体素建模在工程地质虚拟仿真教学中的应用研究
马清文 焦珂 兰歌
摘 要：体素模型在表示物体表面特征的同时能够反映其内部各属性的非均质性，将体素建模运用于工程地质虚拟仿真教学系统，在一定程度上提高了模型的精度及操作自由度。依托于体素模型所建立的虚拟仿真平台，可以向学生更好地展示实际地质模型。以崩滑灾害防治学习与体验虚拟仿真平台为例，开展一定范围内的小班实验教学。从课堂氛围、学生自我评价、知识掌握程度3个方面对教学效果进行分析说明，进而阐述虚拟仿真系统对于工程地质教学的影响及需要改进之处。实验教学结果表明：虚拟仿真系统项目有助于学生对相关概念的理解记忆。
关键词：体素建模 虚拟仿真平台 崩滑灾害学习 对照实验 教学实践
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）06（a）-0140-06
Research on the Application of Voxel Modeling in the Teaching of Engineering Geology Virtual Simulation
MA Qingwen JIAO Ke LAN Ge
（School of Water Conservancy and Environment， Zhengzhou University， Zhengzhou， Henan Province， 450001 China）
Abstract：
The voxel model can reflect the heterogeneity of its internal properties while expressing the surface characteristics of the object. When the voxel modeling is applied to the engineering geology virtual simulation teaching system， it improves the accuracy of the model and the freedom of operation to a certain extent. The virtual simulation platform based on the voxel model can better show the actual geological model to students. Take the virtual simulation platform of collapse and landslide disaster prevention as an example， and carry out small class experimental teaching within a certain range. The teaching effect is analyzed and explained from the three aspects ：
classroom atmosphere， student self-evaluation and knowledge mastery. Then the influence of the virtual simulation system on engineering geology teaching and the disadvantages are explained. Experimental teaching results show that the virtual simulation system project helps students understand and memorize related concepts.
Key Words：
Voxel modeling; Virtual simulation platform; Learning of collapse disaster; Control experiment; Teaching practice
工程地質作为研究人类工程活动与地质环境之间关系的一门学科，是土木工程类专业的学生必须学习的一门专业基础课。目前高校一般在第2至第4学期之间开设工程地质这门课程。在这个阶段，学生一般刚刚接触专业知识，对于工程方面的内容了解较少，缺乏实践经验，有很大的知识空白亟需填补。同时，由于教学方案的改革，课时缩短至30个学时，其中课堂讲授26个学时，野外实践4个学时[1]。由于该课程具有高度浓缩、实践性强的特点，导致学生在学习的过程中仍然存在很多问题。
第一，课本概念抽象模糊，学生可能难以理解。第二，工程地质这门课程需要掌握的知识点内容纷繁复杂且跨度广，同时前几个章节之间联系交叉较少，很难发生知识的迁移运用。此外，每个章节中知识点复杂，需要归纳整合背诵记忆的内容较多。第三，工程地质是一门实践性较强的课程，一般高校会在课程临近结束的时候安排野外实习，由专业教师带队辨认基本矿物、褶皱断层等地貌以加深学生对所学知识的理解记忆。2020年受疫情影响，大多学校暂停了野外实习计划，同时野外地质实习也往往受周边地形的限制。
