地球系統(tǒng)科學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)研發(fā)

陳振杰，李滿春，程 亮，王貝貝，陳 東

（南京大學(xué) 地理與海洋科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210023）

地球系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的巨系統(tǒng)，涉及地球內(nèi)部、地表和大氣各圈層。20 世紀(jì)后期以來(lái)，溫室效應(yīng)、全球變暖、森林銳減、物種大量滅絕等重大地球環(huán)境演變問(wèn)題，促進(jìn)地球科學(xué)由分化走向高層次的綜合研究[1]。地球系統(tǒng)科學(xué)研究不同地表圈層之間相互聯(lián)系、相互作用及其過(guò)程。地球系統(tǒng)科學(xué)對(duì)地球系統(tǒng)的分析由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從考慮單一要素到多要素耦合，從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)、從局部到全局乃至全球尺度的數(shù)據(jù)觀測(cè)、模擬[2]。但是，諸多地球現(xiàn)象中，有些不可見(jiàn)、高風(fēng)險(xiǎn)、不可達(dá)，甚至難以想象，給認(rèn)知和理解其特征和規(guī)律帶來(lái)困難[3-4]。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)成為現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)重要手段[4-5]。2017 年，教育部發(fā)布《關(guān)于2017—2020 年開(kāi)展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知》，規(guī)劃到2020 年認(rèn)定1 000 項(xiàng)左右示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目[6]，各類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)快速推進(jìn)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)依托計(jì)算機(jī)、仿真、人機(jī)交互、多媒體、網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)對(duì)象、操作過(guò)程，提供可靠、安全、經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[7-9]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為地球系統(tǒng)科學(xué)提供了一種新的教學(xué)手段，它與野外觀測(cè)、真實(shí)實(shí)驗(yàn)相互補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)難以完成的教學(xué)功能[10]。然而，國(guó)內(nèi)外虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍處在探索階段，地球系統(tǒng)科學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源匱乏，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)難以真實(shí)地反映地學(xué)過(guò)程，難以支撐學(xué)生深入學(xué)習(xí)地學(xué)過(guò)程、機(jī)理[11-12]。

針對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨的問(wèn)題，本文探索了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)體系設(shè)計(jì)、問(wèn)題驅(qū)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)情境設(shè)計(jì)，并以尾礦庫(kù)監(jiān)測(cè)為例，開(kāi)展了地球系統(tǒng)科學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)研發(fā)與實(shí)踐。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)體系設(shè)計(jì)

1.1.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與野外觀測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)合

地球系統(tǒng)科學(xué)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)必須具有非常強(qiáng)的真實(shí)性、現(xiàn)勢(shì)性，要體現(xiàn)虛擬世界與真實(shí)世界的映射關(guān)系，如圖1 所示。因此，地球系統(tǒng)科學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)要建立在大量野外實(shí)習(xí)、野外觀測(cè)的基礎(chǔ)上，充分體現(xiàn)“虛實(shí)結(jié)合”。通過(guò)野外觀測(cè)，獲取大量實(shí)地觀測(cè)與真實(shí)性檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，為地球系統(tǒng)科學(xué)虛擬仿真提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。對(duì)野外觀測(cè)的多源數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析、解譯，在專業(yè)知識(shí)和地學(xué)分析模型的支撐下，建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可以先通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)了解地學(xué)現(xiàn)象、地學(xué)過(guò)程，再到重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行實(shí)地觀測(cè)、驗(yàn)證結(jié)果，并積累新的觀測(cè)數(shù)據(jù)用于完善虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。

圖1 虛實(shí)結(jié)合的地球科學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.1.2 多層次虛擬仿真實(shí)驗(yàn)體系

地球系統(tǒng)科學(xué)涉及的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多，有必要構(gòu)建相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)體系，如圖2 所示。該實(shí)驗(yàn)體系既要合理區(qū)分虛擬實(shí)驗(yàn)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)，也要能夠符合學(xué)生循序漸進(jìn)的認(rèn)知規(guī)律。因此，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)體系應(yīng)按照“接觸→融入→貫通→創(chuàng)新”4 個(gè)階段進(jìn)程，采用從易到難、循序漸進(jìn)的方式設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。“接觸”階段以虛擬仿真體驗(yàn)為主，目的是讓學(xué)生了解地球系統(tǒng)的現(xiàn)象，理解重要知識(shí)點(diǎn)。“融入”階段以綜合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為主，幫助學(xué)生探索地球系統(tǒng)的過(guò)程機(jī)理、分析方法。“貫通”階段以主題虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為主，重在引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用專業(yè)知識(shí)進(jìn)行主題學(xué)習(xí)、綜合應(yīng)用、實(shí)驗(yàn)研發(fā)。“創(chuàng)新”階段以研發(fā)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)為主，旨在培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新能力，鼓勵(lì)學(xué)生開(kāi)展創(chuàng)新研究，并將成果融入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，并最終將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容轉(zhuǎn)化為科研成果。在這4 個(gè)階段中，通過(guò)興趣引導(dǎo)、技能訓(xùn)練、平臺(tái)支撐、項(xiàng)目實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)科教融合、教研相長(zhǎng)。

