虚拟仿真试验教学 地球系统科学国家级虚拟仿真试验教学中心建造

柯长青+肖鹏峰+李满春+陆现彩+江静+陶先平

摘要：地球体系科学国家级虚拟仿真试验教育中心经过虚拟实际、对地观测体系、地舆信息体系、人机交互等技能，构建高度仿真的地球体系科学虚拟试验环境和试验目标，不只处理了许多地学现象的高风险、不行见、不行达，并且也处理了地球科学户外实习受经费、设备等条件的约束。经过多年的建造，中心软硬件设备完全，虚拟仿真试验教育资源丰富，办理运转办法得力，试验教育效果显着，在地舆学、地质学、大气科学、海洋科学等地球科学立异人才培育的进程中发挥了活跃效果。

关键词：地球体系科学；虚拟仿真；试验教育；立异人才培育

虚拟仿真试验教育是高等教育信息化建造和试验教育演示中心建造的重要内容，是学科专业展开与信息技能深度交融的产品。它依托虚拟实际、人机交互、数据库和网络通讯等技能，构建高度仿真的虚拟试验环境和试验目标，学生在虚拟环境中展开试验，到达教育大纲要求的教育意图。虚拟仿真试验教育中心的建造使命是完成实在试验不具备或难以完成的教育功用，它的建造表现了真假结合、彼此弥补的准则。在触及高危或极点环境，不行及或不行逆操作，高本钱、高耗费或大型归纳练习等情况时，供给牢靠、安全、经济的试验项目。经过要点展开部队、渠道、资源和准则等方面的建造，构成高效继续效劳试验教育、确保优质试验教育资源敞开同享的有机全体。

一、地球体系科学虚拟仿真试验教育中心建造的必要性

（1）地球内部圈层包含地核、地幔、地壳，外部圈层包含水圈、生物圈、大气圈等，各圈层之间，即便地表的陆地与海洋之间，都存在着物质与能量的交流，是一个杂乱的巨体系。地球勘探技能、对地观测体系、地舆信息体系、卫星定位技能、核算机、互联网等现代信息技能，为地球体系科学的教育供给了虚拟试验手法。经过构建高度仿真的虚拟试验环境和试验目标，学生可在虚拟环境中展开地球体系科学试验，为探究杂乱的地球体系供给了极具价值的途径。

（2）虚拟仿真试验教育，与课堂教育、户外观测、科研练习相同，都是地球体系科学极其重要的学习手法。地学专业都需求进行很多的实践教育，可是因为学生数量、试验空间、教育本钱等客观条件的约束，难以全面展开现场实践教育，虚拟仿真试验教育手法十分重要。板块漂移、青藏高原隆升、水文剥蚀、气候改动等大空间标准、大时刻跨度的地学进程也只能以虚拟仿真的办法进行教育。

（3）关于地球体系科学而言，许多现象、特征和规矩的认知，充满着高风险、不行見、不行达，乃至不行思议，虚拟仿真试验教育手法尤为重要。地震、火山、飓风、滑坡、泥石流、洪涝灾祸等地学现象具有高度的危险性，温室效应、全球变暖等全球改动事情人类不行见，地核、地幔等地球圈层人类不行达，大气环流、臭氧层损坏等气候气候现象人类不行思议，因而，只能经过虚拟仿真的教育手法展开相应的人才培育。

（4）虚拟仿真试验教育是信息时代数据同享、常识同享的必定要求，有利于拓宽地球体系科学常识传达的广度和深度。地球体系科学数据是典型的大数据，具有海量、多源、多时持平特征。在互联网、云核算技能的支持下，建造地球体系科学虚拟仿真试验教育中心，必将使人才培育水平更上一层楼，顺应时代的展开潮流。

二、试验教育资源建造

南京大学地球体系科学虚拟仿真试验教育中心以核算机、地舆信息技能等为手法，引入与自主研制相结合，开发虚拟仿真渠道软件，支撑地球体系科学虚拟仿真试验教育，与课堂教育、实际试验、户外实践一同，培育学生知道、剖析、展开地球体系科学的才能。现在建造了地球体系虚拟仿真、地球动力体系仿真、地表进程虚拟仿真、海洋改动虚拟仿真、大气体系虚拟仿真五个专题试验室和一个虚拟仿真技能支持试验室。经过十余年的建造与展开，2016年被教育部同意为地球体系科学国家级虚拟仿真试验教育中心。

