高陡岩体地质虚拟实景教学方法研究

［摘 要］ 实景虚拟现实技术在地质工程现场三维实景再现中发挥了至关重要的作用，极大丰富了高陡岩体工程地质实习的教学方式与内容，形成了“认知—考察—实训—反馈”高度一体化的虚拟仿真实验教学体系。学生可通过高度仿真的三维实景，深入认知地质结构特点；结合数字测量技术，开展地质数据编录；通过分析评价与实验报告等环节，全方位、多角度地研究与探讨地质工程。与传统野外实习相比，虚拟仿真实景实习具有可操作化、可重复化、可拓展化的特点，极大地延伸了实习教学的时间与空间；同时可反复操作与实验，加深学生对知识的理解与掌握。

［关键词］ 工程地质野外实习；虚拟仿真实验；虚拟实景；实习教学改革

［基金项目］ 2023年度江苏省自然科学基金项目“岩石节理的主动超声成像和界面全局表征研究”（BK20230335）；2023年度南京工业大学高等教育教学改革研究课题“岩体地质实习的虚拟实景教学方法研究”（20230149）

［作者简介］ 王鹏宇（1994—），男，江苏泰州人，博士，南京工业大学交通运输工程学院讲师，主要从事虚拟仿真实验教学与软件开发研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）35-0133-04 ［收稿日期］ 2023-09-18

引言

在水利水电、矿山开采、公路铁路等大型工程中，高陡岩体地质作为一种常见的工程结构，其自身的稳定性制约着工程的安全，对其安全性评价分析具有重要意义［1-2］。为了培养学生在这一领域的专业素养和实践能力，针对土木工程类、地质工程类、交通工程类等专业方向的本科生开设了“工程地质实习”这一核心专业课程。该课程通过理论教学与实践操作相结合的方式，旨在帮助学生全面深入地了解工程地质学的基本理论和方法，培养他们在实际工程问题中运用所学知识进行安全性评价分析的能力。

在涉及高陡岩体地质实习测量的传统方法中，罗盘仪是一种广泛应用的工具。它的显著优势在于轻巧便携、原理直观易懂以及操作简便快捷。然而，在实际操作中，通常须要直接接触待测地点，对于具有复杂工程地质特性的高陡岩体来说，这种近距离接触无疑带来了很大的安全风险［3-4］。除了安全方面的问题，岩体地质实习面临着诸多挑战和困难。其中，典型地质实习场地的稀缺是一个突出问题。很多实习场地由于地质现象不典型或者时间安排上难以保障，无法为学生提供有效的学习机会。此外，实习的组织常常受到天气、参与人数以及路程远近等多种因素的制约，给实习的顺利进行带来不小阻碍。在实习安全保障方面，高陡岩体的工程风险较高，而学生普遍缺乏必要的安全意识，同时指导教师人数有限，使得实习过程中的安全保障工作变得尤为困难。另外，实习经费也是不容忽视的问题，包括食宿、交通以及器材等费用，常常给学校和学生带来经济压力。更为关键的是，当前的实习效果并不尽如人意。在实习过程中，一些学生往往是听讲解多而实际操作少，无法深入理解和体验地质工程实践的真谛。这种走马观花式的实习方式，很难真正达到提升学生实践能力和专业素养的目的。

综上所述，针对目前高陡岩体地质工程现场实践存在的诸多问题，亟须探索一种新型的实习模式。随着科技的发展，无人机技术逐渐进入实习实践应用范畴。本文提出利用无人机对高陡岩体地质进行连续摄影，采集数据信息，并导入虚拟仿真实景设备，拓展学生的实习方式；同时，联合工程企业，追踪最新典型工程，提供多种典型高陡岩体地质三维数字虚拟场景。虚拟实景实习模式不仅能够达到较好的实习效果，确保学生的安全，同时能够突破地质条件的限制，为学生提供更加广阔的学习空间和实践机会。

一、教学要求

工程地质实习要求学生能够熟练识别和认知各种工程地质现象，包括但不限于地层、岩石类型、构造形态等。此外，学生须掌握工程地质野外测量的基本方法和技巧，能够独立完成地质调查工作，包括野外踏勘、地质采样、观测记录等［5-6］。

