基于數字地質調查技術的野外地質教學實習模式改革

0 引言

區(qū)域地質調查是地質工作中有戰(zhàn)略意義的綜合性基礎工作，往往是衡量一個國家地質工作和地質科學水平的標志[1-4]。地質高校地質專業(yè)學生掌握區(qū)域地質調查方法是一項重要的基本技能[5]。早在20世紀80年代，歐美國家的地質高校中，掌握地質填圖技能的學生已成為彌補地質調查機構人員不足的主要群體[6]。我國地質高校已普遍為地質專業(yè)學生開設夏季野外地質教學實習，系統傳授區(qū)域地質調查方法，包括路線調查、實測剖面、地質填圖等幾個重要單元。

隨著計算機技術、導航技術和移動終端技術的不斷發(fā)展，數字化與信息化已成為地質行業(yè)的發(fā)展趨勢[7]。2010年，中國地質調查局發(fā)展研究中心在已有工作成果的基礎上，成功研發(fā)了數字地質調查系統。該系統最大的特點在于實現了無紙化地質調查和實時GPS定位，并具備可視化地質調查數據的獲取、存儲與管理功能，從根本上改變了地質調查成果的表達和存儲方式[8]。同時，該系統能夠隨時隨地查閱已數字化的地質要素規(guī)范化信息，實現數據共享與交流，極大地改變了區(qū)域地質調查的傳統模式，滿足了數字化地質調查的需求。隨著數字地質調查技術的不斷發(fā)展與完善，目前該技術已廣泛應用于區(qū)域地質調查領域，國內從事相關工作的單位普遍采用數字地質調查方法開展野外工作。因此，地質高校野外地質教學實習引入數字地質調查技術勢在必行。這不僅能夠有效培養(yǎng)學生的實踐操作能力，還能顯著提升他們的整體競爭力，更好地滿足就業(yè)市場的需求。

然而，目前大部分地質高校的野外地質教學實習仍然沿用傳統的區(qū)域地質調查方法，實習過程中，不同專業(yè)的授課教師普遍采用一對多的教學模式，即實習學生集中學習、觀察并記錄教師所介紹的典型地質現象。這種模式已成為大多數地質高校的常規(guī)做法，但該模式存在以下不足：1）授課教師因專業(yè)和研究方向不同，在授課過程中難免會教學側重點不同，難以保證教學內容的統一性和規(guī)范性；2）實習學生由于基礎知識掌握程度和對典型地質現象理解程度存在差異，在一對多的教學模式下，很難根據自身能力和興趣進行選擇性學習。這些問題在一定程度上阻礙了野外地質教學質量和學生自主實踐能力的提升，因此，地質高校野外地質教學實習模式亟待改革。

1數字地質調查的基本原理

數字地質調查經過中國地質調查局近20年的研發(fā)和利用，目前已經非常成熟。數字地質調查主要應用計算機、GPS、GIS、RS等多項軟件與技術對地質調查過程中產生的影像、文字與數據進行詳細記錄、分類整理、入庫、編輯、處理分析和成果輸出[9-10]；簡而言之，就是原始資料的數字化過程，最后實現資料的綜合利用。

2數字地質調查的基本流程

數字地質調查的軟件平臺主要包括數字地質調查系統（DGSS，PE端）和數字地質填圖系統（RGMap，Android端）。主要流程包括軟件安裝與環(huán)境配置、背景圖層準備、組織圖幅工程、新建野外手圖、數據采集與整理、圖幅PRB庫操作、實際材料圖操作、編稿原圖操作、空間數據庫操作[11]，如圖1所示。

2.1軟件安裝與環(huán)境配置

數字地質調查系統（DGSS，PE端）硬件環(huán)境是非常開放的，Windows 7/8/10/11 均可安裝；數字地質填圖系統（RGMap，Android端）硬件環(huán)境同樣低要求，掌上機設備只要滿足Android2.2以上版本操作系統，設備屏幕多點觸摸即可。

