黃濤+蒙俊健+李志紅

【摘 要】本文針對地質(zhì)類專業(yè)課程存在的問題，提出應(yīng)用三維仿真教學(xué)軟件解決地質(zhì)實訓(xùn)中地質(zhì)現(xiàn)象需到野外觀察的難題，并以廣西橫縣六景地質(zhì)實訓(xùn)基地三維仿真教學(xué)軟件開發(fā)為實例進行介紹。

【關(guān)鍵詞】地質(zhì)現(xiàn)象 三維仿真軟件 開發(fā)

【中圖分類號】G 【文獻標(biāo)識碼】A

【文章編號】0450-9889（2017）03B-0022-02

地質(zhì)類專業(yè)課程諸多內(nèi)容涉及地質(zhì)構(gòu)造、巖層、地質(zhì)災(zāi)害、礦山環(huán)境等諸多方面。這些知識采用傳統(tǒng)講授的形式進行教學(xué)，效果并不理想，受訓(xùn)者往往難以掌握。如果全部采用實踐現(xiàn)場授課的形式，地質(zhì)現(xiàn)象如地質(zhì)災(zāi)害、礦山環(huán)境的均呈動態(tài)變化，學(xué)生難以把握，而且授課時間、人員吃住的安排難以協(xié)調(diào)，給學(xué)校任課教師帶來諸多不便。廣西機電工業(yè)學(xué)校與企業(yè)合作，共同開發(fā)了廣西橫縣六景地質(zhì)實訓(xùn)基地三維仿真教學(xué)軟件，以直觀、科學(xué)、嚴謹?shù)姆绞秸宫F(xiàn)典型的地質(zhì)現(xiàn)象，解決地質(zhì)實訓(xùn)中地質(zhì)現(xiàn)象需到野外觀察的難題，將野外教堂搬到了教室，大大節(jié)約了教學(xué)成本和社會資源、提高了教學(xué)效果。本文以南寧市橫縣六景地質(zhì)實訓(xùn)基地三維仿真教學(xué)軟件開發(fā)為實例進行介紹。

一、三維仿真教學(xué)軟件研究的目的

典型地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)象三維仿真教學(xué)軟件項目以學(xué)?，F(xiàn)有數(shù)字化校園系統(tǒng)為支撐應(yīng)用體系，以服務(wù)于國土資源類專業(yè)師生教學(xué)和國土系統(tǒng)職工培訓(xùn)為目的，結(jié)合現(xiàn)代三維虛擬仿真技術(shù)，通過野外現(xiàn)場勘察典型地質(zhì)現(xiàn)象數(shù)據(jù)與衛(wèi)星地圖三維虛擬交互技術(shù)相結(jié)合，通過媒體設(shè)計、3D 建模、視頻攝制、360°實景環(huán)繞、虛擬場景制作合成，開發(fā)成集 3D 高仿真操作與展示，實現(xiàn)以三維仿真動畫、圖片、文字、視頻、實際操作、互動教學(xué)等形式展現(xiàn)，幫助學(xué)生加強地質(zhì)構(gòu)造的空間想象能力，解決地質(zhì)實訓(xùn)中地質(zhì)現(xiàn)象需到野外觀察的難題，將典型地質(zhì)專業(yè)知識信息以虛擬交互演示的形式生動逼真地呈現(xiàn)在學(xué)生面前，豐富教學(xué)內(nèi)容，擴展和延伸現(xiàn)場事件教學(xué)，學(xué)生在虛擬場景中可漫游和自由穿行，實現(xiàn)人機互動，將枯燥的實驗變得趣味性和人性化，從而提高教學(xué)效果。

二、系統(tǒng)技術(shù)要求

（一）軟件方面的要求。軟件所采用的制作工具應(yīng)具有先進性、實用性、普及性及操作方便性。采用主流編程語言及編程開發(fā)工具，支持各子系統(tǒng)的應(yīng)用于擴充，支持網(wǎng)絡(luò)模式，支持多種分辨率（1024×768，1280×1024，1920×1680）和高清 HDTV（1920×1080 或 1280×720），可在 Win7、XP、2000、2003 及以上等Windows 操作系統(tǒng)上運行。采用面向?qū)ο蟮慕M件技術(shù)，實現(xiàn)在虛擬場景內(nèi)漫游、觀看、交互操作功能。

