采用GIS技术的地质实习辅助教学软件开发

刘善伟, 万剑华, 祝德显

(中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院, 山东 青岛 266580)

中国石油大学(华东)拥有1个国家重点学科(矿产普查与勘探)和1个国家重点(培育)学科(地球探测与信息技术),历来重视地质实习教学工作,每年花费大量的人力、物力、财力和时间来组织千余名学生开展各种野外地质实习。但由于带队教师少、实习点数量多且分散等原因,学生并不能看到所有的典型地质现象,且实习过程中教师边走边讲,学生有时“听不清、听不懂”,因而难以完成高质量的实习教学。

野外实习教学过程与地理位置密切相关。将地理位置附带的知识信息全方位地融于教学之中,是信息化教学的需求,而地理信息系统(GIS)为此提供了技术途径。GIS是对地理数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统,可以向用户提供位置及周边环境信息的查询和分析服务。继桌面GIS之后,网络地理信息系统(WebGIS)和移动地理信息系统(Mobile GIS)的应用已深入各行各业[1-4]。WebGIS是运用在因特网上的地理信息系统,而Mobile GIS是以移动互联网为支撑、以智能手机(内置GPS)为终端的地理信息系统,两者最大的区别在于网络与客户端。

近年来,随着GIS在地学领域的发展与应用,将GIS技术应用于野外地质实习虚拟教学日趋广泛[5-11],但系统功能多具有单一性,并以辅助课堂教学为主。本文综合WebGIS和Mobile GIS的优势,研发了地质实习辅助教学软件。该软件既可应用于课堂辅助教学,又可应用于野外实习教学,从而开启了地质实习教学的一种新的教学模式。

1 地质实习辅助教学软件

1.1 软件定位

综合运用WebGIS、Mobile GIS、虚拟现实等技术,设计和开发地质实习辅助教学软件。利用这款软件,学生既可以在室内全方位浏览野外实习的真实地理环境、获取地质知识和信息,又可以在实际野外地质实习时借助手机、Pad等移动设备实现导航定位及与地质实习实习内容的交互操作。通过课堂辅助与野外辅助两种方式,实现地质实习实习现场教学与场外教学的有机结合,提高教学的质量和实习效率。

1.2 软件框架

软件总体框架如图1所示。底层为数据层,包括实习涉及的空间数据、属性数据和地图服务API；中间层为逻辑层,地质实习网络辅助子系统是WebGIS,主要用于课堂辅助教学；而地质实习野外辅助子系统则是Mobile GIS,主要用于野外实习教学。

图1 软件总体框架

1.3 数据特点

数据是整个软件系统建设的核心,数据组织方式会直接影响数据读取效率。本软件数据包括空间数据及属性数据。空间数据包括实习基地、区域及路线的矢量数据、卫星遥感影像数据以及实习点的坐标数据；属性数据包括实习区域、路线、实习点名称等相关文字、视频、录音、图片等数据(见图2)。

图2 数据描述

数据库中包含秦皇岛、新汶、鲁东、巢湖等4个实习区25条实习路线的各个实习点地质特征(岩性、地层、沉积、构造)。在区域空间范围,实习基地包含实习区、实习路线、实习点等3级,层层细化。基于地质特征,将地质实习内容分为岩性、地层、沉积、构造等特征类型。某个实习点可能对应一个或多个地质特征,需要厘清不同地质特征之间的关系,并针对每个实习点的所有地质特征逐个获取详细信息,包括:点号(名)、坐标位置、视频、录音、照片、图片、全景照片以及文字描述信息。另外,本软件还能够直接调用百度地图API和谷歌地图API。

1.4 软件功能

地质实习辅助教学软件包含网络辅助子系统和野外辅助子系统,功能模块如图3所示。

图3 软件功能

(1) 前台应用模块包括地图导航、线路展示、实习区域相册展示以及三维效果显示等功能,三维效果显示包括三维虚拟全景和三维地质模型。

(2) 后台管理模块包括用户账户管理、区域线路编辑功能。

(3) 地图操作模块包括地图显示、基本地图缩放操作和漫游等。

(4) 导航定位模块包括GPS定位和手动定位。GPS定位用于野外地质实习过程中,系统自动获取学生位置并提示是否需要查询当前位置附近的实习点；手动定位则用于实习前后学生通过人工查询功能来预习或复习实习点的内容。

