數字填圖技術與地質野外實踐教學的深度融合

申添毅

中國地質大學（武漢） 地球科學學院，湖北 武漢 430074

野外地質教學實習是地質類專業本科生的必修課程，通過野外實踐，可以使學生鞏固課堂基礎理論知識，初步掌握野外地質工作的基本方法，幫助學生開始構建科學的地質學研究思維體系。特別是大學二年級后開展的綜合地質實習，可以幫助學生掌握區域地質調查的基本方法和步驟，引導學生把抽象的理論知識與實際的地質現象聯系起來，提升同學們觀察問題、分析問題、解決問題的能力，初步培養科研能力和科研精神，為今后的野外及科研工作打下堅實的基礎[1]。因此，各大地質院校均十分注重高質量地完成野外綜合地質實習教學，不斷總結教學經驗、改進教學方法，并引入最新的技術方法（例如數字填圖技術），來提升教學質量。

傳統的野外地質實習教學多采用“灌輸式”模式，即教師手把手教學生如何進行野外描述與記錄，學生根據教師所講內容進行觀察描述、編寫報告[2]。這種方式不利于培養學生的自主學習能力及創新能力。許多高校及教師針對這一問題，開始不斷改革教學方式，包括“以學生為中心”的自主探究模式[1,3]、互動式教學模式[4]，基于OBE理念的教學模式[5]等，力求真正鍛煉和提高學生的地質思維、創新和科研能力。在實際教學過程中最為棘手的問題通常表現為學生初次接觸系統的地質實際，課堂理論如何與野外實際發生聯系，對初學者來說是個挑戰，會顯得有些無所適從。因此不管采用何種教學模式，如何幫助引導學生盡快適應這種結合，使課堂知識點有效融入野外實際，是野外實習教學首要解決的問題，而具有引導功能的數字填圖系統可以在這一過程中發揮重要作用。

2004年以來，數字地質填圖系統在我國區域地質調查工作中開始全面推廣，標志著我國區域地質調查工作進入數字化時代[6-8]。目前這套數字地質填圖系統以地質填圖的空間數據表達為基礎，遵循傳統地質填圖的客觀規律，創造性地建立了PRB數字填圖技術，對地質觀測內容做了非常系統的規范化的條目要求， 使得地質工作者可以在野外全面和準確記錄各項地質觀測數據以及地質體的空間關系[6]。因此，通過學習數字填圖系統的操作流程，可以幫助學生進行野外地質路線及地質內容的觀察和描述，從而掌握野外地質工作的方法。雖然數字填圖系統的教學在多個高校的綜合地質實習中均有所涉及，但是相關教學內容側重于軟件的操作使用[9-12]，導致數字填圖與實踐教學只是在形式上完成了統一[13]，未能在教學中將這套軟件所蘊含的地質思維和方法學真正地讓學生理解，而后者也正是學生們通過野外實習需要了解的核心內容和達到的根本目的。本文基于筆者近些年來野外地質填圖及本科生綜合地質實踐教學的經驗，通過介紹和分析數字填圖系統的野外工作流程及學生在野外實習中出現的常見問題，對數字填圖系統如何提高野外地質綜合實習的教學效果進行了挖掘。

一、數字填圖系統的野外操作邏輯及流程

數字填圖系統遵循傳統地質填圖的方法，將地質體之間的空間關系及屬性信息進行數字化，其核心技術為PRB過程[6]。P過程為地質點（point）過程，指的是在野外對路線中發育的地質界線、重要地質構造或接觸關系等內容進行定點觀測的過程；R過程為分段路線（routing）過程，為兩個地質觀測點之間的實際分段路線描述記錄的過程；B過程為點上或點間界線（boundary）過程，是對地質點上或兩段點間路線之間的地質分界線進行描述的過程。數字填圖系統通過使用實體點、網鏈和全鏈或幾何拓撲環分別對地質點、分段路線和點間界線進行數據建模和組織，實現對野外路線觀測到的各種地質現象進行定義、描述、分類、聚合和歸納，從而將野外地質信息轉化為數字化信息[6]。

