基于Google Earth的野外地質(zhì)實習(xí)三維模型的應(yīng)用

張鵬 徐洪鐘 隋志龍 張媛媛

[摘 要] 文章以南京地區(qū)為例，利用 Google Earth建立野外地質(zhì)實習(xí)的三維模型，用于指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行野外實習(xí)點(diǎn)的位置確定和地貌分析，并進(jìn)行斷層的三維影像特征分析、遙感解譯、地貌剖面的建立等內(nèi)容?；贕oogle Earth的三維模型在野外地質(zhì)實習(xí)中的應(yīng)用，可以大大加深學(xué)生對野外實習(xí)內(nèi)容的直觀認(rèn)識以及對地貌和地質(zhì)現(xiàn)象的理解。

[關(guān)鍵詞]Google Earth;地質(zhì)教學(xué);野外地質(zhì)實習(xí)

[中圖分類號] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2019）08-0048-03

良好的野外實習(xí)基地是成功開展地質(zhì)學(xué)野外教學(xué)實習(xí)的重要前提。南京地區(qū)地層出露齊全，構(gòu)造現(xiàn)象清楚、典型;地質(zhì)研究程度高，交通方便，觀察容易，其中許多地點(diǎn)是高校開展地質(zhì)教學(xué)實習(xí)的良好場所。

Google Earth是 Google公司提供的電子地圖服務(wù)，它把衛(wèi)星影像、航空相片和地理信息布置在地球的三維模型上，讓用戶通過該軟件可以免費(fèi)瀏覽全球的高清晰度衛(wèi)星照片。此款服務(wù)可以提供不同分辨率（0.6～2.5米）的衛(wèi)星照片和等高線地形視圖，具有便捷、互動性強(qiáng)、免費(fèi)等諸多優(yōu)點(diǎn)。利用Google Earth可以方便地創(chuàng)建自定義位置、路徑，查看經(jīng)緯度信息、高程等，在野外地質(zhì)調(diào)查、工程外業(yè)實施、戶外活動中都有非常高的應(yīng)用價值[1-2]。

近年來，該軟件逐漸被應(yīng)用于地質(zhì)、地理、環(huán)境等課程的數(shù)字化教學(xué)中[3-5]。筆者結(jié)合教學(xué)改革課題，運(yùn)用Google Earth平臺，對南京工業(yè)大學(xué)工程地質(zhì)學(xué)南京實習(xí)基地進(jìn)行數(shù)字化，把實習(xí)基地的知識直觀地表現(xiàn)出來，并用于指導(dǎo)學(xué)生的野外學(xué)習(xí)和實習(xí)報告的編寫。Google Earth在地質(zhì)野外實習(xí)中的應(yīng)用，不僅可以讓學(xué)生大大增進(jìn)對野外實習(xí)內(nèi)容的直觀認(rèn)識，加深對地貌和地質(zhì)現(xiàn)象的理解;還可以讓學(xué)生提升實踐興趣、開拓知識視野、鼓勵獨(dú)立思考、增強(qiáng)學(xué)習(xí)信心和培養(yǎng)科學(xué)精神等[6-7] ，大大提高野外地質(zhì)實習(xí)的成效。讓學(xué)生掌握這個應(yīng)用性極強(qiáng)的工具，對其今后的工作和學(xué)習(xí)都將大有裨益。

一、南京野外地質(zhì)實習(xí)基地簡介

從南京向東到鎮(zhèn)江再折向南東，東抵武進(jìn)區(qū)境孟河一帶，綿延了一列丘陵、低山，稱為寧鎮(zhèn)山脈。它全長100余千米，標(biāo)高一般為100～200米，少數(shù)山峰超過300～400米，如鐘山、孔山、九華山、侖山、棲霞山、寶華山等。這里地層山露齊全，不僅在下?lián)P子而且在華南均具代表性;構(gòu)造變形程度中常，構(gòu)造形象清楚、典型;火成巖類多而且出露廣泛。

南京地區(qū)的地層單元屬揚(yáng)子地層區(qū)下?lián)P子分區(qū)寧鎮(zhèn)地層小區(qū)。本區(qū)地層自震旦系至第四系均有出露，發(fā)育良好，研究程度高。其中，古生代和部分中、新生代地層有很久的研究歷史，建有許多標(biāo)準(zhǔn)剖面，為廣大地質(zhì)工作者劃分和對比地層提供了重要的依據(jù)。

