引言

地质学是一门以野外观察与实践为根基的经验性学科，野外实习是连接课堂理论与工程实践、培养学生空间思维与地质识别能力的核心载体。然而，传统野外实习模式正面临三重挑战：经典露头因风化剥蚀与基础设施建设而加速退化、深山峡谷地带地质灾害频发导致高价值剖面难以安全开展大规模教学，以及高校扩招背景下“几十人围观一个露头”所造成的教学资源严重稀释。近年来，以无人机倾斜摄影测量（UAV Photogrammetry）、激光扫描（LiDAR）和三维实景建模为代表的数字化技术迅速成熟，高精度数字露头模型（Digital Outcrop Model, DOM）能够以毫米级精度永久“冻结”真实地质体的三维形态与纹理，突破物理空间的限制，为上述痛点提供了革命性的解决手段。尽管国内外学者已将数字露头应用于油气勘探与地质灾害评估等领域，但面向本科基础地质教学的体系化资源开发仍处于起步阶段，缺乏将底层三维数据与教学法深度融合的结构化平台。鉴于此，本文以重庆城口大巴山野外实习基地为例，以产出导向（OBE）教学理念为指引，系统探讨经典地质路线数字化保护的技术实施方案及其向结构化教学资源库转化的完整路径。

一、重庆城口大巴山实习基地概况

（一）基地地理位置与区域地质背景

城口大巴山野外实习基地位于重庆市东北部边缘，地处四川盆地东北缘与秦岭造山带的交接转换部位。在地质构造上，该区域属于典型的大巴山弧形构造带前陆逆冲推覆体系。大巴山构造带经历了多期次的构造运动（如印支运动、燕山运动、喜马拉雅运动），形成了极其复杂的褶皱—冲断带（Fold-and-Thrust Belt）。

基地内出露地层层序十分完整，从新元古界震旦系到中生界三叠系均有良好出露。岩石类型以海相碳酸盐岩和碎屑岩为主，包含了灰岩、白云岩、页岩、砂岩等丰富的岩性组合。同时，区域内发育了形态各异的紧闭褶皱、倒转褶皱、大型逆冲断层及飞来峰构造，是研究陆内造山过程、地层古生物学演化及构造变形机制的天然实验室，素有“地质类专业实习圣地”之称。

（二）传统实习路线与教学内容

经过多年的建设与沉淀，该基地已形成了体系化的传统实习方案，涵盖了从基础地质认知到专业生产实习的全流程。目前核心的实习路线主要包括：

钟亭乡—岔溪口构造解析路线：主要观察城巴大型逆冲断层带、断层角砾岩、劈理发育带及牵引褶皱，教学目标是掌握复杂构造的几何学与运动学特征。

沿河乡志留系—二叠系—三叠系地层剖面路线：重点观察典型的碳酸盐岩台地沉积序列、古生物化石富集层（如笔石、珊瑚、腕足等）及平行不整合接触关系，旨在训练学生的地层划分与沉积环境恢复能力。

沿河乡—扁桶峡背斜综合地质路线：横跨完整的大型背斜构造，要求学生进行岩层产状的连续测量、信手剖面图的绘制及构造应力场的初步分析。

在传统组织方式下，通常由1名指导教师带领15-20名学生，沿预定路线进行“定点观察—原理讲解—实地测量—记录绘图”的流程化教学。

（三）现有实习模式面临的具体问题

尽管大巴山基地的地质现象极其丰富，但在长期的教学实践中，一些固有矛盾日益凸显：

首先，典型露头不可逆破坏严重。例如，沿河乡卫生院经典的志留系系含笔石页岩剖面，由于页岩极易风化剥落，加之历年学生实习时的过度敲击采样，导致新鲜面急剧萎缩；部分临街的断层面受道路硬化和生态护坡工程影响，已被喷浆网包覆，失去了观察价值。

其次，宏观构造现象难以“窥其全貌”。大巴山植被茂密，许多大型褶皱和断层跨度达数公里，学生站在局部露头前往往“只见树木不见森林”，极难在脑海中拼接出完整的空间三维形态。

最后，指导资源的稀释。面对动辄上百人的实习队伍，学生在到达关键观测点后，往往因站位靠后而听不清讲解、看不到细节，难以做到充分的互动与答疑，导致部分学生的实习流于“走马观花”的形式主义。

二、数字化技术方案与实施过程

为解决上述问题，研究团队启动了大巴山实习基地的“数字化复刻与抢救性保护”工程。

（一）数字化总体技术路线

本研究的数字化技术方案分为四大核心阶段：“空地协同数据采集—高精度三维实景重建—多源异构数据库构建—教学应用模块开发”。

通过无人机倾斜摄影获取地质体表面的高清晰度影像及空间位置信息；利用运动恢复结构（SfM, Structure from Motion）算法与多视点立体匹配（MVS）技术进行点云解算与三维网格生成；随后将模型数据、空间坐标数据与地质属性数据（岩性、时代、产状等）统一融合至GIS平台，最终输出为可供前端调用的数字地质资产。

