地學三維可視化與過程模擬課程建設

田宜平,翁正平,何珍文,張志庭

摘要：空間信息與數(shù)字技術專業(yè)是一個新興專業(yè)，結合中國地質大學的優(yōu)勢學科，以培養(yǎng)地質信息復合創(chuàng)新型人才為目標。地學三維可視化與過程模擬是本專業(yè)的主干專業(yè)課之一，本文就該課程在課程體系中的地位、教材編寫內容選定、課程教學方法、一體化實踐教學以及大賽與科研結合的專業(yè)課教學模式等方面做了相應的探討和實踐。相關工作將對同類專業(yè)的課程建設有一定的借鑒作用。

關鍵詞：空間信息與數(shù)字技術；一體化實踐教學；課程教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）45-0148-03

空間信息與數(shù)字技術本科作為新專業(yè)已經(jīng)在國內武漢大學、中國地質大學（武漢）、西安電子科技大學、廈門理工大學等多所院校開設了該專業(yè)，各校依托優(yōu)勢學科，分別側重于測繪、地質信息技術、深空探測等領域的空間信息機理研究及應用，人才培養(yǎng)各具特色[1，2]。

我校開辦的空間信息與數(shù)字技術專業(yè)依托地質資源與地質工程、地質學等國家重點學科，以培養(yǎng)地質信息技術復合創(chuàng)新型人才為目標。教學團隊于2005年提出了“地質信息科學”的理論框架與方法技術體系，為本專業(yè)人才的培養(yǎng)明確了學科基礎，為地質信息技術復合型人才培養(yǎng)明確了指導思想[3，4]。本專業(yè)將立足服務于國家信息化建設和社會發(fā)展的需要，為國家培養(yǎng)系統(tǒng)掌握計算機技術、地質學、資源勘查學、地礦勘查（察）計算機應用、地質信息系統(tǒng)工程等方面的基本理論、基本方法和基本技能，能適應新時期地礦工作信息化建設發(fā)展需要，掌握科學的思維方法，愛崗敬業(yè)，能在地質調查、地礦勘查、環(huán)境監(jiān)測、海洋勘查、黃金工業(yè)、礦山企業(yè)、建材勘查、水利水電、工程地質、地質災害勘查、城鄉(xiāng)建設規(guī)劃設計部門、交通、國防軍事、航空航天等行業(yè)或部門從事各類地質信息系統(tǒng)的管理、設計、開發(fā)和科學研究工作，具有發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力和素質，并且在德、智、體、美諸方面全面發(fā)展的復合型人才。本專業(yè)的課程體系建設近幾年來進行了一系列深入地研究與探討，圍繞專業(yè)主干課進行了課程設置，地學三維可視化與過程模擬為其專業(yè)主干課之一。

一、本課程在課程體系中的位置

本專業(yè)提出了基于知識結構樹的課程體系研究與配置方法，構建了學科基礎課—專業(yè)主干課—專業(yè)核心課的課程體系和專業(yè)培養(yǎng)方案，編寫出版了全新的專業(yè)核心課程教材，搭建了面向跨學科知識有機融合的教學體系，見圖1。圍繞《地質信息系統(tǒng)》和《地學三維可視化與過程模擬》兩門核心課程配備專業(yè)主干課程，開設計算機技術類、空間信息技術類、地質學與資源勘查學類的系列課程，從地質數(shù)據(jù)采集、管理、處理、建模、可視化及評價等不同角度構建地質信息處理專業(yè)知識體系。在夯實地學基礎的同時強化計算機開發(fā)能力培養(yǎng)，并突出地質信息技術的應用特色。

二、教材編寫內容選定

本課程主要從地質、地理兩個方面出發(fā)，全面介紹了地學三維可視化的理論、方法和技術手段。在數(shù)據(jù)模型、三維建模、可視化技術手段、空間可視化分析等方面都綜合考慮了地質空間與地理空間的特點，將兩者完全統(tǒng)一起來，彌補了目前空間信息可視化的教材沒有考慮地質空間特點的不足。針對地質對象的建模不確定性與地質過程模擬的復雜性，本課程在綜合介紹地學數(shù)據(jù)模型和可視化方法的基礎上，重點介紹了三維地質體建模和地質過程動態(tài)模擬，突出了地質數(shù)據(jù)可視化的特色和難點。

