钻孔岩心地质编录虚拟仿真实验探索

李小明，张 宇,马丽红，刘雨鑫

(华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 065201)

0 引言

实践能力的培养在地质类专业人才培养中占有十分重要的地位,钻孔岩心地质编录是地质实践教学中需要重点培养的技能[1-4]。针对岩心地质编录实验教学，许多从事地质类教学的高校探索过现场地质编录、实验室岩心地质编录以及一定程度的岩心数字化工作，也取得了一些有益的成果[5-10]。但是，由于受到现场路程远、安全管理、食宿条件等客观因素的限制，现场教学场地难以大量接受学生实习，而校内实训空间狭窄，岩心数量少且不宜长期保存等制约了开展岩心编录的教学、技能考核与竞赛活动。 鉴于此，华北科技学院地质实践教学团队以Unity3D开发引擎和3DGIS及3DS Max专业三维建模软件为依托，自主研发了基于虚拟现实仿真技术的“钻孔岩心编录虚拟仿真数据库”，搭建非现场环境条件下的沉浸式人-机互动操作平台，将现场地质编录方法、步骤、内容及成果形象直观地表现出来，同时可实现学生进行虚拟“亲自”操作。建成钻孔岩心编录虚拟仿真数据库，可以有效地解决不易现场实际操作和岩心、实训空间不足、学生多岩心少等诸多问题，在教学、考核和开展竞赛训练等方面发挥了重要的作用，极大地提高了教学效率和学生的积极性。

1 实物钻孔岩心的选取

根据不同的教学目标，确定实物岩心选取的原则。华北科技学院地质工程专业主要专注于能源矿产，尤其是煤矿床的资源勘查和开发，因此，虚拟仿真教学以含煤沉积岩系为主。鉴于此，实物钻孔岩心选取了华北地区具有代表性的典型煤系地层钻孔岩心实物地质资料，要求:①实物钻孔岩心长度150 m以上；②岩心要包含有煤系地层下二叠统山西组、上石炭统太原组以及上覆地层下二叠统下石盒子组和下伏地层奥陶系峰峰组；③岩心具有一定的沉积构造、接触关系和特殊岩石等；④运输过程确保岩心的原始状态不被破坏，上下顺序正常。按照上述原则最终选取的实物钻孔来自山西沁水盆地赵庄井田，如图1所示。

图1 钻孔实物岩心

2 实物钻孔岩心的地质编录

实物钻孔编录是进行虚拟仿真实验平台建设的基础性工作。为了尽可能使虚拟实验贴近实际地质编录的教学效果，首先根据《含煤岩系钻孔岩心描述》(DZ/T0002—2016)的要求对实物岩心进行分层——编号——描述(岩性、沉积构造、化石等)——岩相归纳与环境解释——综合剖面图绘制、沉积模式建立——剖面环境演化史总结等五个环节，并建立地质编录卡片。通过选择典型的层位进行图像、音视频资料的采集，并开展人工精细的坚定，综合加工，形成虚拟仿真实验的基础资源。

基本要求：①分层(单一岩性层或旋回层等)合理，分层描述与记录格式正确，内容要完整；②岩心编录成果图图形要素齐全、布局合理；③斜距误差小于2 m；④岩性花纹、粒度变化、岩层接触关系正确；⑤岩层颜色、沉积构造和化石识别准确；⑥岩心综述全面完整。

3 钻孔岩心地质编录仿真实验整体设计

钻孔岩心地质编录虚拟仿真主要功能是培训学生通过数字化、信息化技术掌握地质理论课程学习、呈现虚拟现场作业、实现互动实验教学一体化。钻孔岩心地质编录虚拟仿真严格按照教学实习基地环境一比一建造三维场景，并进行仿真环境的渲染，从而使得仿真环境具有更好的沉浸性、真实性。将建模后的图形导入到Unity3D引擎后并在Unity3引擎中对钻孔岩心地质编录实验各功能部份开发。虚拟仿真实验基本实现了真实实验所要达到的目标，并且具有一定的优势(见表1)。

表1 岩心虚拟仿真实验与现场真实实验对比

3.1 数据库设计

钻孔岩心地质编录虚拟仿真实验系统采用MySQL数据库系统，MySQL是最好的关系数据库管理系统应用软件之一。MySQL关系数据库将数据保存在不同的表中，而不是将所有数据放在一个大仓库内，这样就增加了速度并提高了灵活性。采用MySQL数据库记录查询学生信息，地质钻孔岩心的相关信息，包括长度，模型信息，文字介绍等相关数据，建成钻孔岩心编录虚拟仿真数据库。钻孔岩心地质资料的成果主要有四类基本形式:目录薄，文档(文字资料)，图件，表格。在现代地质矿床勘探过程中，由于计算机运用，包括了电子文档(Word文档)、电子表格(Excel表格)、电子录像等电子介质资料和遥感影像、图片、声音、图像、幻灯片等多媒体资料。

