地幔岩石在一定温度压力条件下产生部分熔融并与母岩分离，熔融体通过孔隙或裂隙向上运移，并在一定部位逐渐富集而形成岩浆囊。随着岩浆的不断补给，岩浆囊的岩浆过剩压力逐渐增大。当表壳覆盖层的强度不足以阻止岩浆继续向上运动时，岩浆通过薄弱带向地表上升。在上升过程中溶解在岩浆中挥发气体逐渐溶出，形成气泡，当气泡占有的体积分数超过75%时，禁锢在液体中的气泡会迅速释放出来，导致爆炸性喷发，气体释放后岩浆粘度降到很低，流动转变成湍流性质的。若岩浆粘滞性数较低或挥发份较少，便仅有宁静式溢流。从部分熔融到喷发的一系列物理化学过程的差别形成了形形色色的火山活动[9-13]。

2 3ds Max软件简介

3D Studio Max，简称为3ds Max或MAX，是Discreet公司(后被Autodesk公司合并)开发的基于PC的动画渲染和制作软件；其前身是基于DOS操作系统的3D Studio系列软件。在Windows NT操作系统出现之前，工业级的计算机动画制作被SGI图形工作站所垄断；3ds Max与Windows NT组合的出现降低了计算机动画制作的门槛。3ds Max软件界面组成包括：① 标题栏；② 菜单栏；③ 工具栏；④ 命令面板；⑤ 绘图区域；⑥ 视图控制区；⑦ 动画控制区。

3ds Max软件的主要特点[2，14]

(1) 功能强大、拓展性好，建模功能强大，在动画制作方面具有优势，另外丰富的插件也是其一大亮点；

(2) 操作简单、容易上手；

(3) 与其它图像软件配合流畅；

(4) 做出的效果图逼真；

(5) 可视性强、可从各个方向观察模拟结果；

(6) 数据接口齐全，不但可以导入导出多种格式的点、线、面、体或网格文件，而且与许多大型专业软件如AutoCAD、ER Mapper、MAYA 等可以方便地交换数据。

3 基于3ds Max的火山建模

基于3ds Max的火山建模采用了多边形建模方法，具体流程如下：

(1) 首先建立基本平面。在几何体→标准基本体里生成一个平面“plane”，将坐标xyz都设置为“0”，赋予长度和宽度，然后将分段数调高；

(2) 将平面转换为可编辑多边形。在修改器列表中选择可编辑多边形“editable ploy”；

(3) 创建山体模型。进入可编辑多边形修改器中的点元素，选择其中一个点向上拖动，基本效果即可显示出来，如图2所示；

图2 山体模型的创建

(4) 通过布尔运算模拟火山口，创建一个圆柱体。与山体模型进行布尔运算生成火山口，并在多边形中进行调整、拉伸、收缩，为模型赋予噪波，完成火山模型的基本构造；

(5) 为火山赋予所需的材质。在3ds Max 中创建模型, 赋予所需材质, 以增加模型的真实感；也可将一些拍摄时角度良好的照片构成的贴图通过复合材质组织起来, 完成子物体的贴图操作。

4 基于3ds Max的火山喷发效果动态模拟

4.1 生成喷射系统

通过“创建→几何体创建→粒子系统→超级喷射粒子”生成喷射系统，并将系统坐标移动至火山口下方。

4.2 设置粒子的参数

在右侧工具栏里设置粒子的基本参数，如大小、形状、速度、时间等。

4.3 为粒子附材质

在菜单中单击“Material Editor(材质编辑器)”或按键盘上的“M”键，打开材质编辑器，激活一个示例球，将它赋予场景中的超级喷射粒子。单击展开“Maps(贴图)”卷展栏，单击“Opacity(不透明度)”右边的“None”按钮，在弹出的“Material/Map Browser(材质/贴图浏览器)”面板中双击选择“Gradient(梯度)”。“Gradient”贴图可以使粒子中间部分看上去更像实体，向边缘逐渐变得透明。然后，回到“Material Editor”面板，在“Gradient Parameter(梯度参数)”中将“Gradient Type(梯度类型)”设置为“Radial(放射状)”，然后设置漫反射颜色等，使之更接近火山灰的颜色。

4.4 渲 染

激活透视图，在菜单栏中选择“渲染设置”，在弹出的“渲染参数”面板的“时间输出”框中，选择“Range(范围)”0～100帧。在“渲染输出”框中，单击“文件”按钮，在弹出的对话框中设定好动画格式和存放路径。

4.5 后期处理

为了给四维动态地质过程添加声音等要素，包括使所录制的声音与后期预渲染输出的动画同步播出，需要对生成的动态画面进行加工处理。还可增加滤镜使渲染效果更明显，在改善画面质量的同时，使画面过渡更加自然、流畅。

具体采用Corel VideoStudio Pro X5软件，将捕获的火山喷发音频导入其中，设置“帧数”为自定义，将音频与视频在时间轴上同步，然后选择“编辑→分享→创建视频文件”，生成最终效果，如图3所示。

图3 火山喷发动态效果模拟

5 结 语

在虚拟实验及理论地质教学过程中，利用现今发达的计算机可视化技术，可以更加直观、逼真地表现出地质景观的动态形成效果。除在本文中重点介绍的火山喷发效果动态模拟之外，如在讲授板块运动与挤压部分时，利用四维的动态地质模拟不仅可以让学生清楚地认识到运动过程，并且可以从不同的视角方位予

以展示，使教学过程更有趣味、更精彩[15]。此外，还可以模拟演示山脉、洋壳等地质对象的整个形成过程，使学生的感觉如身临其境般真实，必将极大提高学生学习的兴趣和效果。

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Virtual Experiment Teaching for Geological Process of Volcano Eruption

HEJin-xin,ZHAOQing-ying,HANXiu-mei,ZHANGJia-xin

(College of Earth Sciences， Jilin University, Changchun 130061， China)

The dynamic simulation and visualization of geological phenomena such as volcano eruption are of very important significance for virtual experiment teaching of earth science majors and classroom teaching. Therefore, based on 3D Studio Max and some other software, the dynamic simulation of volcano eruption’s geological process was realized. The actual teaching results showed the system can make not only the students understand more intuitive formation rules of volcanic eruptions and other geological phenomena, but also the students feel like be personally in a real world. The system greatly enhances the enthusiasm and initiative of students’ learning.

volcano eruption; geological process; dynamic simulation

2015-08-25

国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2015CB453000)；吉林省应用基础研究项目(20130102033JC)；吉林省青年科研基金项目(20130522106JH)；吉林大学地质资源立体探测虚拟仿真实践教学项目；2014年吉林大学科学前沿与交叉学科特别资助计划项目

贺金鑫(1979-)，男，吉林长春人，博士，副教授，主要从事数字地质科学的教学与科研工作。

Tel.：0431-88502136(办)；E-mail：hejx@jlu.edu.cn

P 694

A

1006-7167(2016)01-0065-03