(5) 信息查询模块包括自动模式查询和人工模式查询。自动模式查询使用GPS进行自动定位,当学生到达某一实习点附近时,系统会自动提示,并弹出信息查询对话框,学生可以根据需要对当前位置进行文本、图片、音频、视频以及全景影像的查询；人工模式查询是通过人工定位逐级选择待查询的实习区域、实习路线、实习点,并查询该点的文本、图片、音频、视频、全景影像等信息。

(6) 信息采集模块实现对某地质构造现象的位置标注,还可以针对该标注点编辑上传文本、照片、音频及视频等信息。

(7) 其他功能模块包括距离测量等辅助功能。

2 软件应用特色

地质实习辅助教学软件有电脑客户端和手机客户端两套系统模式,采用GIS、虚拟现实、可视化、数据库和多媒体等技术,以地理位置为索引,实现了典型地质现象文本、图片、视频、三维模型等信息的管理、查询、显示等。学生不但可通过地质实习网络辅助系统进行课前“预习”和课后“复习”,而且能够在野外实习过程中运用地质实习野外辅助系统获取实时辅导。

2.1 虚拟教学

地质实习教学网络辅助系统在电脑客户端运行,以文本、全景图片、动画、音频、视频等形式呈现教师讲课内容,既可以用于课堂教学的课前预习和课后复习,又可以在课后重听教师讲解。

系统提供了2种典型地质现象的三维展示形式。一种是基于三维全景的地质现象外部构造展示,把二维照片模拟成真实的三维空间,实现可全方位互动式观看的真实场景展示,可拉近距离、放大、左右移动等,以达到身临其境的效果,如图4所示。另一种是针对地质体和地质过程的内部构造三维建模,借助三维建模技术实现了地质体特征和构造演变过程的三维可视化,如图5所示。

图4 三维全景某视角展示效果

图5 地质过程三维建模(俯冲带)

2.2 野外教学

地图是地质实习的数据载体,而GPS导航则是连接实习者与地图的中间部分。在学生实习的过程中,系统通过GPS定位,自主获取自己当前的位置(见图6),判断是否位于实习点附近。若学生已位于实习点附近,系统将会提示已进入xx实习点，并自动弹出信息查询框,学生便可以查看该实习点的各类信息,在无教师引导的状态下进行自我学习。

当学生面对新的或不明确的地质构造现象时,可以借助地质信息采集功能,将该地质现象的所在位置标注在地图上,并对该标注点进行文本编辑、拍照以及录制视频保存到本地,实现对该现象的复现。

图6 GPS导航

3 应用效果评价

通过应用地质实习辅助教学软件,形成了虚实结合的地质实习教学模式:一是在课堂教学中,利用地质实习网络辅助系统将教学内容形象化,尤其是地质现象的三维可视化展示,可以让学生重复观察,了解地质现象的演化过程；二是在实习教学中,教师可以借助地质实习网络辅助系统,更有针对性地安排实习路线和实习内容,强调实习重点,而学生可以利用地质实习野外辅助系统强化野外地质现场实习效果。

该教学软件主要表现出以下3方面优点。

(1) 内外结合,丰富了学生的学习方式。在大量收集、整理野外地质教学资料的基础上,对地质现象进行数字化和编辑处理工作,采用三维全景技术、三维建模技术实现了地质实习地理环境及典型地质现象特征的仿真,将课堂教学和实习教学串联起来,使地质实习教学实现了校内、校外的有机结合。

(2) 动静结合,提升了实习的教学效果。学生借助地质实习辅助教学软件,不但可以在电脑终端查看典型地质现象的静态图片、文字说明以及构造运动过程的三维动态演示,而且可以通过手机终端进行GPS导航,边走、边看、边学,实现了地质实习的动静结合,提升了实习效果。

(3) 虚实结合,实现了理论与实习的统一。数字化、可视化的地质实习辅助教学软件改变了传统实习教学模式单一的问题,将教师理论讲解(虚)和学生野外实习(实)有机结合,实现了理论与实习的统一。

4 结语

地质实习辅助教学软件将WebGIS、Mobile GIS技术应用到地质实习教学中,为学生和教师提供了不同客户端下的地质实习仿真环境,形成了虚实结合的野外地质实习教学模式。该软件的使用提升了学生野外地质实习的趣味性和学习效果,丰富了实习基地的建设模式,较好地弥补了原来地质实习教学的一些不足。该软件作为传统教学方式的辅助手段和重要补充,其他实践性要求较强的地学学科课堂教学和实习教学也可借鉴。