三维可视化建模在地质教学动画制作中的应用

王小琳　李定华　伍跃胜

【摘 要】地质教学动画数量少、针对性差、画面模糊，难以满足教学需求。地质过程具有时空跨度大、复杂多变等特征，三维地质教学动画更加适用。本文以青塘野外实训为例，总结出了实用性强、操作简单的三维地质教学动画制作方法和流程。

【关键词】地质教学动画；三维地质模型；青塘；野外地质实训

中图分类号： G434 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）12-0095-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.12.041

Application of 3d visual modeling in animation production of geological teaching

——Take qingtang field training as an example

WANG Xiao-lin LI Ding-hua WU Yue-sheng

（Jiangxi College of Applied Technology，Ganzhou Jiangxi 341000，China）

【Abstract】the number of geological teaching animations is small， the pertinence is poor， the picture is blurred， and it is difficult to meet the teaching needs. Geological process has the characteristics of large span of time and space， complex and changeable， and three-dimensional geological teaching animation is more suitable. Taking the field training of qingtang as an example， this paper summarizes the method and process of 3d geological teaching animation with strong practicability and simple operation.

【Key words】Geological teaching animation； Three-dimensional geological model； Green pond； Field geological training

1 研究背景

1.1 地质专业教学手段使用现状

（1）在地质专业教学过程中，教师通常采用黑板板书、画图、挂图、幻灯片放映等传统教学方法进行讲授。针对地质专业教学内容，我们不难发现，地质过程尤其是地史演化过程，是随时间推进而不断演变、时刻变化的，往往具有时间空间跨度大、复杂多变等特征。然而，传统地质信息主要表现形式是平面图和剖面图，地质教师很难用语言讲诉、文字描写、静态图片展示等方式清晰、准确地描述和呈现授课内容，教学效果并不理想。

（2）研究表明，平面地质图件的教学形式缺乏直观性和立体性，学生很难准确理解、掌握课堂教学内容。而采用动画教学形式，形象生动、直观易懂，能有效避免传统教学存在的弊端。

（3）随着计算机信息化与可视化技术的快速发展，越来越多的教学动画逐步应用于各行各类教育教学中。对于地质专业教学，使用动画教学手段是及其有效，但是很难普及使用的。

首先，地质专业是相对小众专业，从业人员相对较少，导致地质类教学动画数量很少，而且针对性比较差。其次，地质教学动画多是通过网络下载、科教片剪辑等方式获得，画面比较模糊，难以满足现在的教学需求。教师普遍认为教学动画是地质教学过程中最为缺乏的教学素材，急需从业人员创造出更多、更优质的地质教学动画。

1.2 教学动画研究现状

（1）教学动画脱胎于计算机动画，其研究的目的主要集中于促进学生学习。计算机动画，最早由Beak和Layne将其定义为一系列帧，每一帧在前一帧的基础上发生变化，这些帧的相互连接显示了事物的运动过程。地质教学动画的制作就是利用计算机动画技术，动态展示地质体的运动过程。

（2）教学动画分为二维教学动画和三维教学动画。随着PowerPoint、Flash、3Ds Max等先进动画制作软件的开发使用，越来越多的教学动画制作使用于教学过程，其中主流的教学动画形式是以二维动画为主。

（3）Richard Mayer、于文、王宝亮等认为教学动画制作应具理解力、適合性、交互性、注意力引导、灵活性等原则。

（4）相较于二维教学动画，三维更加立体、逼真、清晰易懂，是未来制作发展方向。现存三维教学动画极少，尤其是地质教学动画，究其根本原因是技术要求高、经济成本高。三维动画制作按秒计费，每秒就要上千元甚至是数千元之多。

1.3 三维地质建模与可视化研究现状

（1）三维地质建模（3D Geosciences Modeling）的实现是三维地质教学动画制作的基本工作。三维地质建模能把抽象的内容具体化，把难以理解、难以想象的东西凸现出来。三维动态显示效果，可以让学生对复杂的地质内容与多变的地质体空间展布关系有更加直观的认识。提高学生对复杂地质过程的理解和判断。