數字地質調查系統（DGSS，PE端）環(huán)境的配置只要在安裝軟件過程中保持默認即可，無需過多操作；數字地質填圖系統（RGMap，Android端）安裝完成后，必須賦予軟件獲取定位，讀取和寫入照片權限。

2.2背景圖層準備

背景圖層準備包括資料收集和數據配準兩個部分。資料收集包括地質圖件、地形圖件、遙感影像等一系列矢量圖件和位圖，數據配準的目的是將收集的所有資料統一地圖參數，獲取正確的空間位置，確定新建圖幅工程的地圖參數。數據配準的常用方法包括生成標準圖框、數據轉換、投影變換、誤差校正。生成標準圖框的目的是確定統一的地圖參數，保證正確空間位置，建立“標桿”；數據轉換可以將不同類型矢量數據統一到DGSGIS文件類型；投影變換是將不同地圖參數矢量數據變換為統一地圖參數的過程；誤差校正是將掃描圖、航空影像等位圖（無地圖參數）校正到標準圖框的過程。

2.3 組織圖幅工程

在數據配準完成后，可以根據地質填圖比例尺組織圖幅工程，后期相應的地質工作內容（如設計路線、剖面，編輯路線、剖面等）均在對應的圖幅工程內完成。

2.4新建野外手圖

新建野外手圖即為設計、新建路線過程，野外路線數據的采集主要在設計好的路線框架下完成。設計路線時要充分考慮地質圖主要構造行跡的展布方向和地形特征，最大限度地穿越各地質體并保證最節(jié)省體力，從而合理高效地開展地質填圖。

2.5數據采集與整理

數據的采集包括路線數據采集和剖面數據采集。數據采集過程中，GPS可保證地質信息采集的精度。

路線數據采集主要是在設計路線基礎上，進行地質信息的數字化，包括地質點、點間路線、地質界線、樣品、產狀、照片、素描、化石等。剖面數據采集包括導線、分層、樣品、產狀、化石、照片、素描等。

數據的整理包括路線數據整理和剖面數據整理。路線數據整理主要是將各地質信息按照指定的參數進行賦值，保證格式的統一和規(guī)范，完成程序化錯誤檢查和路線小結的編寫。剖面數據整理主要是錄入剖面數據，室內分層，剖面圖、柱狀圖的繪制，完善剖面小結。

2.6 圖幅PRB庫操作

將整理好的路線數據和剖面數據進行統一入庫，在圖幅工程內瀏覽全部的地質信息，為實際材料圖操作進行鋪墊；同時完成樣品管理，將不同類別的樣品進行統一分類、送樣，并錄入最終檢測結果。

2.7 實際材料圖操作

實際材料圖操作主要是地質連圖過程，根據地質綜合分析和\"V\"字形法則由新到老連接地質界線，檢查連圖的合理性，并進行拓撲，標注地質代號。

2.8 編稿原圖操作

編稿原圖操作是繪制地質圖的過程，需嚴格按照地質圖的規(guī)范完成所有圖面清繪工作，制作的編稿原圖要達到地質圖的出版要求。

2.9 空間數據庫操作

空間數據庫操作是把編稿原圖的地質面文件、地質線文件、樣品、產狀、照片等文件的空間和屬性信息自動繼承到空間數據庫規(guī)定的各個對應的要素類和對象類中，并完善相應的屬性內容。

3野外地質教學實習模式改革：以柳江盆地野外地質教學實習為例

柳江盆地清晰地記錄著太古代、元古代、古生代、中生代、新生代的地質演化歷史遺跡，保留著由呂梁運動、薊縣運動、加里東運動、海西運動、印支運動和燕山運動所形成的六大不整合面；盆地內露頭發(fā)育、地層完整、界線清楚、巖類齊全、化石豐富、構造典型，被公認為“天然地質博物館”，為多所地質高校野外地質教學實習場所。