为了提高教学质量，杨光、张志坚等提出“学生自主探究与合作完成知识学习”的PBL教学模式[2];罗容等强调“突出教学重点，在保证理论教学的同时加强实验教学环节”[3];张军认为可以通过“合理分配教学学时数”来提高教学质量[4]。先前对工程地质课程教改的探讨多以教师和学生为中心，缺乏对内容的进一步开发处理和精细化的加工。基于以上状况，本文提出引入虚拟仿真平台教学系统，对书本知识进行精细化加工，将文字知识转化为图像信息，将视频观看学习野外实景转换为自主探索仿真野外地质环境，通过这样的方式从根本上提高知识的趣味性，降低学习难度。祁志武等就曾提出建设地质标本虚拟仿真学习平台，为师生打造良好的学习环境[5]。
1 体素建模的运用
1.1 体素建模在实际地质模型中的运用
地质体在自然过程中由于自然演化等作用，通常多为不连续、不规则的空间实体。采用传统的基于面元的分析方法无法对地质体的空间形态进行具体、有效的表达。而采用体素模型不仅可以描述模型的表面信息，还能描述模型的内部属性。体素模型是根据一定的地质形态，按照实际工作需要和实体尺寸来将三维空间体分割为一系列规则的立方体，进而把空间连续的模型离散化。体素构造在几何形状定义方面具有精确、严格的特点，同时又因为其基本定义单位是体和面，而具有数据结构简单的优点。以安徽铜陵凤凰山铜矿三维地质模型的构建为例，通过分析线框模型和体素模型下的模型结果来体现体素建模的优缺点。
线框模型的构建重点在于轮廓线的确定。轮廓线的圈定通常需要依据勘探线形成单个剖面。再根据该矿山内部不同地层的分布情况勾勒矿体界限，从而形成完整的剖面图。但是由于线框模型不具有建模对象的表面信息[6]，不能够展现一个完整的三维实体，因此还需要基于线框模型构建表面模型。用最短对角线的方法来构建已经形成的轮廓线之间的片面[7]。据此，可以初步形成该矿山的线框模型，凤凰山矿田地层线框模型如图1所示。
体素模型的构建重点则在于分辨率的确定。首先，要确定块体模型包含的范围。然后，设定模型体素化的分辨率，在凤凰山的体素模型中，根据地质经验将模型分割成50×50×50。之后的操作主要包含两部分，对模型表面的体素化和对模型内部的体素化。在这里，利用Datamine软件内嵌算法自动生成对应的体素模型[7]。凤凰山矿田地层D3w块体模型如图2所示。
上述基于线框模型和体素模型的构建在三维地質模型的构造中表现出不同的特点。线框模型更侧重于轮廓的勾勒、面与面之间的交互，其用于构图的图素是点、线、圆弧等，不能精确地表达地质体的内部属性。线框模型所含的数据量较少，数据结构和处理算法也简单易懂。而体素模型侧重于模型精度的划分及内部形态的构建。通过体素建模赋予矿山模型中各单元体不同的属性，能够控制地质内部属性结构的精确表达，从而表现不同的地质地层情况，实现了该矿山不同地质体情况在同一空间的表达。但是，体素模型不能建立完整的边界信息，而且处理算法也比较复杂，数据占用存储空间过大。现有相关软件的开发已经很大程度上解决了体素建模处理算法复杂的缺点。并随着现代计算机计算能力的提升，数据占用存储空间的问题也在不断得到解决。
目前，体素建模主要应用在工业机械制造业和三维游戏方面，而在地形环境可视化方面应用还不广泛，这与其上述分析的占用存储空间过大这一缺点有关。结合实际调研情况，若对该模型展开进一步的分析，在地质模型中推广应用，充分发挥体素建模的优势，这有利于后续研究人员对地质体内部属性的研究，实现虚拟地理环境由“面模型”到“体模型”的转化。
1.2 体素建模在虚拟仿真平台中的应用
虚拟仿真实验教学是信息技术与专业实验教学的深度融合，是高等教育信息化建设的重要内容，也是未来实验教学改进和发展的方向[8]。目前，国家级地质类虚拟仿真平台教学项目共有20个，涉及地震、野外地质模拟、晶体形态分析、崩滑灾害防治等多个领域。虚拟仿真实验教学相较于传统实验教学具有成本低、安全性高、效果好、效率高的特点，可以让学生更清晰地学习地质灾害机理、观察地质情况，避免了传统教学仪器设备昂贵、安全责任大、仿真性差的缺点，进而真正地实现绿色、安全、高效[9]。
在虚拟仿真平台的建设与发展过程中，对模型的研究成为仿真活动所关心的主要问题之一，具体指如何确定模型的结构与参数及基于智能技术的复杂系统建模的方法研究等。对于工程地质虚拟仿真实验教学，引入高精度的体素地质模型对于仿真系统的建设有着至关重要的作用，数据越多，在涉及范围内分布越均匀，越具有代表性，模型精度就越高[10]。因此，如何将更多面的数据纳入模型的建立中、如何提高模型的精度是地质三维建模一直在探索的重要问题。通过分析体素建模在地质模型中的应用，可以通过调节体素单元的大小来改变模型的精度，利用体素的单一属性来表示非均匀地质体。同时，随着计算机硬件、软件的发展及大数据的普及运用，可以通过各种方式导入储存海量数据，从而使得体素网格粒度不断缩小，三维地质模型精准度不断提高。
当高精度的体素建模在虚拟仿真平台中得到推广应用时，学生不仅可以在虚拟仿真教学过程中从表面观察崩塌、断层、褶皱等地质现象，还可以对其进行动态操作，观察内部特征。相比于传统的建模方式，体素建模从细节上完善了相关地质模型的仿真，使得当下的虚拟仿真系统具有更高的操作度，极大程度上丰富了课程内容。