（二）无人机倾斜摄影测量与数据采集

高质量的数据源是数字露头精度的决定性因素。本研究采用“大疆Matrice 300 RTK(M300 RTK)多旋翼工业级无人机”搭载“禅思P1航测全画幅相机”（针对大范围路线）和“五镜头倾斜相机”（针对复杂陡立露头）进行数据采集。

飞行与拍摄方案设计如下：

1. 宏观路线航测

采用正射与倾斜相结合的井字形交叉航线。飞行高度设定为相对露头顶部高差50-80米，航向重叠率设定为80%，旁向重叠率设定为70%，地面分辨率（GSD）控制在2厘米/像素以内。

2. 微观特征近景补拍

针对包含关键地质信息（如节理面上的擦痕、层理面的波痕、微小化石带）的局部露头，采用手动飞行模式，距离露头表面2-5米进行环绕多角度定距补拍，局部GSD可达毫米级。

3. 像控点布设

为了保证模型具备绝对地理坐标，便于后续的构造产状精准量算，在测区均匀布设了具有明显标志的地面控制点（GCP），并利用RTK移动站获取其厘米级精度的CGCS2000坐标系坐标。

（三）三维实景模型重建

获取海量影像数据后，采用Context Capture（原Smart3D）软件进行高精度三维重建。具体处理流程包括：

1. 空中三角测量（Aerotriangulation）

导入带有EXIF位置信息的影像与GCP坐标，通过特征点提取与匹配，计算出相机的精确内外参数，生成稀疏点云。

2. 密集点云生成与格网化

基于多视几何原理，生成包含真实色彩的密集点云，并构建不规则三角网（TIN）模型。

3. 纹理映射与优化

将高分辨率影像投影至TIN模型表面，生成逼真的真彩色三维模型（OSGB格式），并导出相应的正射影像图（DOM）和数字高程模型（DEM）。

经精度评估，本项目的核心露头模型绝对空间误差均方根（RMSE）控制在5厘米以内，相对尺寸误差小于1%，完全满足地质要素定量测量（如地层厚度计算、断距测量、产状提取）的学术与教学要求。

（四）数字露头数据库架构

生成的裸三维模型缺乏“地质语义”，必须构建相应的数据库才能服务于教学。研究团队采用PostgreSQL关系型数据库与PostGIS空间扩展插件，设计了以“空间位置”为主键的数字露头数据库架构。

数据库字段涵盖三大类：

空间几何数据：露头边界多边形、三维模型切片链接、高程数据等。

地质属性数据：地层单位名称及地质时代、主要岩性描述、沉积相类型、构造要素属性（断层面走向/倾向/倾角、褶皱轴面特征）等。

多媒体辅助数据：显微薄片照片鉴定结果、手标本高清图、专家现场解说录音、历史参考文献记录等。

通过ArcGIS平台，将各类非结构化数据挂载到三维模型对应的空间节点上，实现了“地物—数据—知识”的底层穿透。

三、结构化教学资源库开发

（一）教学资源库的设计理念

资源库的设计遵循“以露头为核心、以问题为导向”的理念。打破传统教材按章节罗列知识点的线性结构，采用知识网络的形式，将普通地质学、构造地质学、沉积岩石学等多门先修课程的理论知识，映射并锚定在具体的数字露头上。例如，一个断层露头不仅仅展示断裂现象，还关联着岩石流变学机理、区域压应力方向以及地形地貌演化过程。

（二）三类核心教学资源的开发

1. 路线导览模块（Macro-scale Navigation）

利用WebGL技术在网页端开发了三维虚拟漫游系统。学生可以像操作游戏一样，俯瞰长达十几公里的完整实习路线。在此模块中，学生能够清晰看到大巴山褶皱群的宏观展布、背斜成谷/向斜成山的微地貌特征以及地层界线的宏观走向。系统中嵌入了沿线考察路线的虚拟导游视频，作为出发前的“沙盘推演”工具。

2. 露头精读模块（Multi-scale Close Reading）

这是资源库的核心组件。支持对三维模型进行平移、旋转、缩放的交互操作，并集成了虚拟罗盘、面积与长度测量工具。该模块实现了“宏观露头—中观标本—微观薄片”的多尺度贯通集成。

当学生在模型上点击某层灰岩时，系统不仅弹出该层位的基本描述，还会并列展示该处采集的岩石手标本3D模型，以及偏光显微镜下的镜下薄片显微特征（如鲕粒灰岩中的同心圈层结构、生物碎屑特征），实现了跨越尺度的深度观察。

3. 知识图谱模块（Knowledge Graph Integration）

将露头特征抽象提炼，建立地质现象与底层地学原理的图谱链接。以某逆冲推覆构造露头为例，学生点击该构造，界面侧边栏会展开力学机制分析动画（展示最大主应力σ1的方向推演），并链接到中国南方的大陆动力学演化背景资料，引导学生完成从“知其然”到“知其所以然”的思维跃升。