在教学内容方面，注重知识点的系统性和完整性。首先，学生须要掌握地质构造特征基本概念，了解地壳运动规律和机制。其次，学生须要学习地质结构面类型的识别和分类，理解不同结构面对工程稳定性的影响。同时，结构面成因特征、受力性质以及岩体结构类型等是教学中的重要内容。在技能培养方面，须特别强调学生对地质罗盘的使用和理解。学生须要掌握地质罗盘的基本构造和使用方法，能够在野外准确测量岩层产状、走向和倾向等关键信息。此外，还须了解结构面信息产状、迹长、连续性、间距、张开度等基本概念，并能够在实践中准确应用。

在教学方法上，注重理论与实践相结合。除了传统的课堂讲授外，采用了地质编录、三维网络模拟等现代技术手段，以帮助学生更好地理解和掌握工程地质知识。通过极射赤平投影分析法等先进方法的学习和应用，学生能够更加准确地分析工程地质问题并判断工程稳定性。同时，要注重培养学生的综合素质和创新能力。在实习过程中，鼓励学生积极参与讨论和思考，提出自己的见解和解决方案。通过团队协作和互动交流，学生的综合素质和创新能力能够得到有效提升。工程地质实习不仅为学生提供了系统的工程地质知识，更通过实践教学的方式培养了学生的实际操作能力和问题解决能力。对于学生未来在工程领域的发展具有重要的促进作用。

二、教学模块

依据工程地质实习教学要求，建立以下教学模块。

教学模块1（认知环节）：地质观察。以岩体工程地质环境的三维实景虚拟技术为依托，实现高陡岩体地质认知。

教学模块2（考察环节）：数字测量。以局部岩体结构面露出区为对象，以岩体结构三维实景模型为支撑，实现岩体地质测量操作与训练。

教学模块3（实训环节）：现场编录。以测线法与测窗法为基本方法，以区域岩体结构特征的三维虚拟实景建模为背景，以虚拟现实技术为手段，实现面向工程实践的虚拟地质编录与结构面统计的一系列实践环节训练。

教学模块4（实训环节）：分析评价。以地质编录与结构面统计为基础，以评价岩体工程的工程地质稳定性为目标，以虚拟现实技术为手段，实现面向工程实践的工程地质稳定性分析的一系列实践环节训练。

教学模块5（反馈环节）：实验报告。提供在线评分、考核与教辅机制，记录所有的学习实践内容与教学考评，并给出标准答案供学生参考，反馈学生在前面4个模块认知、考察与实训环节中的教学效果，使学生能够通过教学反馈反复开展虚拟实训，达到提高实习教学质量的效果。帮助学生通过实习教学，加强课程教学中对基本概念、基础理论的掌握与运用实践能力。

三、技术实现

为了构建基于虚拟实景技术的高陡岩体地质工程实习资源库，应基于无人机技术，开展高陡岩体地质数据采集。首先在地面进行控制点选取，试飞无人机，对测量物体进行多角度拍摄；接着将拍摄照片导入Agisoft photoscan中进行集成、影像拼接、冗余判断，经算法生成超高密度的点云模型，并对纹理进行修正以及模型的精细化处理，提取出三维点坐标，同时对测得数据进行坐标系转换；最后进行结构面的拟合。实现岩体地质信息高精度、高效率的获取。

在通过无人机采集数据建立三维模型后，计算结构面的倾向倾角，同时采用新型分类方法对结构面数据进行分组，分析不同概率分布的结构面产状形式下岩体地质关键块体的稳定性，并通过神经网络实现岩体地质位移监测预警。经过详尽的处理与精细的编辑，导入虚拟仿真实景设备，还原出高陡岩体地质实景。这种实习方式不仅突破了传统实习方式的限制，使学生能够随时随地进行实践学习，而且大大提高了实习的效率和质量。同时，由于在虚拟环境中进行实习，学生的安全也得到了充分的保障。未来将继续探索虚拟现实技术在岩体地质教学和研究中的应用，不断完善和优化虚拟仿真实景设备的功能与性能，为学生提供更加优质的学习体验和实践机会。