從上述可以看出，PRB過程的基本組合規則完整直觀地體現了野外地質工作的基本方法體系（圖1）。地質點P是PRB的核心過程，任何分段路線R過程及點間界線B過程均要隸屬于一個P過程。這相當于傳統野外地質工作中，在野簿上的記錄要以地質點為起始。一個P過程可以包含若干個R過程和B過程，代表了野外地質工作中地質點之間的多個巖性段，以及巖性界線或構造界線的現象。同時對于一個R過程（一個點間分段路線），又可以包含若干個B過程，即分段路線兩端均不是、只有一個或均是地質分界線。若某一點位出現多個巖相界線或多條構造線通過，則可以出現多個B過程。在PRB過程中，產狀、化石、樣品、照片、素描等對象可以在任意過程中進行插入。

圖1 PRB過程野外操作流程（虛線框內為基本工作流程）

在數字填圖系統中，針對PRB過程提供了相應的數據結構，每個要素的數據結構均涵蓋這一過程需要采集的所有信息（表1）。例如，P過程的屬性結構包括點號、點位、露頭性質、風化程度、點性、巖性代號、接觸關系等；R過程的屬性結構則包括路線方位、分段距離等；B過程的數據還需要記錄界線類型、產狀等要素信息。

表1 PRB過程數據采集實體圖層說明及屬性編輯界面

上述PRB地質過程不僅能夠滿足區域地質調查野外數據采集所需要的計算機處理最基本的結構化信息，而且能夠保證地質工作者全面和準確地采集野外觀察信息，而后者也是我們希望通過野外實踐教學能夠讓學生達到的目標。因此，在野外教學中通過借助數字填圖系統，可以使得教學工作更好地開展。

二、數字填圖軟件對野外實踐教學的輔助意義

本科綜合地質認識實習是學生學習地質野外工作方法、初步構建地質工作思維的重要過程。在野外路線教學過程中，借助數字填圖軟件，可以使學生更好地理解和掌握教學內容，從而獲得更好的教學效果，達到事半功倍的作用。該軟件對于野外教學的輔助作用主要表現在以下幾個方面。

1.規范野簿記錄

野簿是專門用來記錄野外地質現象的觀察內容，是野外工作的第一手資料。野簿的記錄應當做到實事求是、條理清楚、信息全面，能夠體現或回溯整個野外的工作進程及觀察到的各種地質現象。在野外教學實踐過程中，學生們在記錄野簿時往往會漏記很多基本信息，例如，在地質點的記錄中缺失點位、露頭、點義、風化程度等信息，在地質界線或斷層界線的描述中忘記測量相關的產狀信息，在點間路線的描述中記錄不連續或信息缺失等。此外，同學們在野外路線中喜歡使用野外照片代替素描，但是在記錄時常常忽略最重要的兩個內容：照片名稱及鏡頭方向（表2）。這些信息都是野外資料收集中的重要的基本信息，其信息缺失往往造成后續室內分析不可彌補的缺憾。而這些內容均是數字填圖系統PRB過程中必須獲取的數據基本屬性信息，因此在學生記錄野簿的過程中，通過借助數字填圖系統在野外定點、畫線，不斷提醒自己每一個地質點或每一條地質界線、分段路線上需要記錄和描述內容的齊全程度，從而規范野簿的記錄，保證記錄的內容的完整和準確。

表2 野外地質教學中學生們普遍存在的相關問題及數字填圖系統的解決方法

2.理清點與點之間的邏輯關系

在野外教學過程中，每當停下來要觀察某一個露頭，學生問得最多的就是“這里需要定點嗎”，也有很多學生弄不清楚“地質點”與“點間點”之間的聯系。在野簿中常會看到學生將點間分段路線的內容與點間界線的內容混在一起，不能很直觀地從野簿的記錄中讀出地質界線的存在及特征，甚至缺失點間界線的信息（表2）。在數字填圖系統中，軟件將一條路線簡化為若干PRB過程的組合，弱化“點間點”的表述，而強調“沿途”（分段路線R）和“點間界線”（B）的概念。這也是更為合理的邏輯關系，兩點之間的內容只需要通過分段路線及其之間的地質界線來聯系（圖1）。在野外路線的觀察過程中，我們一直對學生強調要注意觀察巖性的變化或構造的發育情況，如果出現了巖性的變化，在達不到定新地質點的標準時，就需要用“點間界線”進行分割。在數字填圖系統的操作中，需要首先完成一段R過程（代表走過的這段路線），然后添加B過程（代表所觀察的巖性分界線），而這兩個過程均附屬于上一個點，映射了點與點間之間的邏輯關系。同時，地質點（P）與點間界線（B）之間的分段路線（R）是不可或缺的，否則會產生邏輯上的錯誤。這種設計也可以指導學生的野簿記錄，特別是對點間內容的記錄。在看到點間界線后，需要在野簿中先描述上一段路線沿途所看到的巖石巖性，再記錄點間界線的內容，從而保證通過野簿的記錄可以方便快捷地回溯野外的工作進程。