在南京大学“三三制”教育改革与人才培育要求指引下，开设了知道地球、地质学实习、数值气候预告、虚拟地舆环境、遥感与地舆信息体系、GIS规划、虚拟实际、地表进程认知实习、地球体系建模等多门试验课程，大部分包含虚拟仿真试验教育内容。经过教育资源建造、科研效果转化、校企协作等办法展开虚拟仿真试验教育，建造了“仿真展现、动态模仿、进程调理”三大类型的虚拟仿真试验项目。

（1）地震进程仿真。地震是地球内部某些部分俄然急剧运动而决裂，然后开释巨大能量，并引起周边必定范围内地上轰动的进程，高震级地震有极强的损坏性。岩层开裂发作的激烈轰动以波的办法自震源向各个方向传达，地震波分为纵波、横波和面波，面波只能沿地球表面传达，而纵波和横波能在地球内部传达。地震进程仿真对地震成因、地震进程以及地震波传达进行生动形象地动态模仿，学习了解地震的成因、进程和地震波的传达办法有助于增强学生对地震的全方位知道和学习，进步地震灾祸防备的知道，培育学生关于地震灾祸猜测的科研爱好。

（2）火山活动仿真。火山活动是典型的地球内部动力地质活动，其成因和形状杂乱多变，因为难以接近等实际原因，学生关于火山活动难以取得直观、理性的知道。火山是地下深处高温岩浆及有关气体、碎屑从地壳中喷出而构成的特别形状的地质体，是地球内部能量开释的一种天然现象。火山喷出物在通道口堆积构成的锥形山丘称为火山锥，火山锥顶部漏斗状的凹地称为火山口。经过虚拟仿真手法，将一起触及地幔、地壳、地表以及底层大气等一系列地球体系杂乱的效果进程直观形象地表达出来，并对不同火山类型及其后续发作的火山地貌进行动态展现，大大进步了学生的爱好和活跃性，进步了学习效果，有助于加强学生对火山机理的深化了解。

（3）海啸传达进程模仿。绝大部分海啸是由海底地震引起的。海啸数值模仿首要选用COMCOT形式，关于深海海啸，海啸振幅远小于水深，选用依据球面坐标系的线性浅水波方程；当海啸传达到近海时，则选用直角坐标系的非线性浅水波方程。该形式能够有用模仿整个海啸的生命进程，包含它的发作、传达、抬升和漫滩。本试验首要模仿我国最首要的海啸源逐个地处南海的马尼拉海沟发作地震时所引发海啸的传达进程，学生可经过设置不同参数和条件，剖析震源方位、深度、震级、断层特性等对海啸的影响，了解海啸的传达特征。endprint

（4）全球碳循环虚拟仿真。经过FUSION软件调查林冠结构，预备根底数据，设置参数，运转Beps-Hydr模型和全球碳同化模型GCAS，调查叶面积指数、净初级出产力与生态体系出产力在全球不同区域的分异情况，使学生考虑其分异规矩及其与全球植被空间分异之间的彼此联系。调查全球碳循环的时空散布和改动情况，考虑碳循环动态改动与全球陆地生态体系散布及全球改动的联络。试验意图是经过“自上而下”与“自下而上”的全球碳循环虚拟仿真，学习碳循环建模与同化办法，了解全球碳循环机制。

（5）数字高程模型构建。数字高程模型（DEM）是在必定范围内经过规矩格网点描绘地上高程信息的数据集，用于反映区域地貌形状的空间散布。凭借地舆信息体系软件，依据高程点创立不规矩三角网，生成数字高程模型，构建三维地势场景，剖析地势地貌特征，并可完成三维场景的虚拟仿真周游。经过体会数字高程模型的构建进程，使学生加深了解数字高程模型构建的原理和办法。经过地势剖面剖析、斜度剖析、坡向剖析、三维周游，使学生了解不同地貌特征在数字高程模型中的表现办法，有助于学生能更好地把握地势剖析相关技能。