圖2 地球系統(tǒng)科學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)體系

1.2 問(wèn)題驅(qū)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)情境設(shè)計(jì)

1.2.1 實(shí)驗(yàn)情境創(chuàng)設(shè)

實(shí)驗(yàn)情境是現(xiàn)象認(rèn)知、知識(shí)學(xué)習(xí)、應(yīng)用體驗(yàn)、創(chuàng)新探索等的重要載體。在實(shí)驗(yàn)情境中，學(xué)生能夠分析并確定問(wèn)題，自主學(xué)習(xí)解決問(wèn)題的方法，開(kāi)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)解決問(wèn)題，得到總結(jié)評(píng)價(jià)結(jié)果。地球系統(tǒng)科學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)情境以真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和地學(xué)過(guò)程為基礎(chǔ)，使學(xué)生產(chǎn)生直觀的感性認(rèn)識(shí)，有助于引發(fā)學(xué)生的探究興趣。因此，地球系統(tǒng)科學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)情境應(yīng)緊扣實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)，營(yíng)造以興趣引導(dǎo)知識(shí)發(fā)現(xiàn)、以問(wèn)題驅(qū)動(dòng)知識(shí)應(yīng)用的教學(xué)氛圍。

實(shí)驗(yàn)情境應(yīng)具有典型的地理場(chǎng)景、滿足實(shí)驗(yàn)要求的數(shù)據(jù)資料、展現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)的應(yīng)用實(shí)例。在地球系統(tǒng)科學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)情境設(shè)計(jì)時(shí)，首先要梳理不可見(jiàn)、野外觀察有高風(fēng)險(xiǎn)、不可達(dá)、甚至難以想象的地學(xué)知識(shí)難點(diǎn)與重點(diǎn)，并按照知識(shí)點(diǎn)的內(nèi)在聯(lián)系歸類。然后，對(duì)各類知識(shí)點(diǎn)，以真實(shí)野外實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景為基礎(chǔ)，篩選有典型性、代表性、趣味性的應(yīng)用案例。最后，對(duì)相似的、有關(guān)聯(lián)的地理場(chǎng)景、應(yīng)用案例進(jìn)行綜合、優(yōu)化，創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境。

圖3 所示為基于體驗(yàn)式情境教學(xué)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程示例。

圖3 基于體驗(yàn)式情境教學(xué)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

在實(shí)驗(yàn)情境創(chuàng)設(shè)的基礎(chǔ)上，需要對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)、地理場(chǎng)景、應(yīng)用案例進(jìn)行細(xì)化，進(jìn)一步設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)明確知識(shí)講解、操作示范、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)、結(jié)果反饋、學(xué)習(xí)評(píng)估等方面的具體內(nèi)容、實(shí)施路徑。

（1）知識(shí)講解。對(duì)實(shí)驗(yàn)涉及的背景知識(shí)、重要概念、理論方法等進(jìn)行講解，便于學(xué)生更好地自主學(xué)習(xí)和理解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

（2）操作示范。對(duì)重要環(huán)節(jié)的操作方法、注意事項(xiàng)等進(jìn)行演示，提升學(xué)生專業(yè)技能。

（3）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。明確實(shí)驗(yàn)中所采用的數(shù)據(jù)類型、格式、精度、語(yǔ)義等。

（4）實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。梳理從數(shù)據(jù)到產(chǎn)生結(jié)果所需要的分析處理步驟，按照適當(dāng)?shù)牧６龋瑢⑵鋭澐譃槎鄠€(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。每個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)通過(guò)一定數(shù)量的操作步驟完成。

（5）結(jié)果反饋。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，系統(tǒng)及時(shí)將操作提示、錯(cuò)誤分析、實(shí)驗(yàn)結(jié)果等反饋給學(xué)生，便于學(xué)生快速提升實(shí)驗(yàn)技能。

（6）學(xué)習(xí)評(píng)估。實(shí)驗(yàn)完成后，對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行全面評(píng)估，分析薄弱知識(shí)點(diǎn)和專業(yè)技能，為學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)指引方向。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)研發(fā)案例