（2）三维地质建模概念，最先由Simon W. Houlding在1993年提出，是指在三维环境下，以适当地质数据构建各类地质现象的数学模型，然后使用计算机技术将建立的数学模型描述为立体图像，用以加强人们对地下地质内容的认识。

也就是说，三维地质建模是在三维环境下，将地表以下地质体的空间分析预测、地质解译、地質学统计、地质内容分析等与图形可视化技术结合起来，用于地质分析，强调地质内容呈现的数字化、可视化和立体化。

（3）传统地质信息实现三维可视化是地质学领域里的研究热点。三维地质模型建立与可视化技术，在发达国家起步较早，Fritsch D、Aaper J. F、Turner A. K等人有深厚的理论研究。国内起步比较晚，应用尚不能普及，多用于矿山管理、地质灾害等方面，处于探索和尝试阶段。改变传统二维地质内容的表达形式，使用直观、三维的地下信息表达迫在眉睫，基于三维GIS的可视化建模是总体发展趋势。

（4）地质演化过程是地质专业教学中的难点和重点，其表达形式更加倾向于三维动画模式，尤其是在实训教学过程中，地质内容在地表以下的表达与呈现。例如，宁都青塘实训区地层的分布、断层的变化、矿体的形态以及地层的接触关系等，需要学生在准确判读地质图的基础上，利用各类地质数据合理分析与推断。这对学生专业基础知识要求非常高，只有极少数学生可以掌握，很难达到教学目的。

为解决青塘野外实训教学中的不足，特选择对青塘地区地质内容进行三维可视化地质建模来实现。

2 研究内容

本文研究实际上是一个大胆尝试、勇于探索的过程，旨在运用地质前沿研究—三维地质建模与可视化技术，建立青塘实训基地三维可视化地质模型，进一步制作出三维地质教学动画，应用于学院青塘野外综合实训教学之中。

2.1 三维地质模型建立的理论依据

（1）搜集、整理青塘地区已有地质资料，野外采集相关地质数据，建立青塘实训区三维地质模型。模型可以直观、立体地反映出实习区地形地貌、地层、矿产、接触关系、岩层厚度变化、岩浆岩出露形态、构造空间展布等。

（2）实际工作过程中，地质现象是极其复杂而且多变的。以青塘实训区的地层分布为例，地层是在三维空间展布的层状岩石体，通常不是一个规则的平面，地层之间存在交叉、重复或尖灭消失，地层是一个曲面，很难用具体的数学公式表达。这是三维可视化地质模型建立的前提，需要我们对获得的已有资料的数据筛选分析。

（3）三维地质可视化模型的建立的根本是地质体数字化的表达。三维地质模型的质量好坏，与原始数据的采集、地质人员的地质分析解译有很大关系，再就是模型要符合当地实际地质情况。地下地质体变化是未知的，也是复杂的，这就需要地质人员运用一定的经验和技术对实训区地质内容进行合理地地质变量预测、地质解译与空间分析，从而推测出地质体的空间变化。

2.2 青塘实训区三维可视化地质模型建立

以收集的地质资料和野外采集的相关地质数据为依据，结合GIS 和计算机图形图像可视化技术，将青塘实训区地质体（包括地层、岩体、断层、褶皱、矿体等）的空间分布情况建立三维可视化模型。

（1）基本数据生成图形，建立青塘实训区地形、地貌的数字高程模型，即数字地形模拟（DEM）。收集该区高程数据，在Arcgis软件中建立实习区DEM，反映该区地形起伏。

（2）建立三维网格。基于三维GIS，结合该区相关地质数据，建立比较详细的三维地质的框架。

（3）三维地质模型建立。在数据分析、地质解译的基础上，辅助以剖面图绘制，利用超图、AutoCAD、3DMAX等软件构建实训区三维地质模型，包括地层模型、构造模型、岩体模型和矿体模型等。

（4）三维地质模型处理。对已建立的三维地质模型进行合理的网格粗化与后期处理，使之更加符合当地实际地质内容。

（5）三维地质模型处理完毕后，通过屏幕显示、图形数据转存打印、录像制作等方式，实现三维地质模型中地层、岩体、矿体、构造的形态、展布、接触关系的可视化。通过AutoDesk等软件将三维地质模型的工程文件录屏，形成可视化视频文件。