3.加強產狀、素描等信息的采集

野外工作是地質學研究中最重要最基礎的工作，通過野外調查可以獲取豐富、客觀的地質信息和數據。野外地質體的產狀測量、典型地質現象的照片和素描均是必須采集的重要地質信息。這些素材越豐富，越有利于后期工作的開展，因此必須要通過野外教學，讓學生養成多測產狀、多拍照片、多畫素描的良好習慣。野簿的記錄并不能非常直觀地反映出已測產狀或已有照片素描的位置及數量，借助數字填圖系統的可視化界面，可以很清晰地知曉所獲數據的數量、密度及豐富程度，從而督促學生自己對這些素材進行補充采集，逐漸培養學生的良好野外工作習慣。

4.培養空間方位感

無論是室內教學還是野外教學，良好的空間方位感是學生理解和掌握課程知識的必備技能，然而在教學過程中大部分的學生均暴露出較弱的空間方位判別力。而地質學又是一門與空間方位息息相關的一門學科，因此，通過野外實踐教學培養學生的空間方位感也是一項重要的任務。學生的空間方位感較差主要表現在兩個方面：一是無法迅速辨別東南西北方位，特別是在野外路線沿著山勢盤旋而上時，很難分辨路線的前進方向，從而影響對地質體產狀或延伸狀態的判斷；第二就是很難正確建立地質體產狀的空間方位和空間關系，對不同地質體之間的接觸關系常常不能很好地判斷。這些問題的解決需要借助相關的工具，除了羅盤、手機的定位軟件，特別是導航或地圖軟件可以很好地幫助學生找到所處位置的空間方位，確定自己的運動軌跡，但是這些都不能很好地展示地質體的延伸和空間關系。而數字填圖軟件中可以疊加地質圖、遙感影像圖、地形圖等基礎地形地質圖件，有利于準確標定自己所處位置；同時通過進行PRB過程的操作，可以將所觀察的地質界線繪制在對應的位置，從而更加直觀地掌握地質體的展布特征及不同地質體之間的相互關系，幫助學生理解不同地質體之間的接觸關系。

三、數字填圖軟件應用到野外教學的可行性

近些年來，隨著軟件的開發迭代以及手機操作系統的不斷升級，最新版的數字填圖系統野外數據采集軟件基于Android手機操作系統開發，任何具有GPS和拍照功能的Android系統的手機均可以安裝運行，而且軟件可以在中國地質調查局發展中心官方網站上進行免費下載。2019年，Android系統的手機市場占有率為87%，在學生群體中也受到廣泛的歡迎。因此，基本上大部分學生均可以便捷的在自己的手機上安裝并運行該套軟件。因而，無論是硬件還是軟件都能保證在野外教學中開展相關教學的可行性。同時，該軟件的界面美觀、操作簡單、功能集成度高，無論對于老師教學還是學生學習，均不需要付出過多的時間來學習軟件的操作方法。結合軟件提供的操作手冊，學生可以通過簡單自學與摸索迅速掌握其操作方法與流程。此外，數字填圖軟件手機客戶端與桌面客戶端所使用的文件類型可以通過桌面客戶端軟件一鍵無損轉換，方便后期學生使用電腦瀏覽、修改野外采集的數據和信息。

四、總結

數字填圖系統將野外路線觀測描述的地質現象的復雜過程抽象為PRB過程，實現了野外路線觀測過程的數字化，軟件的操作過程也是對于基礎野外地質工作過程的映射。因此，在地質野外實踐教學過程中，不能簡單將其作為一個軟件工作，而是應當深挖其背后蘊含的地質思維和邏輯，將該系統作為野外地質教學過程中的重要輔助手段，真正使數字填圖與實踐教學做到深度融合，從而幫助學生更好地理解和強化野外地質學研究的方法和流程，規范野簿內容記錄，理清野外工作的思路，加強野外數據的采集，培養空間方位感，從而保證野外教學的質量和效果。數字填圖系統作為較為先進的野外工作技術手段，不僅可以極大地拓展學生的認知領域，還能提高他們自主學習的興趣，激發他們的探索和創新能力。因此，將數字填圖系統軟件引入到野外地質教學中是適應新技術發展的需要，也是時代進步的必然結果。