地球系统科学国家级虚拟仿真实验教学中心建设

摘要：地球系统科学国家级虚拟仿真实验教学中心通过虚拟现实、对地观测系统、地理信息系统、人机交互等技术，构建高度仿真的地球系统科学虚拟实验环境和实验对象，不仅解决了诸多地学现象的高风险、不可见、不可达，而且也解决了地球科学野外实习受经费、设备等条件的限制。经过多年的建设，中心软硬件设施齐全，虚拟仿真实验教学资源丰富，管理运行措施得力，实验教学效果明显，在地理学、地质学、大气科学、海洋科学等地球科学创新人才培养的过程中发挥了积极作用。

关键词：地球系统科学；虚拟仿真；实验教学；创新人才培养

虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容，是学科专业发展与信息技术深度融合的产物。它依托虚拟现实、人机交互、数据库和网络通讯等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，学生在虚拟环境中开展实验，达到教学大纲要求的教学目的。虚拟仿真实验教学中心的建设任务是实现真实实验不具备或难以完成的教学功能，它的建设体现了虚实结合、相互补充的原则。在涉及高危或极端环境，不可及或不可逆操作，高成本、高消耗或大型综合训练等情况时，提供可靠、安全、经济的实验项目。通过重点开展队伍、平台、资源和制度等方面的建设，形成高效持续服务实验教学、保证优质实验教学资源开放共享的有机整体。

一、地球系统科学虚拟仿真实验教学中心建设的必要性

（1）地球内部圈层包括地核、地幔、地壳，外部圈层包括水圈、生物圈、大气圈等，各圈层之间，即使地表的陆地与海洋之间，都存在着物质与能量的交换，是一个复杂的巨系统。地球探测技术、对地观测系统、地理信息系统、卫星定位技术、计算机、互联网等现代信息技术，为地球系统科学的教学提供了虚拟实验手段。通过构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，学生可在虚拟环境中开展地球系统科学实验，为探索复杂的地球系统提供了极具价值的途径。

（2）虚拟仿真实验教学，与课堂教学、野外观测、科研训练一样，都是地球系统科学极其重要的学习手段。地学专业都需要进行大量的实践教学，但是由于学生数量、实验空间、教学成本等客观条件的限制，难以全面开展现场实践教学，虚拟仿真实验教学手段非常重要。板块漂移、青藏高原隆升、水文剥蚀、气候变化等大空间尺度、大时间跨度的地学过程也只能以虚拟仿真的方式进行教学。

（3）对于地球系统科学而言，诸多现象、特征和规律的认知，充满着高风险、不可見、不可达，甚至难以想象，虚拟仿真实验教学手段尤为重要。地震、火山、台风、滑坡、泥石流、洪涝灾害等地学现象具有高度的危险性，温室效应、全球变暖等全球变化事件人类不可见，地核、地幔等地球圈层人类不可达，大气环流、臭氧层破坏等气象气候现象人类难以想象，因此，只能通过虚拟仿真的教学手段开展相应的人才培养。

（4）虚拟仿真实验教学是信息时代数据共享、知识共享的必然要求，有利于拓展地球系统科学知识传播的广度和深度。地球系统科学数据是典型的大数据，具有海量、多源、多时相等特征。在互联网、云计算技术的支持下，建设地球系统科学虚拟仿真实验教学中心，必将使人才培养水平更上一层楼，顺应时代的发展潮流。

二、实验教学资源建设

南京大学地球系统科学虚拟仿真实验教学中心以计算机、地理信息技术等为手段，引进与自主研发相结合，开发虚拟仿真平台软件，支撑地球系统科学虚拟仿真实验教学，与课堂教学、现实实验、野外实践一起，培养学生认识、分析、发展地球系统科学的能力。目前建设了地球系统虚拟仿真、地球动力系统仿真、地表过程虚拟仿真、海洋变化虚拟仿真、大气系统虚拟仿真五个专题实验室和一个虚拟仿真技术支持实验室。经过十余年的建设与发展，2016年被教育部批准为地球系统科学国家级虚拟仿真实验教学中心。