（二）采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建地質(zhì)、地貌虛擬環(huán)境。包括地質(zhì)環(huán)境、等高線、地層結(jié)構(gòu)、特定事件等，在虛擬環(huán)境中實現(xiàn)自主操控演示、路徑漫游；實現(xiàn)地質(zhì)事件的滾動、滑動、碰撞等物理屬性，復(fù)雜場景提供小地圖功能及多視角切換；360°實景環(huán)繞，空中俯視實境全景展示；虛擬交互演示過程由“虛擬地表環(huán)境+虛擬地層+360°實景環(huán)繞+虛擬事件”等構(gòu)成，能夠模擬完成設(shè)定事件發(fā)生過程，可自由操作控制虛擬仿真演示。

三、開發(fā)過程

南寧市橫縣六景地區(qū)坐標(biāo)范圍：108°51′00″-108°55′00″；22°51′30″-22°54′30″，面積約38平方公里。

（一）六景地區(qū)地形地貌三維影像制作。首先要考慮高分辨率遙感影像覆蓋范圍要大于實習(xí)地區(qū)范圍，確定影像面積約為80 平方公里。包括有地質(zhì)特征點、等高線、標(biāo)志地物；二是地形地貌三維影像后期可進行擴展，添加野外填圖的地質(zhì)成果內(nèi)容；三是制作數(shù)字高程模型（DEM），DEM 覆蓋范圍要略大于影像覆蓋范圍。

（二）數(shù)據(jù)處理。影像面積 80 平方公里涉及的四幅 1∶10000 標(biāo)準(zhǔn)分幅的地形圖需結(jié)合現(xiàn)有數(shù)據(jù)，對紙質(zhì)地形圖數(shù)據(jù)進行掃描、校正后，進行等高線、基礎(chǔ)地理要數(shù)的矢量化工作。

1∶1萬遙感影像處理主要包括以下幾個步驟：正射校正、影像配準(zhǔn)、影像融合等。技術(shù)流程如圖 1 所示。

1.影像融合。遙感圖像融合主要有兩個關(guān)鍵問題：一是融合前兩幅圖像嚴格的空間配準(zhǔn)，通?？臻g配準(zhǔn)誤差不得超過一個像素。只有將不同空間分辨率的圖像精確地進行配準(zhǔn)，才可能得到滿意的效果。二是融合前后影像色調(diào)的調(diào)整。如提高全色數(shù)據(jù)的亮度，增強局部反差突出紋理細節(jié)，盡可能降低噪音；對多光譜數(shù)據(jù)進行色彩增強，拉大不同地類之間的色彩反差，突出其多光譜彩色信息。融合后影像處理：融合后影像亮度偏低、灰階較窄，可采用線性拉伸、亮度對比度、色彩平衡、色度、飽和度等調(diào)整色調(diào)。

2.正射校正。正射校正是對影像進行幾何畸變糾正的一個過程，主要原理是借助于數(shù)字高程模型（DEM），對由于地形、相機幾何特性以及與傳感器相關(guān)的誤差所造成的明顯的幾何畸變逐像元地進行地形變形的糾正，校正后的影像將是正射的平面真實影像。

對于 WorldView-2 遙感影像數(shù)據(jù)，其物理模型包括了衛(wèi)星與地球的位置關(guān)系（衛(wèi)星軌道、高度、坐標(biāo)等）、衛(wèi)星本身的姿態(tài)（側(cè)擺角、視角、視場、離心率等）、傳感器參數(shù)（CCD相機的掃描模型）、地球模型（橢球模型、投影系統(tǒng)）以及圖像參數(shù)（入射角、影像中心坐標(biāo)、四角坐標(biāo)等）。利用這些模型參數(shù)、DEM 數(shù)據(jù)和獲取的控制點（GCP）坐標(biāo)，對圖像進行正射校正。