本區(qū)在地貌上位于長江下游低山丘陵地貌區(qū)，其地形地貌可劃分為低山、丘陵、階地、河流相沖積平原和長江漫灘等幾種類型。

南京地區(qū)主要的斷裂有4條，分別是幕府山—焦山斷裂、南京—湖熟斷裂、江浦—六合斷裂和方山—小丹陽斷裂。其中，幕府山—焦山斷裂和南京—湖熟斷裂為第四紀(jì)早、中更新世有過活動的斷裂，且規(guī)模較大，為對區(qū)域穩(wěn)定性較為重要的兩條斷裂。

二、野外三維數(shù)字化模型的創(chuàng)建

Google Earth 可以隨意瀏覽全球遙感數(shù)據(jù)，分辨率一般可達(dá)1～2.5米。如果網(wǎng)絡(luò)通暢，在城市和農(nóng)村地區(qū)可以清晰地看到樓房、道路、車輛、植被、裸露巖體等， 且能隨時查看經(jīng)緯度、高程信息。Google Earth還能將全球數(shù)字高程數(shù)據(jù)進(jìn)行遙感圖像的三維顯示（黃琪等，2015），其三維遙感影像不僅能夠反映真實情景，而且可以方便地切換觀察者的位置、方向，能夠非常直觀地顯示地貌現(xiàn)象[5]。因此，只需將各個野外實習(xí)地點(diǎn)的經(jīng)緯度位置標(biāo)在Google Earth上，便可直接創(chuàng)建該地點(diǎn)的野外三維數(shù)字化模型。以棲霞山野外實習(xí)基地為例，首先要求學(xué)生在每個野外實習(xí)點(diǎn)用手機(jī)記錄經(jīng)緯度信息，在室內(nèi)根據(jù)經(jīng)緯度信息將各個野外實習(xí)點(diǎn)的位置創(chuàng)建于Google Earth上（如圖1所示），如此，學(xué)生便建立了棲霞山地區(qū)的野外三維數(shù)字化模型。由此可觀察各個野外實習(xí)點(diǎn)的相對位置以及遙感影像特征、地貌特征等信息（如圖2所示）。

現(xiàn)將所建立的南京地質(zhì)實習(xí)基地模型內(nèi)容概述如下。

（一）燕子磯—三臺洞路線

地層與巖石：震旦系燈影組、寒武系幕府山組、奧陶系侖山組、白堊系浦口組、第四系下蜀組。構(gòu)造現(xiàn)象：沿江斷裂及其他斷層。巖溶現(xiàn)象：溶洞。風(fēng)化作用及崩塌現(xiàn)象。長江流水地質(zhì)作用：江岸沖刷河漫灘、江心洲。

本處共5個觀察點(diǎn)。

（二）老虎山—獅子山—繡球公園路線

地層與巖石：白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖、礫巖、細(xì)砂巖、粉砂巖、下蜀土。構(gòu)造現(xiàn)象：斷層、節(jié)理、層面。斜坡塊體運(yùn)動現(xiàn)象：滑坡、崩塌。巖石風(fēng)化作用現(xiàn)象。長江流水作用：河漫灘。

本處共5個觀察點(diǎn)。

（三）五臺山—清涼山—石頭城路線

地層與巖石：浦口組礫巖、沙礫巖、細(xì)砂巖、粉砂巖、下蜀土。構(gòu)造現(xiàn)象：斷層、節(jié)理、層理。城墻地基穩(wěn)定性。公路斜坡及建筑物邊坡穩(wěn)定性。秦淮河及長江河漫灘平原。

本處共4個觀察點(diǎn)。

（四）棲霞山北長江邊—棲霞寺—山頂

地層：五通組、棲霞組、象山群。巖溶現(xiàn)象：石芽、溶溝、豎井落水洞。河流作用：長江河床、河漫灘。

本處共6個觀察點(diǎn)。

（五）紫金山路線

地層與巖石：三疊系黃馬青群紫紅色質(zhì)砂巖、粉砂巖、泥巖，侏羅系象山群、石英砂巖、長石石英砂巖，輝長巖巖體。構(gòu)造現(xiàn)象：斷層、節(jié)理、層面。地形類型：單面山、山麓面、剝蝕平臺、階地、湖泊。