在南京大学“三三制”教学改革与人才培养要求指引下，开设了认识地球、地质学实习、数值天气预报、虚拟地理环境、遥感与地理信息系统、GIS设计、虚拟现实、地表过程认知实习、地球系统建模等多门实验课程，大部分包含虚拟仿真实验教学内容。通过教学资源建设、科研成果转化、校企合作等方式开展虚拟仿真实验教学，建设了“仿真展示、动态模拟、过程调节”三大类型的虚拟仿真实验项目。

（1）地震过程仿真。地震是地球内部某些部分突然急剧运动而破裂，从而释放巨大能量，并引起周边一定范围内地面震动的过程，高震级地震有极强的破坏性。岩层断裂产生的强烈震动以波的形式自震源向各个方向传播，地震波分为纵波、横波和面波，面波只能沿地球表面传播，而纵波和横波能在地球内部传播。地震过程仿真对地震成因、地震过程以及地震波传播进行生动形象地动态模拟，学习了解地震的成因、过程和地震波的传播方式有助于增强学生对地震的全方位认识和学习，提高地震灾害预防的意识，培养学生对于地震灾害预测的科研兴趣。

（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，其成因和形态复杂多变，由于难以靠近等现实原因，学生对于火山活动难以获得直观、感性的认识。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形成的特殊形态的地质体，是地球内部能量释放的一种自然现象。火山喷出物在通道口堆积形成的锥形山丘称为火山锥，火山锥顶部漏斗状的洼地称为火山口。通过虚拟仿真手段，将同时涉及地幔、地壳、地表以及底层大气等一系列地球系统复杂的作用过程直观形象地表达出来，并对不同火山类型及其后续产生的火山地貌进行动态展示，大大提高了学生的兴趣和积极性，提升了学习效果，有助于加强学生对火山机理的深入了解。

（3）海啸传播过程模拟。绝大部分海啸是由海底地震引起的。海啸数值模拟主要采用COMCOT模式，对于深海海啸，海啸振幅远小于水深，采用基于球面坐标系的线性浅水波方程；当海啸传播到近海时，则采用直角坐标系的非线性浅水波方程。该模式能够有效模拟整个海啸的生命过程，包括它的产生、传播、抬升和漫滩。本实验主要模拟中国最主要的海啸源一一地处南海的马尼拉海沟发生地震时所引发海啸的传播过程，学生可通过设置不同参数和条件，分析震源位置、深度、震级、断层特性等对海啸的影响，理解海啸的传播特点。

（4）全球碳循环虚拟仿真。通过FUSION软件观察林冠结构，准备基础数据，设置参数，运行Beps-Hydr模型和全球碳同化模型GCAS，观察叶面积指数、净初级生产力与生态系统生产力在全球不同地区的分异状况，使学生思考其分异规律及其与全球植被空间分异之间的相互关系。观察全球碳循环的时空分布和变化状况，思考碳循环动态变化与全球陆地生态系统分布及全球变化的联系。实验目的是通过“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方法，理解全球碳循环机制。

（5）数字高程模型构建。数字高程模型（DEM）是在一定范围内通过规则格网点描述地面高程信息的数据集，用于反映区域地貌形态的空间分布。借助地理信息系统软件，基于高程点创建不规则三角网，生成数字高程模型，构建三维地形场景，分析地形地貌特征，并可实现三维场景的虚拟仿真漫游。通过体验数字高程模型的构建过程，使学生加深了解数字高程模型构建的原理和方法。通过地形剖面分析、坡度分析、坡向分析、三维漫游，使学生理解不同地貌特征在数字高程模型中的表现形式，有助于学生能更好地掌握地形分析相关技术。