3.2 3DGIS地理数据与三维模型设计

GIS(Geographic Information System)技术以计算机为主要载体,是进行数据管理和分析的主要系统工具。我们将GIS运用到虚拟实验中,系统通过对地理信息情况各种地质、地形因素的综合研究和分析,以此来获得可以满足系统操作的信息数据,并能以图表、图形、图像等形式将各种数据信息表达出来。

三维可视化技术可以将大量的数据通过图表和图像的形式表现出来,让原本抽象的数据变得更具体、更直接,还能将事物之间的联系生动地展现出来(图2),以此来提高人们对数据信息的理解。该项技术对岩心编录背景加以辅助,有利于将教研所需要的数据立体地呈现出来,通过对地质、地形等单元层位的拾取、追踪,分析层位间的切割关系,并总结出规律,以便提高工作的精确度。

图2 GIS技术由远到近展示钻探场景

3.3 UNITY 3D 虚拟平台开发

Unity3D引擎是一个成熟的多平台虚拟仿真开发工具，可全面整合的专业3D引擎。其内置大量成熟的功能模块，包括图形图像渲染、实时物理和碰撞检测、音效、三位动画、视频播放、网络通信和下载、读取外部资源、内置游戏服务器和动态加载的场景管理等。每一个模块都简单易用而且高效，开发者可以完全专注于程序逻辑的开发和场景的搭建而不用操心其他方面。UNITY3D引擎支持多种语言开发，通过编写脚本和Shader，开发者可以轻松掌控整个软件的运行。所有程序运行的模块都有足够的API供开发者调用，并调用整个Net2.0库实现各种功能。可以调用编辑好的dll，支持C#、C++、Java、Object、C编写的插件。

钻孔岩心地质编录虚拟仿真实验系统中，通过UNITY3D加载数据库、调用三维模型、结合3DGIS数据、编制仿真实验功能流程，实现系统所需要求。本系统中UNITY3D基于C#语言开发各项互动功能。

4 基于实物钻孔岩心构建“高精度三维数字化地质编录虚拟仿真”系统

地质编录虚拟仿真系统应具备实操性，满足实验教学的各种需求，即能精确演绎和再现岩心编录的分层、描述、重要地质现象(沉积构造、接触关系和特殊岩石等)素描和解释、总结地质相对演化史(沉积环境和沉积演化)等编录场景，实现地质勘探钻孔岩心编录过程的三维虚拟世界的实时交互和漫游。因此，系统应具备的教学功能有学习、训练和考核功能，如图3所示。

图3 岩心编录系统首页

4.1 学习功能

在此操作环境下，学生可以利用鼠标对所观察的岩心进行交互和漫游，实现对观测岩心段以不同的角度和方向进行调节，以三维状态仿真模拟岩心的鉴定过程，配合动态图像、声音和文字说明实现三维仿真显示颜色、光泽，可真实再现硬度测试、盐酸反应等物理化学鉴定特征效果，如图4所示。系统能够提供实验全过程的指导，帮助学生进行学习，达到掌握岩心地质编录的技能。

图4 硬度测试和盐酸反应鉴定

4.2 训练功能

在训练功能环境下，学生在虚拟环境下模拟岩心地质编录，通过矿物、岩性、化石鉴定以及沉积构造和接触关系识别，完成钻孔岩心描述卡片，然后系统可以给出所编录岩心层段的参考标准(如图5所示)，最终实现分层和综述、绘制钻孔岩心综合柱状图的技能教学目标。

图5 分层描述

4.3 考核功能

在考核功能环境下，虚拟仿真系统会随机抽取设定长度的钻孔岩心，要求学生必须在规定时间内完成岩心的地质编录，同时完成地层柱状图的编制，总结地质相对演化史(沉积环境和沉积演化)，系统自动给出考核成绩(定性)和参考答案。教师可导出成绩到指定的虚拟实验管理平台，考核结果可管理。

5 结论

(1) 基于真实地质钻孔岩心开发高精度三维数字化地质编录系统，能精确演绎和再现岩心编录的分层、描述、重要地质现象(沉积构造、接触关系和特殊岩石等)素描和解释、总结地质相对演化史(沉积环境和沉积演化)等编录场景，实现了地质勘探钻孔岩心编录过程的三维虚拟世界的实时交互和漫游。

(2) 采用虚拟现实技术和数值仿真开展钻孔地质编录等实现实体实验难以实现的重现性，克服了实体实验成本高，岩心数量不足以同时完成多人同时进行地质编录的缺陷。

(3) 建设围绕“一核心、六模块和二层次”进行：以钻孔岩心地质编录为核心，分为岩性岩相分层、分层描述、重点地质现象识别、素描和解释、岩心编录成果图、地层相对演化总结六个模块，教学过程实现从认知实训层次到创新层次的提升。

(4) 下一步将建立数字岩心数据库：实现针对不同地层区域、不同构造特征、不同矿产资源实物岩心的数字化。