2 基于虚拟仿真实验的教学改革
2.1 研究对象与方法
崩滑现场不确定因素多，危险系数高，学生难以进行实地考察学习，而课本上的描述又较为抽象。崩滑灾害防治学习与体验虚拟仿真实验平台将虚拟与现实结合，通过线上实验或者VR模拟向学生展示山体崩滑的形成和演化过程，让学生认识崩滑灾害，学习防治措施。将该虚拟仿真平台项目引入课程中，从该课程中抽取4～6个课时安排上机演练。上课前，学生完成预习任务，了解崩滑的定义概念、常用防治措施;上课时，教师带领学生利用该平台分析崩滑时落石的走向、防治措施的原理、勘查中钻机设计及操作要点等;课后，学生可以根据操作指引进行自主学习，及时巩固课堂知识，具体内容如图3所示。
为探究虚拟仿真系统在实际教学中的效益，开展小班实验教学，共有40名本科学生参与本次课程。随机将所有参与者分为A组和B组，每组20人，两组学生在前期工程地质理论考核成绩方面无统计学差异。其中实验组A组课堂引入崩滑灾害防治学习与体验虚拟仿真系统：首先由教师带领观看崩滑时山体周围的现象、演示野外勘察钻探的使用，之后由学生自主重复上述过程。对照组B组学生采用传统授课方式：本章节内容及重要知识点由教师整理归纳后经多媒体展示给学生。完成教学过程后，两组学生接受统一的课后测验，通过测验考查学生对于崩滑的特征及防治手段等基础性知识的掌握。
在课堂结束后给学生发放调查问卷，问卷采取无记名形式，共回收问卷40份，有效问卷40份。结合测验成绩和问卷结果，从课堂氛围、学生自我评价及知识掌握程度3个角度分析教学效果。
2.2 结果
在上述实验教学完成后向参与者发放问卷，通过分析问卷结果探讨虚拟仿真系统的教学效果。根据实验教学结果显示，引入虚拟仿真系统能够在一定程度上提高学生课堂参与度。如图4所示，实验组中有90.47%的学生能够在课堂上集中注意力，85.72%的学生积极参与课堂回应教师所提出的问题，而对照组仅有47.62%的学生能够将注意力保持在课堂上，76.19%的學生回应教师的问题。由此可见，在教改后的课堂上，虚拟仿真系统软件的引入在极大程度上激发了学生的主观能动性，引导学生进行探索式学习，有利于提高其课堂参与度从而提高学习效率。其次，虚拟仿真系统还原了真实情况下的崩滑场景，与实际结合密切，加深了学生对于该章节内容的理解。如图5所示，相比于对照组B组有42.86%的学生不能够完全理解教师课堂所讲内容，实验组A组仅有9.52%的学生理解困难。
最后比较两组课堂测验的成绩，利用SPSS处理数据，进行t检验。经过教学，实验组的测验成绩高于对照组，而且差异具有统计学意义（P<0.05），见表1。虚拟仿真教学系统在一定范围内能够帮助学生理解学习一些关于工程地质的基本概念。
2.3 教学改革效果分析
虚拟仿真系统的引入激发了学生的学习兴趣，活跃了课堂氛围。首先，相较于传统课堂模式，上机课程对于学生是一种全新的体验，在这种情形下，学生会保持着较高的积极性和强烈的好奇心，有利于后续教学内容的开展。其次，虚拟仿真系统给予了学生一定的操作自由度，学生可以在系统内依据自己的想法探索三维地质体模型，更具创造性和自由度的操作引导学生不断深入学习。
利用虚拟仿真系统，学生对于专业知识的掌握更加透彻。在传统课堂上，教师发挥主体作用将知识点进行归类整合，但学生往往是被动地接受知识，活跃性较低。课程结束后，学生对于课堂上的内容基本理解到位，但是A组学生的测验成绩要优于B组，对知识点掌握的实际情况更好，说明该组学生对于课堂上所讲授的内容理解更加充分、记忆深刻。本次教学改革实验表明，引入矿物虚拟仿真实验平台项目能够在一定程度上提高学生对于崩滑灾害的认识，解决了传统课堂“表述抽象，图片单薄”的问题，增强了课本理论知识与实践的联系。
当涉及到滑坡、泥石流、地震等地质灾害的内容时，在传统课堂上，教师通过播放现场视频或者展示图片来使课堂内容更加具体形象，但这样的讲解受资料内容局限性较大，符合课堂主题的视频案例不够全面。而虚拟仿真教学系统能够有效解决这一问题，教师可以结合实际课堂内容，开发建立相应的教学系统，并有针对性地展开讲解。
体素模型在虚拟仿真教学系统中发挥其最大优势，以体素为单元构建山体，一方面，能够更清晰地展示崩滑后山体的切面、滚落岩石的形体;另一方面，学生选择不同钻探位置可以得到不同的地层分布情况，具有更高的自主模拟性。但与此同时，国内虚拟仿真平台开设较早，仍然存在一些问题：该领域的仿真模型有限，该项改革只能结合课程中部分章节的内容展开，有待进一步的开发建设;仍需进一步开发新的算法与建模体系来不断提高模型的精准度。
3 结语
在这个高度数字化的时代，模拟技术应用也越来越广泛。本文首次从体素模型的角度探究虚拟仿真教学系统的实践效果。体素建模在三维仿真模型的建立过程中发挥其独有优势，使得地质模型的精度和可操作性都有了大幅度的提高。同时，将虚拟仿真系统教学项目引入工程地质的课程中，一方面，使得原本模糊复杂的概念具体化、清晰化;另一方面，也丰富了学生的实践内容，推动了课程建设的发展与完善。
参考文献
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