（6）地物三维建模。经过现场教育的办法，使学生把握测绘根底理论与外业流程，经过学校主体建筑物的数据收集，娴熟操作激光扫描仪、GPS定位仪、全站仪等仪器，取得三维激光点云数据。辅导学生把握地上LiDAR点云匹配、噪声滤除、特征提取、多源数据交融等数据处理手法，娴熟操作LiDAR数据处理软件，并引导学生针对航空与地上点云集成、建筑物点云提取等关键技能展开相关试验。使用地势、建筑物、植物等典型地物的三维模型重建以及模型纹路贴图，培育学生把握三维建模东西，进步实践着手才能，构建精密三维实景模型。运用核算机图形学原理，结合渠道先进的三维引擎，树立地舆加权预加载的大数据量实时烘托技能等研讨方向，进行软件开发实践，培育学生的软件开发才能。有利于学生深化了解激光数据收集和点云出产的关键技能和进程，协助学生把握依据激光点云数据的高精度地物提取与建模办法，引导学生学习地物三维建模与可视化技能。

（7）虚拟庐山地舆环境。该虚拟仿真体系供给数字地势（DEM、等高线）、高分辨率遥感印象和地质图三类根底数据，包含景点景区、旅游胜地、特别地势地貌等多个爱好图层，交融了地舆信息与虚拟仿真技能，完成庐山天然和人文地舆要素的数字化、地舆进程的三维动态模仿、地舆要素的三维空间剖析、地舆信息集成办理和专题效果主动制图等功用。试验意图是将庐山地舆学户外实习与虚拟庐山地舆环境相结合，使学生对庐山地舆环境与人文景观有更深化的知道；经过户外数据主动收集、方位效劳、空间剖析、三维地势可视化等功用的操作，进步学生对不同标准的地表进程与格式的认知和剖析才能，有助于培育学生对所学常识的归纳使用与立异思想才能。

（8）流水地貌演化仿真。因为流水地貌演化进程耗时绵长，实际生活中仅能观测到该演化进程中的某个阶段，难以快速、直观地把握全局性的流水地貌演化机理。经过虚拟仿真手法，能够从大的时刻标准进行调查，使学生把地貌形状和水文、泥沙及水力要素结合起来，知道流水地貌构成、发育的物理进程。经过流水地貌演化仿真，学生对流水侵蚀效果地貌、堆积效果地貌和冲积扇地貌等有了全方位的了解，能够结合内力效果和外力效果剖析河曲、牛轭湖与阶地的成因、形状及演化进程，并知道到河流变迁对沿岸人类活动的影响，进步学生归纳运用常识的才能。

（9）滑雪场选址模仿。滑雪场选址，要求满意滑雪场建造的地势条件、擁有必定的游客数量、交通条件便当的要点区域等。预备区域地势、人口、交通线路等数据，并用叠置剖析找出一起满意人口、交通、地势条件且躲避天然保护区的区域。经过不断更改、优化相关参数，模仿不同参数条件下的滑雪场情形，在线提交操作成果并取得点评，终究断定滑雪场建造的备选地。经过该试验的体会操作，学生能够把握以矢量数据为根底，使用空间查询、缓冲区、地势、叠加等空间剖析技能处理滑雪场等相关选址问题。

（10）地表降雨径流模仿。降雨径流进程是地球表层体系重要进程之一。该体系依据栅格单元别离树立土壤下渗模型、坡面产流和汇流模型，以及河道汇流模型；依据降雨材料和模型参数进行模型运算，得出流域内每一栅格的产流进程和汇流进程以及出口断面的流量进程。在此根底上，使用虚拟实际技能，将模仿的空间水文进程（如降雨、下渗、产流量、径流量等）进行三维动态显现。学生经过设置不同模型及参数，可深化了解不同的水文进程特征；完成流域空间水文进程三维显现的缩放、旋转、飞翔周游等交互功用，以便进行多比例尺、多角度的调查剖析；也能够经过键盘操作改动周游道路、角度方位及视角，发作必定程度的沉溺感。这样有助于学生深化了解降雨、蒸腾、下渗、产流、汇流的空间水文进程及其影响要素。

（11）梅雨锋运动模仿。梅雨一般发作于每年的6月中下旬至7月上旬，梅雨锋降水带可长达数千公里，横贯东亚和西太平洋区域。以2014年7月11-13日的一次梅雨进程为例，用WRF形式对梅雨锋降水带进行虚拟仿真模仿。经过对梅雨锋降水带的虚拟仿真试验，加深学生对梅雨锋降水带标准与强度的知道，了解数值预告对此类体系的预告才能。经过三维结构剖析，进一步使学生了解梅雨锋降水带组织化构成进程，知道梅雨锋暴雨构成的或许机制。