野外地質教學實習模式改革擬選取柳江盆地內的典型調查路線進行數字化，構建標準化、規(guī)范化、可視化、共享化的調查路線數據模塊，并將數據模塊應用到野外地質教學實習中。數據模塊不僅可供不同專業(yè)的授課教師進行參考，減少野外備課時間，統一地質認識，保證教學過程的統一性和規(guī)范性，而且能供基礎不同的學生提前預習實習內容，并在集中聽講后，根據自己的興趣進行補充性學習，保證學習過程的主動性和選擇性。在野外地質教學實習過程中，數據模塊可不斷更新與完善，并逐步推廣應用。

3.1數據模塊的數字化過程

基于數字地質調查技術，在野外使用數字地質填圖系統（RGMap，Android端）采集典型調查路線的標準化、規(guī)范化地質信息，即采集PRB數據信息。“P”代表地質點，在典型巖性控制點或界線點準確定位，并完善屬性內容，重點記錄地層時代，巖石名稱，接觸關系，巖性描述，化石種屬，礦化蝕變，構造樣式，演化歷史等；“R”代表點間路線，通過GPS實時記錄行進路徑，完善屬性內容，重點記錄地形地貌，巖石組合，結構構造的變化情況和典型地質現象；“B”代表地質界線，在界線點處依據地層界線走向添加，完善相關屬性，記錄兩側地質體地層時代和巖石名稱，重點介紹接觸關系類型和判別依據。在完成PRB數據信息的同時，對典型照片、樣品、產狀、素描、化石等進行實時定位，并拍攝、采集和記錄。在室內，將采集的數據導入數字地質調查系統（DGSS，PE端），整飾和完善屬性內容，并完成信手剖面的生成和清繪，編寫路線小結，最終形成標準化、規(guī)范化、可視化的調查路線數據模塊。

3.2 數據模塊的應用

由于數字地質填圖系統在Android系統的終端設備（手機）內幾乎都能使用，同時，該系統可以隨時隨地查閱已數字化的地質信息，因此，將構建的典型路線數據模塊轉化成Android格式便可實現數據的共享與交流。野外地質教學實習過程中，授課教師可以根據GPS實時定位功能準確找到典型地質點，并結合標準化、規(guī)范化的PRB屬性內容展開授課，不會出現因專業(yè)不同而教學側重點不同的現象，保證教學內容的統一性和規(guī)范性；實習學生在集中聽講后，利用GPS定位功能，根據自己的理解能力和學習興趣，參照已數字化的照片、樣品、產狀、素描、化石等各種典型現象點去選擇性地自主觀察，實現學習的主動性和選擇性，提高自主實踐能力。

3.3數據模塊的推廣

柳江盆地優(yōu)越的地質條件吸引了眾多地質高校將其選為野外地質教學實習場所，不同的地質高校都具有自己獨特的教學路線和教學方法。鑒于數字地質調查技術的優(yōu)勢，數字化野外地質教學實習模式完全可以推廣至各個地質高校，不同的地質高校根據自己的教學特點構建數據模塊，實現教學內容和教學方法的共享與交流，在相互學習和借鑒的前提下，推動野外地質教學實習質量的提高。

4結束語

隨著社會的發(fā)展和技術的進步，數字化已經成為時代的一種趨勢，地質高校野外地質教學實習模式數字化改革有待進一步推廣。數字地質調查技術的優(yōu)勢是能夠構建野外地質教學實習標準化、規(guī)范化、可視化、共享化的數據模塊。數字化野外地質教學實習不僅能夠保證教師授課的統一性、規(guī)范性，同時也能充分激發(fā)學生學習的主動性和選擇性。此外，數字化的數據模塊有利于共享和交流，推動野外地質教學實習質量的提升，促進學生自主實踐能力的發(fā)展，進而為社會培養(yǎng)更多高素質的應用型人才。

5 參考文獻

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