野外地质实习基地信息化实践教学辅助平台研究

唐章英+王成武+张廷山+卿凤+汪宙峰

（西南石油大学地球科学与技术学院，成都 610500）

摘要：本文探讨了以西南石油大学野外地质实习基地为研究对象的信息化实践教学辅助平台建设。结合三维激光扫描与地理信息系统技术，完成了野外地质实习基地地质地貌信息化建库，搭建了野外地质实习基地实践教学辅助平台，将野外实习与虚拟实习有机结合，有效地提高了地学类专业学生的实践动手能力。

关键词：地质实习；数据；信息化；实践教学辅助平台

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）21-0037-02

一、野外地质实习基地信息化建设的意义

野外地质实习是地质实践教学的“核心”，是培养学生理论联系实际，提高分析和解决实际地质问题能力，培养学生综合素质、创新精神与实践能力的重要途径。但长期以来，野外地质实习的教学主要采用老师带学生实地野外路线观察的方式，受到时间季节与天气状况影响、地质观察点地形环境复杂、信息查阅不方便、数据存储编辑载体落后等因素限制，不能有效激发学生的学习兴趣，从而影响实践教学的效果。为了响应国家对教育信息化建设的要求，实现我校地質实习基地资料成果的信息化管理，加强实践教学手段和教学方式的信息化建设，提高学生的实践动手能力，针对我校现有地质实习基地，设计和开发野外地质实习基地信息化实践教学辅助平台。

二、野外地质实习基地信息化建设的基本思路

本项目以国家教育信息化为指导，以发挥学生的主观能动性、充分锻炼学生动手能力为根本，基于教育心理学规律，结合国内外实践教学辅助平台建设的研究成果和认识，进行了野外地质实习基地信息化实践教学辅助平台的总体框架设计。平台建设将虚拟现实技术引入野外地质实习，整合我校地理信息科学专业的资源力量，采用三维激光扫描技术获取地质剖面的三维点云数据，生成地质剖面三维体模型。将获取的地质剖面数据与ArcGIS平台集成，实现ArcGIS对三维激光点云数据的无缝支持，从而完成野外地质地貌信息化建库。采用B/S三层架构模式，基于Visual Studio开发环境，DevExpress插件，GIS组件ArcEngine，借助SQL Server 2008、MongoDB数据库、空间数据引擎ArcSDE，完成地质点属性数据库、区域地质背景数据库、地质图数据库、基础地理空间数据库、点云数据库的建构，搭建了野外基地实践教学辅助平台，实现了虚拟野外地质实习系统。

三、野外地质实习基地数据库建设

1.野外地质实习基地信息调查与归类。野外地质实习基地信息化建设依托我校的三个野外地质实习基地：旺苍野外地质实习基地、峨眉山野外地质实习基地和重庆北碚野外地质实习基地，其中以旺苍野外地质实习基地为示范区。旺苍野外地质实习基地位于旺苍县城北十公里至四十五公里的罐子坝——双河——英萃及国华一带，范围约450平方公里。通过多年来的地质研究以及大量资料的积累，旺苍逐渐成为地质研究的热点地区，我校也因此在旺苍建立了实习基地，以满足我校地学类专业的地质实践实习教学需求。地质实践实习包括了相关专业的地质地貌认识实习、地质构造认识实习、地质填图实习等内容，涉及到的资料不仅有地质图、地形图等图件，还有相应地质区域、地质点、地质现象的大量标本实体、图片、视频、文本、数据等不同形式的资料。根据建库需要，将收集到的数据分为地质点属性数据、区域地质背景数据、地质图数据、基础地理空间数据、点云数据几大类，再根据实习基地的地质地貌特征分别建立数据表和数据文件。

2.野外地质实习基地数据库设计。野外地质实习基地数据类型多样、特征差别很大，为了有效地存储支撑平台信息化建设的地质地貌数据，系统采用关系型数据库、非关系型数据库、空间数据引擎相结合的方式建立野外地质实习基地数据库。关系型数据库以行和列的形式采用二维表结构存储数据，容易理解、使用方便。系统采用关系型数据库SQL Server 2008存储地质点属性数据、区域地质背景数据。系统设计了文档表、照片表、岩石薄片表、视频表来存储地质点属性数据，通过ID主键建立地质点要素与属性之间的关系，设计了界、系、统、组的基础表和对应的中间表来存储描述地层特征的区域地质背景数据。对于具有空间特征、结构复杂的地质图数据、基础地理空间数据，不宜直接采用关系型数据库来存储，而是利用空间数据引擎ArcSDE连接SQL Server 2008关系型数据库，实现空间数据的存储。系统设计了年代地层、地质界线、断层等表结构存储地质空间信息，设计了河流、道路等地形特征、乡镇、县界等行政区划的表结构存储基础地理空间信息。对于难以满足数据一致性的点云数据采用非关系型数据库来存储，系统选用非关系型数据库MongoDB的文档类型数据库存储剖面点图像数据、剖面杂乱点云数据两类点云数据。

