多尺度数字地质剖面与野外教学深度融合的实践与探索

毛凯楠 邹雨甜 杨 巍 向 坤

地质野外实习包括地质认识实习、地质填图实习、地质生产实习等实践教学环节，作为地球科学各专业学生的理论课和实验课的延伸，是相关专业本科生实践教学的重要组成部分。野外实习以其生动性、直观性、综合性及实用性为特点，能够深化学生对理论知识的理解，拓展学生的思维，提升学生发现问题、分析问题并解决问题的综合能力。但是由于传统的地质野外实习需要考虑天气情况、交通环境、经济成本及学生安全等问题[1～3]，往往会受到很多限制，导致学生能够参与条件较好的野外实习的机会大大减少，学生的创新能力与实践能力就很难得到有效的训练[1～5]。

随着大数据“互联网+”人工智能等新技术的发展与应用[2,5,6]，传统的野外教学时空限制被打破，全新的教学方式将推动地质野外教学的创新与发展[2～5，7]。本文将利用无人机倾斜摄影技术获取的航拍影像通过Pix4D mapper软件进行三维地质建模，而后在三维地质模型中添加相关知识点交互功能，再借助Electron、Untiy3d等平台发布，以实现实习路线的第一人称沉浸式漫游，能够使学生较好地从宏观到微观地学习各类地质现象与地质特征，从而有效提高教学质量，降低了野外实习的劳动强度与风险。

一、地质野外教学设计

永宁镇剖面位于贵州省贵阳市南西方向约150km关岭县城以西方向，沿国道320展布(图1)。该剖面三叠系出露完整，自下三叠统夜郎组至上三叠统瓦窑组，岩石类型多样，海—陆相类型丰富，且拥有全球晚三叠世卡尼期著名的海生爬行动物群——关岭动物群，另外以新铺复向斜为代表的构造行迹在区内发育清晰，沿剖面可观察典型峰丛洼地等喀斯特地貌类型，是开展古生物、沉积、地貌等地学研究、实习教学的良好素材，目前该剖面已入选DDE深时数字地球大科学计划野外路线建设范围。

图1 永宁镇野外实习教学剖面区位图

二、数字地质剖面助力野外教学

(一)路线方案设计。在对实习路线进行实地考察之前，需要对其进行前期调研，以便确定后期的数据采集方式。通过文献检索，了解目标剖面的交通位置、区域地质构造、地层岩性及古生物等概况。结合上述信息，再利用各类电子地图或卫星地图来对实习路线进行初步方案设计。

(二)素材信息采集。数字地质剖面的数据采集主要包括两个方面的内容：一是主要利用无人机倾斜摄影航拍技术，采集高分辨率影像图片，用于建设高精度地质剖面的三维模型；二是采用传统野外地质工作手段，对岩层分界点、重点层位以及典型古生物化石进行样品采集，后期对典型的岩石化学成分进行分析，磨制岩石薄片以得到结构、构造镜下照片等数据。将上述两者在后期场景重建的工作有机结合起来，从而实现从宏观到微观的无缝连接，让学生体验无间断学习的过程。

本条路线的影像采集利用的设备是大疆悟2无人机配备禅思X5S云台相机。总体的建模思维是，高空完成整体三维模型的建设，与近地表无人机特定露头点三维模型进行融合。实现高空看整体，放大看局部的功能。在这一思维的指导下，我们采取了航线扫描与露头扫描两种方式结合(表1)，分别实现宏观影像的采集与精细影像的采集，以便获得高分辨率的模型(图2)。

表1 无人机航拍影像采集方案

图2 高分辨率模型细节展示

(三)数字剖面制作。一是三维建模，将无人机倾斜摄影航拍影像导入Pix4D mapper软件，生成永宁镇剖面高精度的高程模型(digital elevation model，DEM)和数字正射影像图(digital orthophoto map，DOM)。二是场景创建，在Electron或Unity 3D平台中创建场景，并把模型拖至新建场景中。设计体验者可游览的路径，给墙体、物体等添加物理碰撞，防止体验者在游览时“穿墙”“穿物”或是进入“禁区”。三是交互设计：首先，创建视角，使用第一人称控制器“First Person Controller”，学生就能以第一人称的视角去观察周围的地形地貌环境特征；然后设置漫游交互，通过按键来控制前后，左右移动，实现在实习路线上的漫步；再根据教学需要设计其他触发交互，比如相关知识点的文字说明、教师的音频或者视频讲解、岩石镜下特征照片与说明、古生物化石特征展示照片、地层界线以及地质构造要素的解释等丰富的内容(图3)。最终实现地质野外教学的内容从宏观到微观的多尺度数字地质剖面的建设。

图3 展示教学内容的交互界面(地层介绍，岩层分界，镜下照片展示)

(四)线上线下教学融合实践。通过自己动手亲自操作多尺度数字地质剖面，学生可以在线上对其进行各种浏览、测量、旋转等操作，刺激学生的视听感官，使其加深对该地质剖面的感性认识。相较于传统的二维地图的教学，现在的数字剖面由远及近，由近及远，多尺度；由高到低，由低到高，多视角的变换，可以让学生体验到身临其境的感觉。甚至可以做到“上帝视角”的观测角度，让学生不再局限于某一尺度某一视角，深刻体验地球科学的大局观，这些都是现场野外教学不能实现的。

虽然上述的数字地质剖面可以实现很多传统野外教学不能做到的事情，但是它还是只能作为现实中野外地质实习的辅助教学资源，让学生预习或者复习的时候能够得到帮助。在学生充分做好上述环节后，可以组织学生进行野外实习体验，完成一些在线上无法实现的工作，比如使用罗盘测量岩层产状，使用放大镜观察岩性标本，使用地质锤敲开岩石新鲜面等。

通过对学生的分批教学实验表明，能够参与线上线下融合实践的学生表现出对地球科学更加浓厚的学习热情与兴趣，也明显体现出了学生更好的创新思维与野外实习的教学效果(图4)。当然，通过学生的反馈，也收集了一些共性问题(图5)，将在今后的教学过程中改进与完善，借助数字地质剖面推动野外教学的发展与改革。

图4 学生对线上线下融合实践的体会

图5 学生对线上线下融合实践的建议

三、结语

地质教学始终离不开实践教学环节，多尺度数字地质剖面教学资源的加入，使得野外地质教学的教学资源得到了丰富，两者的深度融合创建了“虚实结合”的教学模式，使学生的实践学习从“线下”拓展至“线上”，实现了两种教学资源的优势互补。这样的教学模式打破了传统野外教学的时空限制，有利于综合型、研究型实习实践课程的开展，大大降低了学生野外实习过程中的强度与风险度，同时加强了学生的实践与创新能力，也提高了地质野外教学的教学水平与本科教学质量。