尾礦庫(kù)是貯存礦山尾礦的場(chǎng)所，尾礦壩則是尾礦庫(kù)外圍的壩體構(gòu)筑物。在金屬礦提煉過(guò)程中，往往會(huì)使用一些污染環(huán)境的化學(xué)試劑。尾礦壩一旦潰壩，將對(duì)下游生態(tài)環(huán)境造成重大影響[13]。本研究選擇新疆伊犁阿希金礦為研究對(duì)象，研發(fā)尾礦庫(kù)監(jiān)測(cè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，為學(xué)生學(xué)習(xí)地理數(shù)據(jù)采集、三維場(chǎng)景構(gòu)建、尾礦庫(kù)變化監(jiān)測(cè)、污染水體擴(kuò)散等提供支撐。

2.1 尾礦庫(kù)監(jiān)測(cè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)架構(gòu)

尾礦庫(kù)監(jiān)測(cè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基于Unity 3D 開(kāi)發(fā)，如圖4 所示，系統(tǒng)采用3 層架構(gòu)：數(shù)據(jù)層、平臺(tái)層、應(yīng)用層。數(shù)據(jù)層主要是對(duì)仿真可視化所需的數(shù)據(jù)進(jìn)行接入、處理、存儲(chǔ)管理等操作。數(shù)據(jù)類型既包括遙感影像、植被、樹(shù)木等地理場(chǎng)景數(shù)據(jù)和建筑物、車輛、無(wú)人機(jī)等三維模型數(shù)據(jù)，也包括水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、無(wú)人機(jī)路徑數(shù)據(jù)等。平臺(tái)層為應(yīng)用層提供GIS 數(shù)據(jù)處理、地學(xué)定量分析、虛擬仿真等基礎(chǔ)功能。應(yīng)用層提供尾礦庫(kù)虛擬場(chǎng)景構(gòu)建、礦區(qū)三維漫游、礦區(qū)和大壩變化監(jiān)測(cè)、污染水體擴(kuò)散等業(yè)務(wù)功能。

尾礦庫(kù)監(jiān)測(cè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口和模型接口。（1）數(shù)據(jù)接口。尾礦庫(kù)監(jiān)測(cè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)涉及多種地理數(shù)據(jù)、實(shí)體模型數(shù)據(jù)。為便于管理和共享，系統(tǒng)規(guī)定了每類數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)格式，并提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)交換接口。高精度地形數(shù)據(jù)、地表紋理利用無(wú)人機(jī)觀測(cè)的LiDAR 點(diǎn)云和高分辨率遙感影像生成，以GeoTiff 格式存儲(chǔ)。礦區(qū)建筑物、植被、樹(shù)木、車輛、無(wú)人機(jī)等三維模型在3DS Max 等軟件中建模，以fbx 格式存儲(chǔ)。無(wú)人機(jī)路徑、監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)等矢量數(shù)據(jù)以GeoJson 格式存儲(chǔ)。（2）模型接口。尾礦庫(kù)監(jiān)測(cè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)需要地理數(shù)據(jù)處理、污染水體擴(kuò)散等領(lǐng)域?qū)I(yè)模型的支撐。因此，系統(tǒng)必須預(yù)留模型接口，便于調(diào)用專業(yè)模型。尾礦庫(kù)監(jiān)測(cè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用進(jìn)程方式管理、調(diào)用專業(yè)模型，且專業(yè)模型的輸入輸出數(shù)據(jù)格式必須符合數(shù)據(jù)接口規(guī)范，以便實(shí)現(xiàn)無(wú)縫銜接。

圖4 尾礦庫(kù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.2 主要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

（1）尾礦庫(kù)虛擬場(chǎng)景構(gòu)建。尾礦庫(kù)虛擬場(chǎng)景構(gòu)建旨在讓學(xué)生掌握尾礦庫(kù)虛擬地理場(chǎng)景構(gòu)建的數(shù)據(jù)處理、建模過(guò)程。學(xué)生可以利用阿希金礦區(qū)LiDAR 點(diǎn)云、高分辨率遙感影像、數(shù)字高程影像（DEM）等數(shù)據(jù)，構(gòu)建庫(kù)區(qū)三維地理場(chǎng)景。學(xué)生可以利用實(shí)體模型庫(kù)中的或?qū)胱约航⒌慕ㄖ铩?shù)木、道路等地物模型，對(duì)尾礦庫(kù)場(chǎng)景進(jìn)行編輯，形成新的尾礦庫(kù)虛擬場(chǎng)景，如圖5 所示。

