重磁资料处理与解释虚拟仿真实验教学系统建设

杨宇山，李永涛，张世晖

1.中国地质大学（武汉） 地球物理与空间信息学院，湖北 武汉 430074；
2.地球内部多尺度成像湖北省重点实验室，湖北 武汉 430074

近年来高等教育教学改革逐步由以教师“教”为主转向以学生“学”为主的教学方式，为了适应这种转变，高等学校进行了一系列的课程体系改革，逐步减少课堂教学的学时，大量增加实践教学环节和学生自主学习的时间，期望学生通过更生动的实践训练来全面掌握专业技能。虚拟仿真实验依托网络通信、仿真、计算机、多媒体、人机交互等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境、实验对象、操作过程等，学生通过模拟软件对实验器材进行组装、操作，并对实验数据进行分析、处理，得出实验结果，最后完成实验报告。作为专业发展与信息技术深度融合的产物，虚拟仿真实验提供了一种新的教学手段[1]，它与野外观测、真实实验相互补充，可以有力地增强学生的现实感，调动学生学习的主动性，在探索知识技能运用过程中，促进学生个性化思维发展，培养学生的想象力和创造力[2-3]。

教育部2013 年公布了《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》，极大地推动了虚拟仿真实验教学中心的建设与可持续发展，目前全国共建设了约300个具有示范和引领作用的虚拟仿真实验教学中心[4-5]。在国内，地球科学虚拟仿真实验平台，特别是地球物理学方向，还处于起步阶段。西安石油大学于2019年6月成立了油气地质与地球物理虚拟仿真实验教学示范中心；
西南石油大学的地震勘探虚拟仿真实验平台已经初步建成并面向学生开放；
2020年4月东北石油大学张云峰教授负责的“油气勘探地球物理测井虚拟仿真实验”入选国家级虚拟仿真实验教学项目。为了适应教育改革，提高教学质量，地球科学虚拟仿真实验平台的建设已提上日程并不断建设和完善[6-8]。2020年1月7日，“高等学校地球科学虚拟仿真实验教学项目建设与申报研讨会”在北京大学英杰交流中心举行。中国地质大学（武汉）地球物理与空间信息学院参与了高等学校地球科学虚拟仿真实验教学项目建设指南的编写工作，依托“勘查技术与工程（勘查地球物理方向）”这一地质资源与地质工程一流本科专业，构建了重磁资料处理与解释虚拟仿真实验平台和实践教学体系。

作为勘查技术与工程（地球物理方向）的专业主干课程，“重磁勘探”是利用地球的重力场和磁场来透视地下三维结构，包括重力场与磁场的基本理论，仪器的基本原理和操作以及重力场、磁场资料的采集、处理与解释。课程实践性较强，而地下隐伏的地质构造往往不可见，传统的理论和实验教学方式难以形象地展现地下构造与相应的重力场和磁场之间的关系。虽然专业培养计划配置有野外生产实习、重磁资料处理与解释上机实习，但目前野外生产实习主要是仪器的操作与野外工作流程的演示，受仪器数量、实习工区人文地理条件、实习周期等因素的限制，学生无法全面实践野外工作的每个环节，特别是设计；
而校内的上机实习只是选择重磁资料处理与解释中的单一环节或者单一处理方法进行编程实践，缺少对整个处理流程的全局把握，难以支撑学生深入学习地球重力场和磁场的产生机理和分布规律。

针对传统实验教学面临的问题，本文探索构建一套完善的重磁资料处理与解释虚拟仿真实验系统，在计算机环境下进行重磁资料的采集、处理解释及图示，对野外观测或室内的仪器操作和物理模型实验提供强有力的补充，提高实践教学效果。系统建设的目标如下。

（1）将不同的重磁场野外观测方式（航空、地面和井中）搬入室内，利用虚拟现实技术以及虚拟仿真相结合等方式重现勘探过程，让学生亲身感受重磁勘探的实施过程，通过调节技术参数，可多次重复试验勘探过程。

（2）利用虚拟仿真技术，将位场理论公式的物理意义形象化。构建地球内部不同结构模型，模拟重磁异常的产生，学生一边输入几何和物性参数，一边观察异常产生过程及结果，实时感受参数变化带来的影响，使抽象的知识点具象化。学生在深度体验的过程中，深刻理解和掌握重磁异常的正演规律。