本處共6個觀察點(diǎn)。

三、野外三維數(shù)字化模型的地質(zhì)應(yīng)用

以南京幕府山、燕子磯、烏龍山一帶為例，這一帶近東西向的幕府山—焦山斷裂在山前通過，并在山體北源形成了一系列陡崖，山體線性影像清晰，可以要求學(xué)生首先在Google Earth上觀察該斷裂的三維影像特征（如圖3所示），并結(jié)合野外實習(xí)點(diǎn)進(jìn)行幕府山—焦山斷裂的遙感解譯。通過Google Earth功能的創(chuàng)建路徑，可沿著斷裂的線性影像特征畫出斷裂位置，并設(shè)置線條的顏色和粗細(xì)。該解譯工作較為簡單，學(xué)生可以輕易完成，解譯過的Google Earth影像見圖4（白色線條為斷裂位置）。

利用Google Earth自帶的高程信息，還可以方便地創(chuàng)建地貌剖面。首先創(chuàng)建一條直線路徑，在路徑的右鍵菜單中選擇“顯示高度配置文件”，則在屏幕上自動生成該路徑的高程剖面。高程剖面上橫坐標(biāo)為距離，縱坐標(biāo)為高程。圖5為一條過南京老山、長江、江心洲、石頭城的路徑（藍(lán)色線條）及其高程剖面。在該剖面上可要求學(xué)生進(jìn)行地貌解譯，標(biāo)明長江河道、河漫灘、一級階地、二級階地、低山丘陵等地貌信息。該地區(qū)河漫灘一般高出江面幾米，一級階地一般高出江面10米，二級階地一般高出江面20～25米。經(jīng)過動手進(jìn)行高程的分析和地貌剖面解譯后，學(xué)生對河流階地、河流對地貌的塑造等概念和地質(zhì)過程都會有更好的理解。

此外，南京老虎山野外實習(xí)點(diǎn)，除了可以觀察第四系下蜀組黃土剖面外，還是一個典型的滑坡體。在野外現(xiàn)場學(xué)生對滑坡體的分布范圍難以獲得認(rèn)識，可要求學(xué)生在Google Earth上對該點(diǎn)的滑坡體范圍進(jìn)行解譯（如圖6所示），以使學(xué)生形成更加直觀的認(rèn)識。

四、Google Earth在野外地質(zhì)實習(xí)應(yīng)用中的問題

首先是關(guān)于經(jīng)緯度信息的獲得問題。在國內(nèi)，Google Earth軟件在手機(jī)上不能使用，而用于獲得經(jīng)緯度信息的手機(jī)APP多種多樣，不同類型的手機(jī)也難以對使用的APP進(jìn)行統(tǒng)一，這就導(dǎo)致學(xué)生往往依賴?yán)蠋熁蛩藖慝@得經(jīng)緯度信息。目前用于手機(jī)的較好的替代軟件為奧維互動地圖，各類手機(jī)都可使用該軟件該軟件自帶Google Earth遙感影像，而且其羅盤功能可獲得經(jīng)緯度信息。值得注意的是，該軟件顯示的經(jīng)緯度信息必須現(xiàn)場記錄，將野外實習(xí)點(diǎn)位置存在奧維互動地圖上后，其記錄的經(jīng)緯度則被人為加偏，并非真實的經(jīng)緯度。

其次，學(xué)生在利用Google Earth制圖時，由于缺乏經(jīng)驗，往往會產(chǎn)生比例尺過大或過小、考察點(diǎn)標(biāo)志不清晰、名稱不正確、線條不清楚等問題，需要在實習(xí)報告編制前向?qū)W生介紹清楚Google Earth主要基本功能的使用、三維影像如何實現(xiàn)、制圖要求等，以使其野外實習(xí)報告的質(zhì)量得以提升。

此外，為了提高學(xué)生對Google Earth的興趣，可向?qū)W生展示從Google Earth上看到的宇宙、雪山、地質(zhì)之美，結(jié)合實際展示Google Earth在工作、生活中的廣泛應(yīng)用。Google Earth不僅是一個實用的工具，還給我們提供了一個從上帝視角觀察地球、觀察所生活世界的機(jī)會：在這里，可以真正體驗到個體之渺小與天地之浩瀚。

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[責(zé)任編輯：龐丹丹]