（12）飓风运动模仿。经过户外观测试验知道飓风具有较高的难度和危险性。以2014年9月16日在海南和广西登陆的海鸥飓风为例，用WRF形式进行虚拟仿真模仿。试验意图是经过飓风内部环流结构特征的数值模仿和三维显现，知道飓风结构，了解飓风展开和保持机制。经过对飓风的数值模仿仿真演示，使学生了解数值预告对飓风体系的预告才能，加强对飓风降雨带结构的知道。并经轨道追寻剖析，使学生形象地知道到飓风内部的三维环流结构特征，为了解飓风展开和保持机制打下根底。

三、特征与立异

（1）以事前户外实地观测、过后户外实地验证为根底。地球体系科学的虚拟仿真不同于其他学科，具有十分强的实际性，有必要表现虚拟国际与实在国际的映射联系，因而，地球体系科学虚拟仿真树立在很多户外实习、户外观测与实在性查验的根底上，充分表现“真假结合”的建造准则。经过多年的展开，南京大学现已牵头建成了庐山国家要点地舆学实习基地，以及巢湖、阿尔卑斯山、贝加尔湖等闻名的地学户外实习基地，积累了很多的户外实习数据。依据内生金属矿床成矿机制研讨国家要点试验室、核算机软件新技能国家要点试验室、海岸与海岛开发教育部要点试验室、中标准灾祸性气候教育部要点试验室的软硬件条件，使用全站仪、激光扫描仪、户外光谱仪、质谱剖析仪、多普勒雷达等先进仪器设备获取了很多户外实地观测与实在性查验数据，为地球科学虚拟仿真供给了坚实的数据根底。

（2）完成了多圈层、多进程、多标准、多时相虚拟仿真。地球体系科学虚拟仿真不只要模仿地球演化、地幔对流、海平面升降、气候改动等大标准地学进程，也要模仿地震海啸、地表掩盖改动、冰雪融化、降雨进程等中标准地学现象，还要对潮沟、建筑物、树木等小标准目标进行三维建模。触及的时刻领域既包含地球构成和演化的地质年代，包含地表剥蚀和物质运移的第四纪，也包含气候变温暖极地冰盖融化的今世，还包含模仿猜测气候改动和海平面升降的未来。包含岩石圈、地球表层和大气圈，包含固体地球、地表物质运移、海洋改动、气候改动等重要地学进程。整个地球的圈层体系彼此穿插，地舆、海洋、地质、大气四大学科彼此交融，跨学科的地球体系科学虚拟仿真试验教育中心的建造，有利于培育归纳型、宽根底、立异性、高水平的地球体系科学领军人才。

（3）地球体系科学虚拟仿真试验交融了虚拟仿真技能与地舆信息技能。地球体系科学作为新式穿插学科，面临地球杂乱巨体系，需求整合多学科研讨力气，展开跨学科协作，培育归纳性研讨人才。地舆信息技能作为地球体系科学的根底支撑技能，经过构建对地观测体系，全面收集与整合多源、多时相、多分辨率、多媒体地学空间数据，并在空间数据库、地舆模型、空间剖析与数字制图等技能支持下，展开地学空间格式定量描绘、地学进程模仿、专题地图输出。跟着虚拟实际、互联网、大数据、云核算等新式技能的迅猛展开，地舆信息技能活跃交融虚拟仿真等技能，建造地球体系科学虚拟仿真渠道，以其明显的多维可视化、动态交互、实时核算等技能特征，对笼统、不行再现或难以表达的地学现象及其进程展开数字仿真模仿、动态监测与预告猜测。一起，虚拟仿真技能交融地舆信息技能，为地学人才培育供给了新式的虚拟教育渠道。经过构建高度仿真的地学虚拟试验环境和试验目标，引导学生在数字环境下深化学习与探究地球圈层环境的时空格式、地域分异、动态演化规矩，把握地学数据收集、转化、集成、建模、剖析、制图与可视化的技能流程，增进学生的地学立异思想、实践着手与科学研讨才能，培育具有地球体系科学观的归纳性立异人才。endprint