針對本課程的教學內容，教學小組在大量已有教材的基礎上自編并出版教材。教材的內容章節(jié)如下：第1章 緒論，包括：（1）地學信息的科學概念及七多特性；（2）可視化的科學概念與地學可視化；（3）地學可視化的研究內容；（4）地學數(shù)據(jù)的特點及其可視化方法簡介；（5）地學可視化與過程模擬的研究內容。第2章 地學信息可視化的理論基礎，包括：（1）地圖可視化理論；（2）地圖（學）信息傳輸理論；（3）空間認知科學理論；（4）數(shù)據(jù)挖掘和知識發(fā)現(xiàn)理論；（5）地學圖解/圖譜理論；（6）虛擬現(xiàn)實理論。第3章 地學信息的數(shù)據(jù)模型，包括：（1）地學信息的空間數(shù)據(jù)模型；（2）地學信息的屬性數(shù)據(jù)模型。第4章 三維地質體建模，包括：（1）三維地質體建?，F(xiàn)狀；（2）三維地質體建模難點分析；（3）三維地質建模方法。第5章 典型的地學數(shù)據(jù)及其可視化方法，包括：（1）數(shù)據(jù)類型；（2）點數(shù)據(jù)場的可視化；（3）標量場數(shù)據(jù)的可視化；（4）矢量場數(shù)據(jù)的可視化；（5）張量場數(shù)據(jù)的可視化；（6）其他可視化方法。第6章 地學三維可視化分析，包括：（1）數(shù)字地形顯示與簡化技術；（2）地理空間分析可視化技術；（3）地質體三維可視化技術。第7章 地學三維可視化實現(xiàn)工具，包括：（1）OpenGL；（2）Direct3D；（3）OSG；（4）Java3D；（5）VRML；（6）QuantyView。第8章 地質過程的動態(tài)模擬，包括：（1）盆地模擬概述；（2）構造—地層格架演化的平衡剖面法模擬；（3）構造—地層格架演化的平衡體法模擬；（4）盆地古地熱場與有機質熱演化模擬；（5）生烴模擬；（6）排烴模擬；（7）運聚模擬。

教材的編寫思路是按照“可視化理論—數(shù)據(jù)模型—建模—可視化方法—可視化分析技術—可視化工具—過程動態(tài)可視化”的流程，先總結目前可視化研究領域的一些理論，詳細闡述如何用各種數(shù)據(jù)模型來表達存儲地學三維數(shù)據(jù)，探討各種三維模型的建模方法，建立起模型后研究用什么可視化方法來表征各種三維模型，進一步對三維模型進行可視化分析技術的實現(xiàn)，最后介紹實現(xiàn)上述可視化的編程工具（三維引擎）。在教材的第8章給出了一個典型的地質過程可視化模擬的案例，綜合應用前面章節(jié)的手段實現(xiàn)盆地模擬過程可視化，可為其他地學過程可視化提供借鑒手段。

三、課程教學方法——一體化實踐教學

在強化課堂教學，加強課程間融會貫通的基礎上，在前導課程的支持下，本課程采取實際科研項目引導的實驗教學，采用科研團隊開發(fā)的大型三維地學可視化軟件平臺Quanty View進行二次開發(fā)實習，實習的內容是實際科研項目中常用的三維建模與可視化功能的開發(fā)。與前導課程一起構筑由課程實驗、課程設計、綜合設計、專業(yè)實習等組成的一體化實踐教學體系，見圖2，培養(yǎng)學生工程思維和獨立解決問題的能力，提高學生實際動手開發(fā)能力。endprint