（3）以完成教学要求和内容为目标，依托虚拟现实技术，结合三维建模、多媒体、人机交互、人工智能、大数据等计算机技术手段，生成一个逼真的，具有视、听、触等多重感知的“模拟实验室”。同时实现虚拟实验过程网络化，学生可以远程登录，在3D空间里完成远程无法完成的复杂实验，大胆尝试野外和实验室里难以实现的颇具危险性和破坏性的实验，在沉浸式、交互式的体验中增强学生的获得感。

（1）中国地质大学（武汉）地球物理与空间信息学院实验教学中心是在1952年创建的原北京地质学院地球物理探矿专业实验室的基础上发展起来的，中心依托地质资源与地质工程国家重点学科和地球物理学湖北省重点学科，构筑高水平实验教学体系，完成了湖北省地球物理学品牌专业、湖北省地球物理概论精品课程、国家高等学校勘查技术与工程和地球物理学特色专业、国家级精品资源共享课等的建设。经过半个多世纪的建设与发展，地球探测技术实验教学中心建立了以地球物理学为主体，资源物探、水文工程环境物探等多个相关学科为背景的实验教学平台。2017年中心被湖北省授予重点实验教学示范中心。实验中心现有14个教学实验室、2个校内室外实验场地、3个野外教学实习基地、1个教学仪器维修与研发室，使用面积约2000 m2。现拥有各类仪器设备约400台（套），设备配置基本齐全，涵盖了重力、磁法、电法、地震、测井等多种地球物理勘探方法。

（2）地球探测技术实验教学中心分为三个层次：基础实验室、实践技能训练基地及科研能力提高实验室。基础实验室主要承担地球物理类专业的专业课，以及相关专业地球物理课程的地球物理实验任务，同时为学生自选实验项目、课外科技实践等提供实验条件平台。实践技能训练基地包含11个实习及产学研基地：北戴河野外实习基地、卓越工程师培养基地以及与学校签订产学研合作协议的国内企事业单位（如地科院廊坊物化探研究所、中石化华北石油局、湖北省地矿局、云南锡业矿山等）。科研能力提高实验室包括与中科院、中石油和国外著名大学等相关学术机构组成的7个学术创新基地，以及校内国家和教育部重点实验室（如地质过程与矿产资源国家重点实验室、教育部三峡地质灾害研究中心、地球内部多尺度成像湖北省重点实验室等）。中心依托行业办学，坚持产学研一体化开发、建设与共享，促进虚拟仿真教学资源的不断更新与升级。

（3）教师多年在教学一线，承担了“磁法勘探”“重力勘探”“重磁资料处理与解释”“重磁资料处理与解释实习”“重磁新方法新技术”“数字信号处理”“北戴河地球物理专业教学实习”等相关本科课程，具有丰富的教学和科研经验，了解学生学习的需求以及教学中存在的不足。地空学院拥有自主开发的重磁处理解释软件MAGS4.0、GMS4.0、井中磁测处理解释软件BMS1.0、二维/三维井地联合约束反演软件GMIS3D等，具备建立重磁资料处理与解释虚拟仿真实验平台的良好基础。结合地球探测技术实验教学中心的建设，重磁资料处理与解释虚拟仿真实验教学系统开发的软硬件条件已经具备。

针对重磁数据的软件开发主要是用界面的形式实现数据处理与解释的各种方法技术，学生可以通过不同的参数选取来了解各种方法的应用效果。但针对野外不同的地质环境和勘查目标，如何设计处理与解释的思路和技术路线，达到好的地质效果，缺乏全局把握。而虚拟仿真实验系统利用虚拟仿真实验开发技术，3D模拟不同实际案例的野外场景和重磁勘探实施过程，通过虚拟情景再现不同地下结构模型产生的重磁场特征，帮助学生熟悉处理与解释的完整流程，并结合实际案例学习地质解释的原则和方法。学生在沉浸式深度体验的过程中，可以调节技术参数，多次重复数据的获取和处理过程，检验给出的实际问题解决方案是否是最优方案。通过兴趣引导、知识学习、应用体验、项目实践，引发学生的探究兴趣，培养学生自主创新能力。虚拟仿真实验教学系统由3个功能模块组成。

1.重磁资料整理与预处理实验系统

该系统首先利用预先建立的地质-地球物理模型（从简单到复杂），模拟生成野外的观测数据，学生通过观察和分析数据的产生过程，充分认识到野外观测数据获取过程中的影响因素及进行各项改正的必要性。系统提供各项改正程序模块，学生需要根据所学的理论知识选择合适的参数对模拟观测数据进行整理和预处理，获得可靠的布格重力异常、ΔT磁异常，并对结果的质量进行评价。该系统可同时模拟地面和井中重磁数据的整理。该实验系统的操作可使学生意识到重磁资料的整理是决定重磁勘探成败的关键环节之一（图1）。