四、虚拟实景实习步骤

精心设计了以下五个核心环节，以此构建“认知—考察—实训—反馈”一体化的岩体工程地质实习教学体系。第一个是地质观察环节。在这一环节中，学生能够通过虚拟现实技术，深入观察三维实景中的地质构造、岩石类型等关键要素，从而建立起对地质现象的基本认知。第二个是数字测量环节。学生可以利用虚拟环境中的数字罗盘和皮尺等工具，进行精确的测量和记录，这既锻炼了学生的测量技能，又保证了测量数据的准确性和可靠性。第三个是现场编录环节。学生须要根据在虚拟环境中观察到的地质现象和测量数据，进行详细的现场编录工作。这一环节旨在培养学生的记录能力和分析思维，使其能够系统地整理和分析地质资料。第四个是分析评价环节。学生须要运用所学知识，对虚拟环境中的地质现象进行深入的分析和评价。这不仅有助于巩固和深化学生对岩体工程地质特征的理解，而且能提升其分析问题和解决问题的能力。第五个是实验报告环节。在完成一系列实习任务后，学生须撰写实验报告，总结在实习过程中的收获和体会。这既是对实习成果的展示，也是对学生综合能力的考验。

虚拟实景实习平台的具体操作步骤有六步。第一步：登录“岩体工程地质实习虚拟仿真”网址，点击“开始实习”，选择所需模块：地质观察、数字测量、现场编录、分析评价、实验报告。第二步：地质观察——认识实验。进入“岩体工程地质实习虚拟仿真”主界面，选择岩体工程类型，进入不同岩体工程所对应的三维虚拟实景环境，目前包括“边坡工程”与“隧道工程”。进入漫游模式，开始三维岩体工程地质环境虚拟实景漫游。结合工程地质概况对地形、地貌、环境条件进行基本认知学习。第三步：数字测量——训练实验。虚拟地质罗盘使用与结构面产状测量，包括结构面间距、结构面连续性、结构面张开度、结构面迹线等测量。第四步：现场编录——实训实验。根据实习要求选定测区，根据测区内的岩体结构特点布置测线；选定结构面，标出迹线；使用虚拟罗盘逐一测量测区内的结构面产状；使用虚拟皮尺逐一测量测区内的结构面迹长；最后对结构面信息进行逐一编录。第五步：分析评价——实训实验。使用极射赤平投影，将采集到的结构面产状信息投影到赤平面上，分析结构面的优势面；接着应用刚体极限平衡分析计算影响工程安全的块体，分析工程地质的稳定性。第六步：实验报告——考核与反馈。对于认知教学，设计实习体验问题调查，开展答卷考核；对于训练教学，独立设计训练体验问卷调查，开展自评调查；对于实践教学，要求编写地质编录与分析报告，由教师考核打分。

通过实施这一全新的实习教学体系，有效地突破了传统实习模式的局限性，为学生提供了更加丰富、共享性更强的学习资源。同时，步骤完整、操作灵活的实训环节极大地提升了学生的实践能力和操作技能。此外，明确的要点和清晰的反馈机制使得教辅指导更加有针对性，有助于学生更好地掌握工程地质知识和技能。总体而言，通过引入实景虚拟现实技术，成功地打造了一个高效、安全、经济的工程地质实习平台。这一平台不仅能够有效激发学生的学习兴趣和积极性，还能有效提升其实践能力，为培养具有创新精神和实践能力的工程地质人才奠定了坚实的基础。

结语

自主研发的高陡岩体地质环境三维实景虚拟现实平台，通过沉浸式虚拟三维实习场景、全景式VR观察，身临其境的操作环境及人机交互环节，有助于引导学生思考与探究，掌握实习的关键知识点；实习中及实习后的试题测试和实习报告能够帮助学生巩固并加深有关知识。与传统的地质实习模式相比，虚拟实习具有虚拟实景化、可操作化、可重复化、可拓展化的特点，不仅能延伸实习教学的时间与空间，而且能拓展理论教学内容广度和深度，切实有效提高学生的实践能力。更为重要的是，其可拓展性能方便加入新的典型虚拟岩体地质环境实景，使实验平台脱离软件技术人员的支持仍能不断丰富实习场景。

参考文献

［1］何虎军，杨兴科，焦建刚，等.野外地质实习虚拟仿真实验教学平台建设与思考［J］.教育教学论坛，2022（2）：146-149.