（三）教学资源的移动端适配与离线部署

考虑到野外实习常处于“无网络信号”的深山环境，团队开发了微信小程序与独立APP双端应用。通过3D Tiles瓦片技术，在保持高清晰度的同时大幅压缩了模型体积，允许学生在有网环境下提前将“任务包（含轻量级数字露头与资料）”缓存至平板或手机。在野外现场，学生可利用设备的GPS定位，自动触发当前位置对应的数字资源，实现“实体露头与数字镜像”的并排比对。

（四）具体案例展示：某向斜核部复合构造露头开发

以大巴山路线中一处典型的“向斜核部及伴生逆断层”露头为例。该处原始露头高约15米，上部因风化无法攀爬。团队通过倾斜摄影建立了该剖面的高精度模型。在资源库开发中：

教师在模型的三维空间中利用红线精准勾勒了不整合面与断层面的走向；

预置了3个关键测量点位，要求学生在系统中使用虚拟罗盘测定上下盘岩层的产状；

在断层破碎带位置，嵌入了断层角砾岩的高清细节图及热液充填现象的标注；

设计了互动问答：“观察断层两盘地层时代，判断该断层的性质及其与主体向斜的形成先后顺序？”

四、教学应用效果

该数字化教学资源库已在近两届的地质学专业野外实习中投入使用，构建了“课前虚实融合预习—课中深浅结合探究—课后数字复盘验证”的新型教学闭环。

（一）应用于野外实习的具体场景

实习前（室内虚拟预习）：以往的预习仅依靠文字讲义，学生缺乏空间概念。现在，学生需在实验室登录导览模块，完成虚拟路线的“飞行漫游”，对翌日要考察的露头形成直观的三维空间记忆，并标记自己感到困惑的地质现象，带着问题前往野外。

实习中（现场对照精读）：在宏大或危险的露头前，学生不再“一窝蜂”地拥挤。指导老师结合远处的实体山体轮廓，指导学生在平板上旋转数字露头模型进行精细化观察。对于高达数十米无法测量的悬崖地层，学生利用系统中的虚拟工具完成产状的非接触测量，极大提升了效率与安全性。

实习后（模型辅助复盘与报告撰写）：每天晚上的总结会和最终的实习报告撰写环节，数字露头发挥了不可替代的作用。学生无需凭记忆或模糊的照片去猜测，而是直接调用三维模型进行反复确认，甚至在三维模型上直接截取不同视角的图片、绘制地质素描图并插入报告中。

（二）初步效果评估

1. 学生学习体验的跃升（问卷数据）

针对140名参训学生的李克特量表调查问卷显示，92.5%的学生认为数字模型“极大增强了对复杂地质构造的空间想象力”；88.3%的学生表示移动端资源库使其在野外“不再处于被动听讲状态，自主探索的时间大幅增加”；对该模式的总体满意度高达95%。

2. 专业技能掌握质量的提高（成绩对比）

将引入数字化资源的学生与上一届采用传统模式的学生实习报告进行盲评对比。结果表明，实验组在“地质素描图空间透视准确度”“断层力学性质分析逻辑性”及“综合地层柱状图的细节完整度”三个核心指标上，优秀率分别提升了18%、21%和15%。特别是学生绘制的构造剖面图，因有宏观三维模型的辅助，彻底纠正了以往“凭空想象、上下盘错位错误”的常见痼疾。

3. 珍贵地质资源的永续保护

自引入数字露头后，基地管理方严格限制了在具有极高科研价值（如核心化石层）区域的物理敲击取样活动。学生依靠平板端的精细图像与微观资料即可完成学习任务，真正实现了对不可再生地质遗迹的“零破坏”非接触式利用。

五、结论与展望

（一）主要工作总结

本文基于无人机倾斜摄影测量与三维实景建模技术，对重庆城口大巴山地质实习基地进行了全面的数字化复刻与教学资源开发，得出以下主要结论：

无人机倾斜摄影技术能够高效、高精度地获取复杂地形下的地质露头三维信息，所建模型的精度完全满足本科地学测绘与观察的教学要求。

以空间模型为底座构建的“导览—精读—图谱”结构化教学资源库，成功打破了传统理论知识与野外实践之间的壁垒，实现了多尺度地质信息的跨时空融合。

数字化资源在野外实习中的应用，不仅有效缓解了师生比不足、安全风险高、露头退化严重等传统难题，还切实提升了学生的三维空间解析能力和主动探究意识。

（二）推广价值与未来展望

数字露头不仅是大巴山基地的局部创新，更代表了未来高等地质教育实践教学改革的发展趋势。这种“虚实融合”的教学范式完全可以横向推广至周口店、北戴河、巢湖等全国各大经典地质实习基地。

展望未来，本团队将致力于以下两个方向的深度开发：

一方面，将人工智能（AI）图像识别算法引入模型之中。训练神经网络自动识别并提取三维模型表面的岩层界线、节理裂隙网络及特定化石轮廓，为学生提供智能化的“辅助标定”工具。

另一方面，积极探索与深时数字地球（Deep-time Digital Earth, DDE）大科学计划的数据对接与格式兼容。将地方性实习基地的数字露头资产上传至全球地学大数据云平台，实现跨院校、跨国界的优质教学资源共享，从而为培养具备大数据思维与国际视野的新一代地球科学拔尖人才奠定坚实基础。

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