2.3 地质教学动画的实现

相比一般动画，地质教学动画的制作目的、呈现内容和使用领域具有更强的针对性。制作目的是为了帮助学生突破地质教学中的难度和重点知识。呈现内容是地质教学的知识点，是系统的地质科学知识。在动画制作时要特别注意教学目的的体现。

（1）素材收集与处理。文字素材、图片素材、声音素材、视频素材、地质动画素材（建立的三维地质模型，网络搜索下载、科教类视频中地质动画剪辑等）。

（2）需求分析。分析青塘地质实训的教学目标、教学内容等。三维地质动画具有技术需求高、制作成本高的特征，为减少动画个数，在内容上应选择那些用语言、文字、图片难以呈现的重点和难点知识来制作动画。

（3）脚本设计。对地质教学动画需要呈现的方式、内容、呈现等进行设计。

（4）动画制作。使用3Ds Max（三维）等不同动画制作工具，依据脚本设计的地质内容选取、素材类型、素材编排方式、知识呈现方式、客观制作条件等因素，选择合适的软件制作地质教学动画。

（5）评测修改。教学动画试用和评价。首先，应用于青塘地质实训教学，在实际使用过程中总结其的不足。第二，请其他地质教师、学生、专业动画制作人员等，对完成的地质演化过程模拟教学动画评价并提出修改意见。多次反复评测和修改。

2.4 地勘专业地质实训教学方法、教学手段探讨

（1）制定三维地质建模在野外实训中配套的教学方案，采用三维地质模型图片和视频的教学方法，直接向学生演示地质现象在三维空间的展布和相互关系，降低教学难度。

（2）循循善诱，利用三维地质模型直接观察实训区地质体地下位置、展布及相互关系，降低学生学习难度，激发学生的学习兴趣，提高专业基本技能。

2.5 将先进国内外地质软件引入到地勘类专业学习中

教会学生使用各类地质软件（Arcgis、Mapgis、超图、3DMAX等）处理不同数据、图形，建立三维地质模型，实现地质内容可视化、立体化。

2.6 三维地质动画制作技术的推广

将三维可视化地质建模技术应用于青塘野外综合实训教学，经不断探索和完善，建立出适合地勘类专业野外综合实训教学的新模式。

3 研究意义

（1）满足地质专业教师的实践教学需求，教学动画能有效地突破教学中的难点和重点，是教师教学、学生学习过程中迫切需要的教学素材。

（2）建立青塘实训基地三维地质模型，促使学生直观、立体地了解实习区各类地质现象在三维空间的分布，变化及接触关系等。有利于学生更准确、容易地掌握该区地质信息，降低实训难度，有助于提高学生实训兴趣，满足学生的专业知识学习需求，获得更好的教学效果。与文本、图片、音频、视频相比，地质动画更加直观、具体，能有效降低专业知识学习难度，缩短学生认知过程，提高学习效率。采用三维立体图片和视频的教学形式，让学生简单明了地掌握该区地质特征，降低学习难度，提高学习积极性和实训效果。

（3）深化和完善地质教学动画的制作理论，总结出实用性强、操作简单的地质教学三维可视化地质建模技术方法、动画制作方法和流程，供其他地质院校、资源勘查专业借鉴参考。

（4）通过本文不断探索与实践，在传统教学基础上，制定出与现代信息化技术相整合的，與青塘野外地质实训相配套的教学标准。

4 存在的问题

（1）地质演化过程，时空跨度大、复杂多变，受动画制作技术、经济条件、原始数据等条件限制，很难完整、精确地呈现出地表以下的地质现象与地质过程。因此，在制作地质教学动画之时，需要技术人员在科学性前提下，对地质过程抽象、概括，以简明、形象的动画语言揭示复杂地质表象下的地质知识。

（2）地质教师不是专业动画制作人员，教学动画制作水平不足。专业动画制作人员又缺乏地质基础，交流存在障碍。在条件允许范围，地质教师有必要参加专业动画制作培训，为地质学领域制作出更加精准的教学动画。

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