图1 重磁资料处理与解释虚拟仿真试验系统登录界面

2.重磁场正演实时分析实验系统

该系统主要是利用数值计算方法对规则形态模型的重力异常和磁异常在地面和井中的分布特征进行仿真实验，该系统包括三个模块：地面重磁场正演实时分析试验模块、井中磁场三分量正演实时分析试验模块以及井中微重力正演实时分析试验模块。

（1）地面重磁场正演实时分析试验模块。学生利用该模块首先设置模型参数（从简单到复杂）和观测面（线），系统自动正演计算模型在观测点处产生重磁异常，并以曲线图、平面图和三维立体图的方式实时显示。学生可直观地了解不同形体的重磁异常特征，通过交互操作方式改变模型参数、观测位置，了解异常随模型参数和观测位置的变化规律。该系统目的是让学生掌握不同规则形体重磁异常的空间分布特征，了解异常与形体参数的对应关系，为重磁资料的定性解释提供依据。

（2）井中磁场三分量正演实时分析试验模块。学生利用该模块可任意设置模型参数和钻孔位置，系统自动正演计算模型在井中产生的三分量磁测异常，并以三维图形可视化方式（如三维切片图、三维矢量图、平面等值线图等）展现其三维空间分布特征，并模拟磁测探头在井中探测行进过程中磁异常信号的动态变化特征。通过规则形体井中三分量磁测异常的虚拟仿真试验，学生可对井中磁异常特征进行实时模拟分析，直观地建立不同磁性地质体与井中磁异常特征的对应关系。

（3）井中微重力正演实时分析试验模块。利用三维地质建模方法，构建不同类型地质体模型，通过规则形体组合模型正演模拟技术，实现井中微重力异常虚拟仿真，学生可直观地了解位于井孔周围不同位置、不同埋深、不同形态、不同产状的密度体的重力异常特征，认识自由空气效应、中间层效应、地表起伏地形等因素对井中微重力的影响。利用测量数据，为学生提供针对井中微重力数据校正、资料处理与综合解释等环节的数据基础和学习平台（图2）。

图2 地面和井中重磁场正演实时分析实验模块展示

3.重磁资料处理与综合解释实验系统

该系统首先利用预先建立的地质-地球物理模型，生成地面布格重力异常、地面ΔT异常、井中三分量磁测异常和井中微重力异常数据。学生选择实际地质任务，系统会根据不同的地质任务，推荐相应的处理流程和方法供学生参考。学生通过自主选择处理模块搭配，设计合理的数据处理流程，开展局部异常提取、地质体边界识别、界面反演、物性反演等工作，进行构造分区、断裂分析、岩体圈定等综合地质解释（图3）。

图3 某一实际工区综合地质解释实验模块展示

“重磁资料处理与解释”是勘查技术与工程（地球物理方向）的专业主干课程，相关的重磁勘探技术广泛应用于化石能源与矿产资源勘探、基础地质调查、浅层工程地质勘查、国防军事等领域。课程具有较强实践性，传统课堂教学容易受课堂时间、所在空间有限性的约束，理论学习不系统；
同时因缺乏野外实际场景的沉浸感，学生参与体验度不高，容易造成理论与实践之间的脱节[9-11]。顺应高等教育的发展趋势，契合信息化社会对高素质、复合型工程人才的需求，虚拟仿真实验提供了一种新的“智能+”实践教学模式[12]。

重磁资料处理与解释虚拟仿真教学系统依托网络通信、多媒体、虚拟现实等技术，将复杂的野外实际地球结构模型搬入室内，模拟重磁场响应的产生，使抽象的知识点具象化。学生在不同应用场景沉浸式深度体验的过程中，可以调节技术参数，不断尝试各种处理与解释的过程，根据处理结果进行实时的策略调整，检验学生所提供的决策方案是否是最优方案。通过全过程、全方位的实时互动体验，有助于学生深刻理解和掌握理论知识，并在不同的应用场景中探索解决实际问题的有效方案。本系统已经用于勘查技术与工程（地球物理方向）专业的本科教学，在下一步，教学团队将进一步构建更逼真、贴近实际的3D虚拟应用场景，结合学院教学与科研成果，不断完善开放共享有效的信息化实验教学体系。