（6）地物三维建模。通过现场教学的方式，使学生掌握测绘基础理论与外业流程，通过校园主体建筑物的数据采集，熟练操作激光扫描仪、GPS定位仪、全站仪等仪器，获得三维激光点云数据。指导学生掌握地面LiDAR点云匹配、噪声滤除、特征提取、多源数据融合等数据处理手段，熟练操作LiDAR数据处理软件，并引导学生针对航空与地面点云集成、建筑物点云提取等关键技术开展相关实验。利用地形、建筑物、植物等典型地物的三维模型重建以及模型纹理贴图，培养学生掌握三维建模工具，提升实践动手能力，构建精细三维实景模型。运用计算机图形学原理，结合平台先进的三维引擎，设立地理加权预加载的大数据量实时渲染技术等研究方向，进行软件开发实践，培养学生的软件开发能力。有利于学生深入理解激光数据采集和点云生产的关键技术和过程，帮助学生掌握基于激光点云数据的高精度地物提取与建模方法，引导学生学习地物三维建模与可视化技术。

（7）虚拟庐山地理环境。该虚拟仿真系统提供数字地形（DEM、等高线）、高分辨率遥感影像和地质图三类基础数据，包含景点景区、旅游胜地、特殊地形地貌等多个兴趣图层，融合了地理信息与虚拟仿真技术，实现庐山自然和人文地理要素的数字化、地理过程的三维动态模拟、地理要素的三维空间分析、地理信息集成管理和专题成果自动制图等功能。实验目的是将庐山地理学野外实习与虚拟庐山地理环境相结合，使学生对庐山地理环境与人文景观有更深刻的认识；通过野外数据自动采集、位置服务、空间分析、三维地形可视化等功能的操作，提升学生对不同尺度的地表过程与格局的认知和分析能力，有助于培养学生对所学知识的综合应用与创新思维能力。

（8）流水地貌演化仿真。由于流水地貌演化过程耗时漫长，现实生活中仅能观测到该演化过程中的某个阶段，难以快速、直观地掌握全局性的流水地貌演化机理。通过虚拟仿真手段，能够从大的时间尺度进行观察，使学生把地貌形态和水文、泥沙及水力因素结合起来，认识流水地貌形成、发育的物理过程。通过流水地貌演化仿真，学生对流水侵蚀作用地貌、堆积作用地貌和冲积扇地貌等有了全方位的理解，能够结合内力作用和外力作用分析河曲、牛轭湖与阶地的成因、形态及演化过程，并认识到河流变迁对沿岸人类活动的影响，提高学生综合运用知识的能力。

（9）滑雪场选址模拟。滑雪场选址，要求满足滑雪场建设的地形条件、擁有一定的游客数量、交通条件便利的重点区域等。准备区域地形、人口、交通线路等数据，并用叠置分析找出同时满足人口、交通、地形条件且避让自然保护区的地区。通过不断更改、优化相关参数，模拟不同参数条件下的滑雪场情景，在线提交操作结果并获得评价，最终确定滑雪场建设的备选地。通过该实验的体验操作，学生可以掌握以矢量数据为基础，应用空间查询、缓冲区、地形、叠加等空间分析技术解决滑雪场等相关选址问题。

（10）地表降雨径流模拟。降雨径流过程是地球表层系统重要过程之一。该系统基于栅格单元分别建立土壤下渗模型、坡面产流和汇流模型，以及河道汇流模型；根据降雨资料和模型参数进行模型运算，得出流域内每一栅格的产流过程和汇流过程以及出口断面的流量过程。在此基础上，利用虚拟现实技术，将模拟的空间水文过程（如降雨、下渗、产流量、径流量等）进行三维动态显示。学生通过设置不同模型及参数，可深入理解不同的水文过程特征；实现流域空间水文过程三维显示的缩放、旋转、飞行漫游等交互功能，以便进行多比例尺、多角度的观察分析；也可以通过键盘操作改变漫游路线、视点位置及视角，产生一定程度的沉浸感。这样有助于学生深刻理解降雨、蒸发、下渗、产流、汇流的空间水文过程及其影响因素。

（11）梅雨锋运动模拟。梅雨一般发生于每年的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地区。以2014年7月11-13日的一次梅雨过程为例，用WRF模式对梅雨锋降水带进行虚拟仿真模拟。通过对梅雨锋降水带的虚拟仿真实验，加深学生对梅雨锋降水带尺度与强度的认识，了解数值预报对此类系统的预报能力。通过三维结构剖析，进一步使学生了解梅雨锋降水带组织化形成过程，认识梅雨锋暴雨形成的可能机制。