（三）三維影像地質(zhì)模型數(shù)據(jù)收集和制作。根據(jù)教學(xué)需求，一是實測 1∶1000 和 1∶2000 泥盆紀(jì)、古近紀(jì)地層剖面共 10km，詳細劃分本區(qū)泥盆紀(jì)地層，查明泥盆系各組段及古近系巖性組合、層序、古生物、沉積環(huán)境、沉積相等特征。二是實測1∶2000 寒武系構(gòu)造剖面共 7 km，在確定本區(qū)寒武系基本構(gòu)造格架的基礎(chǔ)上，劃分寒武紀(jì)地層，查明寒武系巖性組合、沉積序列、古生物、沉積環(huán)境、構(gòu)造變形等特征。三是收集制作1∶10000 專項地質(zhì)填圖 38 km?，詳細觀察、描述寒武系、泥盆系中的各種地質(zhì)現(xiàn)象（包括巖性組合、化石、原生沉積構(gòu)造、次生構(gòu)造、地貌、礦產(chǎn)等），分析構(gòu)造及各組段巖性、巖相在橫向上的變化情況，準(zhǔn)確勾繪地質(zhì)界線，系統(tǒng)測量巖層產(chǎn)狀。四是開展室內(nèi)地質(zhì)研究，包括編制 1∶1000 和 1∶2000 實測泥盆紀(jì)、古近紀(jì)地層剖面圖、1∶2000 實測寒武系構(gòu)造剖面圖、1∶10000 六景地質(zhì)圖，古生物化石鑒定，分析地質(zhì)發(fā)展過程，編寫 1∶10000 地質(zhì)草測報告或地質(zhì)圖說明書等。五是在 ArcGIS軟件中對掃描的地形圖進行校正、矢量化，并對等高線、高程點賦高程值，形成六景地區(qū) 1∶1 萬地形圖的矢量化。

四、特色功能

（一）提供靈活、交互式的多種瀏覽漫游功能。通過鼠標(biāo)動作、工具按鈕以及鍵盤快捷鍵等多種方式實現(xiàn)縮放、旋轉(zhuǎn)、回正、居中、放大、縮小、漫游基本操作。同時，通過鼠標(biāo)、鍵盤或游戲桿控制，具備靈活的運動控制模式，用戶可以在三維場景中前進、后退，改變行走方向，升高、降低視點，教師和學(xué)生在三維場景中漫游時，電子地圖可以實時指示用戶的位置和行走方向，充分滿足系統(tǒng)人性化要求。

（二）高級操作功能。距離測量、高空距離功能、垂直距離功能、面積測量、影像拍攝功能、設(shè)定游覽路徑、快速瀏覽地圖預(yù)定義位置，并能隨畫面的縮放作相應(yīng)變化。

（三）圖層控制功能。用戶通過圖層控制設(shè)置，自定義顯示或者隱藏的圖層信息?？伸`活地導(dǎo)入、導(dǎo)出圖層內(nèi)的模型屬性信息和以彈出的方式顯示圖例說明等。

（四）分析功能。一是可以對三維仿真地圖上任意指定的兩點間的地形剖面進行計算，并顯示出兩點間的地形剖面圖，地形剖面分析；二是可對泥盆系、寒武系、古近系巖性組合、層序、古生物、原生沉積構(gòu)造、地質(zhì)構(gòu)造、地貌等各種地質(zhì)現(xiàn)象和地質(zhì)剖面進行分析，可以對三維地形上任意指定的面積進行等高線計算，可以以線條和色塊來顯示出指定區(qū)域的等高線情況。

五、結(jié)語

環(huán)境地質(zhì)學(xué)科以實踐性強為突出特點，通常是以野外實踐教學(xué)與室內(nèi)課堂理論教學(xué)構(gòu)成環(huán)境地質(zhì)學(xué)科教育的兩大體系。目前課堂教學(xué)多以圖件和照片融入多媒體的教學(xué)方式為主，學(xué)生很難對一些抽象的地質(zhì)概念及地質(zhì)現(xiàn)象成因進行理解。而虛擬仿真實訓(xùn)平臺教學(xué)模式的出現(xiàn)為環(huán)境地質(zhì)教學(xué)提供了一個很好的平臺，對學(xué)生學(xué)習(xí)地質(zhì)的熱情將起到積極的促進作用，應(yīng)用前景廣闊。

【基金項目】廣西職業(yè)教育教學(xué)改革重點項目（GXZZJG2015A007）。

【作者簡介】黃 濤（1982— ），男，廣西南寧人，碩士，廣西機電工業(yè)學(xué)校高級講師，研究方向：國土資源、電子商務(wù)、物流等。

（責(zé)編 劉 影）