（2）礦區(qū)三維場(chǎng)景漫游。礦區(qū)三維場(chǎng)景漫游主要讓學(xué)生了解阿希金礦區(qū)地貌、礦區(qū)設(shè)施和尾礦空間分布。學(xué)生可以通過(guò)步行、開(kāi)車、無(wú)人機(jī)3 種人機(jī)交互方式在礦區(qū)三維場(chǎng)景中漫游，總體了解礦區(qū)地貌、礦區(qū)設(shè)施空間分布，也可以設(shè)定漫游路線，自動(dòng)漫游瀏覽礦區(qū)場(chǎng)景，如圖6 所示。在漫游過(guò)程中，可詳細(xì)了解重要設(shè)施的功能、尾礦的產(chǎn)生過(guò)程和主要特征。

圖5 尾礦庫(kù)虛擬場(chǎng)景構(gòu)建

圖6 礦區(qū)三維場(chǎng)景漫游

（3）應(yīng)急信息數(shù)據(jù)采集。應(yīng)急信息數(shù)據(jù)采集主要讓學(xué)生學(xué)習(xí)應(yīng)急情況（如潰壩等災(zāi)害發(fā)生）下快速采集局部地理信息、監(jiān)測(cè)水體質(zhì)量的方法。學(xué)生可以根據(jù)需要，規(guī)劃無(wú)人機(jī)飛行路徑，無(wú)人機(jī)按照規(guī)劃的路徑采集地表覆被、LiDAR 點(diǎn)云，如圖7 所示；也可以按照預(yù)設(shè)路徑或通過(guò)人機(jī)交互方式，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，如圖8 所示。水體質(zhì)量監(jiān)測(cè)通過(guò)水樣采集、樣本化驗(yàn)、結(jié)果分析，讓學(xué)生了解尾礦庫(kù)水體質(zhì)量監(jiān)測(cè)的主要指標(biāo)、數(shù)據(jù)采集和分析方法。

圖7 無(wú)人機(jī)飛行路徑規(guī)劃

圖8 尾礦庫(kù)應(yīng)急信息采集

（4）尾礦庫(kù)變化監(jiān)測(cè)。尾礦庫(kù)變化監(jiān)測(cè)主要讓學(xué)生掌握尾礦庫(kù)變化監(jiān)測(cè)的內(nèi)容及方法，包括礦區(qū)地形變化分析、尾礦庫(kù)大壩變形監(jiān)測(cè)，如圖9 所示。礦區(qū)地形變化分析通過(guò)對(duì)比不同時(shí)期無(wú)人機(jī)采集的LiDAR 點(diǎn)云，分析發(fā)生變化的區(qū)域、變化量。尾礦庫(kù)大壩變形監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)分析GNSS 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)，識(shí)別大壩變形的位置和大小。

圖9 尾礦庫(kù)變化監(jiān)測(cè)

（5）污染水體擴(kuò)散模擬。污染水體擴(kuò)散模擬幫助學(xué)生了解污染水體擴(kuò)散過(guò)程，支撐學(xué)生開(kāi)展污染水體擴(kuò)散的創(chuàng)新探索，可以根據(jù)設(shè)置降雨大小、降雨范圍、水體污染程度、模擬模型等參數(shù)，展現(xiàn)不同條件下污染水體擴(kuò)散情況，如圖10 所示。學(xué)生可以自主研發(fā)污染水體擴(kuò)散模擬模型，通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的模型調(diào)用接口、數(shù)據(jù)接口，將自主研發(fā)模型接入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，拓展污染水體擴(kuò)散模擬能力。

圖10 污染水體擴(kuò)散模擬

3 結(jié)論

針對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨的教學(xué)資源匱乏、學(xué)生難以深入探索地學(xué)過(guò)程機(jī)理等問(wèn)題，本文探索了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)體系設(shè)計(jì)、問(wèn)題驅(qū)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)情境設(shè)計(jì)，并以尾礦庫(kù)監(jiān)測(cè)為例，開(kāi)展了地球系統(tǒng)科學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)研發(fā)與實(shí)踐。主要結(jié)論如下：

（1）地球系統(tǒng)科學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)要充分體現(xiàn)“虛實(shí)結(jié)合”。地球系統(tǒng)科學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)要建立在大量野外實(shí)習(xí)、野外觀測(cè)的基礎(chǔ)上，以這些真實(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)、專業(yè)知識(shí)和地學(xué)分析模型為支撐，輔之以虛擬仿真技術(shù)，充分體現(xiàn)“虛實(shí)結(jié)合”的原則。

（2）地球系統(tǒng)科學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，需要地理信息技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)與地學(xué)定量分析方法更緊密、更高效地融合。地球是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，地球系統(tǒng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)上至大氣圈、下至巖石圈，時(shí)間范圍上涵蓋了過(guò)去、現(xiàn)在、未來(lái)多個(gè)時(shí)期。面對(duì)地球復(fù)雜巨系統(tǒng)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要整合多學(xué)科研究力量，開(kāi)展跨學(xué)科協(xié)作，培養(yǎng)綜合性研究人才。

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