3.野外地质实习基地数据采集与处理。①基于GIS和GPS技术的地质地貌信息采集。地质图数据、基础地理空间数据主要采用栅格地图矢量化，首先利用ArcGIS桌面平台对图像进行地理配准，然后建立点、线、面要素对应图层分类矢量化地理、地质空间信息，地质实习点位置信息采用GPS技术实地采集之后导入ArcGIS。②基于三维激光的地质剖面三维信息获取技术。三维激光扫描技术又被称为实景复制技术，能够完整并高精度地重建扫描实物，大面积高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据。在实地勘查地质剖面的前提下，设定扫描仪架设测站，在各测站依次采集地质剖面原始点云数据。③野外地质剖面的点云数据处理技术。三维激光扫描获取的原始数据往往具有噪声影响，需要通过点云数据去噪消除噪声，再将多个测站的点云数据拼接，然后进行点云数据简化以减小点云数据密度，从而快速重建地质剖面三维模型。

四、实践教学辅助平台功能设计

虚拟野外地质实习系统需要对实习区域的各类资料和研究成果进行系统地分类汇总和集成，生动直观地展现实习区域的地质地貌，便于学生进行虚拟实习，为此将系统分成数据管理子系统、信息查询子系统、数据分析子系统。

1.数据管理子系统。数据管理子系统实现对数据库的建设，负责对各类基础数据的录入、编辑、显示和维护。数据录入包括地理空间数据的录入，地质剖面三维点云数据的导入，地质点、岩石标本、薄片的照片、视频、文档数据的导入等功能。数据编辑包括对图形数据、属性数据的增添、修改、删除等功能。数据显示实现地图的操作与布局，包括地图的图层管理、二维线划图展示、三维场景展示、二三维地图联动、视图缩放、布局输出等功能。数据维护包括对数据的恢复与备份，防止数据的破坏与丢失。

2.信息查询子系統。信息查询子系统分为基于属性的查询、基于图形的查询两种方式。基于属性的查询根据用户输入的属性检索条件查询出图上对应的几何要素，并以高亮形式在地图上突出显示。包括对实习区地质特征点、地层特征、岩石特征、构造特征等的查询。基于图形的查询根据用户在图上选择的区域范围，查询选定区域几何要素的属性信息。

3.数据分析子系统。数据分析子系统包括最短路径分析、点云生成DEM、剖面实测分析。最短路径分析是在设定用户选择的地质实习点的情况下，实现实习最佳路线的生成和保存。点云生成DEM，根据点云数据具有高精度的三维坐标信息，生成地质实习点局部高分辨率DEM，准确展现地质实习点的微地貌。剖面实测功能依据点云数据生成的三维地质体，可以测量出地质剖面的长度、地层的产状信息。

五、结语

本平台将虚拟现实技术引入野外地质实习，结合地理信息技术，在传统二维地图的基础上构建野外地质实习基地的三维虚拟场景，实现在虚拟三维空间中任意漫游，从任何视角、实时互动地展现野外地质地貌环境。同时，采用了三维激光扫描技术获取地质剖面的三维点云数据，生成地质剖面三维体模型，这些地质剖面三维体模型可以具体形象地展示地质对象和野外地质实习内容，便于学生直观地了解剖面所处位置、出露的地层年代等信息，而且能以简化的方式进行地质剖面测量，使学生能更好、更直观地掌握野外地质实习的基础知识，充分调动了学生实习的积极性，让学生能够主动地探究地质实习问题，真正发挥了学生在实习中的主导作用，大大提升了地质实践能力。

参考文献：

[1]龚文平，何贞铭，刘学锋，肖传桃.刘家场综合实习基地地质填图系统的设计与实现[J].长江大学学报（自然科学版），2013，（04）.

[2]杨蔚青，李永强，王阁，白丁.三维激光扫描技术在土遗址保护中的应用——以隋唐洛阳城定鼎门遗址唐代道路遗址保护为例[J].中原文物，2012，（04）.

收稿日期：2016-12-05

基金项目：本文受西南石油大学2016年教师教学研究项目《双创背景下GIS专业综合实践环节的优化与整合》（编号：2016JXYJ-11）资助

通讯作者：唐章英，女，讲师，主要从事地理信息科学方面的教学与科研工作。