本課程的上機實踐是從實際科研項目中提煉出來的實習內容，緊緊圍繞常用的三維建模與可視化功能的開發(fā)，針對性強，讓學生從上機實踐中理解貫通課堂的教學內容?？偣舶才潘拇紊蠙C實踐。實驗一：地質災害三維可視化建模實驗。實驗目的：掌握GeoHazard三維可視化軟件，了解三維可視化概念及其原理。使用地學相關數(shù)據(jù)，使用三維可視化軟件和鉆孔數(shù)據(jù)，建立地質三維模型。實驗二：三維可視化分析。實驗目的：加深對三維建模軟件的使用，掌握軟件三維可視化分析操作和原理，特別是矢量剪切分析；了解三維可視化分析其他各個功能的編程原理和基本算法。實驗三：基于QuantyView的二次開發(fā)。實驗目的：熟悉基于QuantyView的二次開發(fā)，掌握地學三維可視化軟件基本框架的搭建；通過QuantyView平臺軟件的二次開發(fā)，熟悉地學三維可視化技術的編程實現(xiàn)，完成專題動態(tài)庫創(chuàng)建及配置、專題EXE的創(chuàng)建及界面配置以及控制線建模實例開發(fā)。實驗四：基于QuantyView的二次開發(fā)實現(xiàn)三維可視化功能，實驗目的：通過具體的可視化功能二次開發(fā)實現(xiàn)來完成進一步熟悉基于QuantyView的二次開發(fā)，掌握地學三維可視化功能模塊的開發(fā)，完成搭建基于QuantyView的三維可視化軟件框架、在當前圖層中創(chuàng)建一個多邊形對象、實現(xiàn)鍵盤漫游、實現(xiàn)路線飛行漫游、實現(xiàn)多邊形對象的分層設色、實現(xiàn)兩個多面體合并等開發(fā)內容。

四、大賽與科研相結合的專業(yè)課教學模式

本課程的教學對象是高年級的本科生，有著一定的專業(yè)基礎課知識的儲備，具有參與實際科研或挑戰(zhàn)杯、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等大賽的能力。在專業(yè)課程教師指導下參加科研或大賽是創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，對于激發(fā)學生創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維，提高動手能力有著重要的作用。本課程組的教師圍繞本專業(yè)課的研究內容提出一些前沿的研究小課題，指導學生參賽，讓學生自己獨立思考如何完成小課題的研究。同時，專業(yè)課的教師都承擔著一定的實際科研項目，也可以從科研項目中抽取相關的小功能提供給學生開發(fā)實現(xiàn)，提高學生實際動手解決問題的能力。為此構筑了大賽與科研相結合的專業(yè)課教學模式，促進了多層次、多渠道的導師制和產(chǎn)學研相結合的創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式。多層次是指針對不同年級的學生開展不同類型的項目設計。通過導師與學生雙向選擇，低年級參與以興趣引導、基本技能訓練為主的認識和設計型實踐，高年級參與項目或競賽的綜合型和研究型實踐。多渠道指產(chǎn)學研結合，打破單一的課內教學模式，將課外實踐納入人才培養(yǎng)體系。通過與企業(yè)合作建設實習基地，派遣學生參加實習，提高學生解決問題的能力[5]。大賽與科研相結合的專業(yè)課教學模式有利于課程理論、實際科研與實戰(zhàn)能力的全方位培養(yǎng)。

五、結語

地學三維可視化與過程模擬課程以地質信息科學為學科基礎，依據(jù)教學實際情況，按照“理論—模型—建?！梢暬椒ā梢暬治黾夹g—可視化實現(xiàn)工具—過程動態(tài)可視化”逐漸由理論走向實踐的思路，完成了教材編寫，目標是實現(xiàn)地質科學知識與計算機技術的有機融合，為專業(yè)培養(yǎng)方案起到承上啟下的作用，可操作性強。專業(yè)主干課程結合實際運行的應用軟件進行案例講解，上機實習采取高仿真的“模擬項目”的教學方式。學生自主實戰(zhàn)訓練，組成項目研發(fā)小組，完成整個項目的研發(fā)，并取得了較好的效果。本課程為“空間信息與數(shù)字技術”專業(yè)的發(fā)展發(fā)揮了應有的作用，所選取的教學內容和采取的教學方式對促進相似專業(yè)領域的教育教學思想完善起到了很好的示范和借鑒作用。

參考文獻：

[1]張明華，唐寧，鄔群勇，等.“空間信息與數(shù)字技術”新辦專業(yè)建設與實踐[J].高等理科教育，2010，90（2）：42-46.

[2]吳學文，滿旺.國內空間信息與數(shù)字技術專業(yè)培養(yǎng)方案的對比與分析[J].測繪通報，2013，（5）：108-114.

[3]吳沖龍，劉剛，田宜平，等.地礦勘查信息化與地礦信息科技學科建設[J].中國地質教育，2005，（01）：32-35.

[4]吳沖龍，毛小平，劉剛，等.論地質信息科學[J].地質科技情報，2005，24（03）：1-8.

[5]張冬梅，王媛妮.空間信息與數(shù)字技術專業(yè)復合創(chuàng)新型人才培養(yǎng)研究[J].教育教學論壇，2016，（24）：157-158.endprint