（12）台风运动模拟。通过野外观测实验认识台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台风为例，用WRF模式进行虚拟仿真模拟。实验目的是通过台风内部环流结构特征的数值模拟和三维显示，认识台风结构，理解台风发展和维持机制。通过对台风的数值模拟仿真演示，使学生了解数值预报对台风系统的预报能力，加强对台风降雨带结构的认识。并经轨迹追踪分析，使学生形象地认识到台风内部的三维环流结构特征，为理解台风发展和维持机制打下基础。

三、特色与创新

（1）以事前野外实地观测、事后野外实地验证为基础。地球系统科学的虚拟仿真不同于其他学科，具有非常强的现实性，必须体现虚拟世界与真实世界的映射关系，因此，地球系统科学虚拟仿真建立在大量野外实习、野外观测与真实性检验的基础上，充分体现“虚实结合”的建设原则。经过多年的发展，南京大学已经牵头建成了庐山国家重点地理学实习基地，以及巢湖、阿尔卑斯山、贝加尔湖等著名的地学野外实习基地，积累了大量的野外实习数据。基于内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室、计算机软件新技术国家重点实验室、海岸与海岛开发教育部重点实验室、中尺度灾害性天气教育部重点实验室的软硬件条件，利用全站仪、激光扫描仪、野外光谱仪、质谱分析仪、多普勒雷达等先进仪器设备获取了大量野外实地观测与真实性检验数据，为地球科学虚拟仿真提供了坚实的数据基础。

（2）实现了多圈层、多过程、多尺度、多时相虚拟仿真。地球系统科学虚拟仿真不仅要模拟地球演化、地幔对流、海平面升降、气候变化等大尺度地学过程，也要模拟地震海啸、地表覆盖变化、冰雪消融、降雨过程等中尺度地学现象，还要对潮沟、建筑物、树木等小尺度对象进行三维建模。涉及的时间范畴既包括地球形成和演化的地质年代，包括地表剥蚀和物质运移的第四纪，也包括气候变暖和极地冰盖消融的当代，还包括模拟预测气候变化和海平面升降的未来。涵盖岩石圈、地球表层和大气圈，包括固体地球、地表物质运移、海洋变化、天气变化等重要地学过程。整个地球的圈层系统相互交叉，地理、海洋、地质、大气四大学科相互融合，跨学科的地球系统科学虚拟仿真实验教学中心的建设，有利于培养综合型、宽基础、创新性、高水平的地球系统科学领军人才。

（3）地球系统科学虚拟仿真实验融合了虚拟仿真技术与地理信息技术。地球系统科学作为新型交叉学科，面对地球复杂巨系统，需要整合多学科研究力量，开展跨学科协作，培养综合性研究人才。地理信息技术作为地球系统科学的基础支撑技术，通过构建对地观测系统，全面采集与整合多源、多时相、多分辨率、多媒体地学空间数据，并在空间数据库、地理模型、空间分析与数字制图等技术支持下，开展地学空间格局定量描述、地学过程模拟、专题地图输出。随着虚拟现实、互联网、大数据、云计算等新兴技术的迅猛发展，地理信息技术积极融合虚拟仿真等技术，建设地球系统科学虚拟仿真平台，以其鲜明的多维可视化、动态交互、实时计算等技术特色，对抽象、不可再现或难以表达的地学现象及其过程开展数字仿真模拟、动态监测与预报预测。同时，虚拟仿真技术融合地理信息技术，为地学人才培养提供了新型的虚拟教学平台。通过构建高度仿真的地学虚拟实验环境和实验对象，引导学生在数字环境下深入学习与探索地球圈层环境的时空格局、地域分异、动态演化规律，掌握地学数据采集、转换、集成、建模、分析、制图与可视化的技术流程，增进学生的地学创新思维、实践动手与科学研究能力，培养具有地球系统科学观的综合性创新人才。

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