基于三维建模技术的数字化岩石标本库建设

  项目以三大岩岩石标本为素材，通过高清摄影设备获取图像，借助三维动画渲染和制作软件生成可视化的标本模型，同步采集标本的专业信息，建设数字化岩石教学标本库，实现移动式查看、交互式旋转缩放操作和标本信息查询等功能，为丰富优秀的岩石标本用于科普共享、教学实践提供新的途径。

1、从岩石标本库和地质博物馆挑选结构明显、特征显著的三大岩岩石标本，采集其名称、类别、产地、描述等数据信息；

2、获取岩石标本的高质量图像，对数据进行处理后生成可视化的三维标本模型；

3、建立数字化岩石标本库，实现可通过名称、主要矿物等关键词进行检索的查询功能；

4、对数字化岩石标本库的数据资源进行互联网端和移动端的共享与发布。

  地质标本是地球科学研究的珍贵资料，作为大自然演化过程中的产物，地质标本具有空间位置的唯一性，研究人员获得具有代表性、典型性、特殊性的实物标本，需要付出艰辛的努力（陈志军等，2017）。地质标本包括矿物标本、岩石标本、古生物标本和构造标本等，其中岩石矿物标本鉴别是地质工作者必须掌握的基本技能，传统标本更多限于实验教学和博物馆展示，为妥善管理和保护地质标本，无法对标本资源进行充分的开放和共享，在使用过程中还会存在磨损、风化等，珍贵的地质标本在保护和消耗中更显稀缺，如何让优秀的标本资源服务于教学、分享给热爱地球科学的人们？数字化地质标本可实现在线、实时的访问功能，可为解决这个问题提供新手段。

  地质标本数字化始于图像信息获取和标本信息描述，从最早的素描图，发展到胶卷照片，再到数码照片，当前地质研究人员在成果中均搭配数码照片作为原始证据，博物馆由于对标本管理有严格要求，会建立专业的标本管理系统，对地质标本进行数码照片采集形成图文资源库（杨良锋等，2017）。2001年，教育部为了实现高等院校教育资源共享，在北京大学、中国地质大学（武汉）等多个院校进行大学数字化博物馆建设，2004年科技部启动了国家标本平台建设，旨在整合全国自然科技资源，实现网络数据共享、实物共享目的（何明跃等，2013）。随着数字技术、多媒体技术、虚拟现实技术的快速发展，标本数字化已经从二维走向三维，进入文本、图像、三维影像并重的三维数字化阶段，数字化地质标本不但具有实物标本的外观特征，而且还可以及时查询其中的专业信息，将成为地球科学科学研究、专业教学、科学普及的重要素材（杨良锋等，2014；杨眉等，2017）。近年来，随着计算机图形图像技术、数据库技术、网络技术、知识图谱和人工智能技术的不断发展，国内外都已建成了一批极具特色的地学标本数据库，这些数据库不仅是地学多模态大数据的重要组成部分，也是构建地学知识图谱，开展数据驱动的地球科学研究的基础（徐淇等，2023）。

  三维数据采集是三维数字化的基础，采集结果的质量直接影响构建模型的可行性及其效果。当前国际上，通常用于标本三维数字化的技术主要分为三维激光扫描类、环物摄影测量类、CT扫描类等。三维激光扫描系统的基本原理为激光测距，其中小型便携的手持扫描仪可用于对标本进行三维数字化，常用的此类仪器包括NextEngine三维激光扫描仪、Artec Space Spider手持三维扫描仪等，具有操作简便和高精度特点，缺点是需要额外对标本纹理进行贴图，且设备单价较为昂贵。三维模型摄影测量技术在获取物体表面数据时效率很高，只需要普通的数码相机即可完成图像数据采集，配合优秀的实景三维建模软件如Agisoft Photo Scan或Sketchfab等，可实现三维模型重建过程的全自动化，摆脱手动建模和粘贴纹理的低效率方法，即使非专业人员也可以生成专业级别的标本建模数据（郭猛，2021；徐淇等，2023）。CT扫描技术的优势在于可快速、无损地采集岩芯、化石等珍贵标本的内部信息，但也存在成本高、限制多的缺陷。

  三维数字化地质标本技术逐渐发展成熟，虽然在一定程度上可以替代实物标本，逼真还原实物标本在形状、纹理等方面的特征，并可以承载展示、信息查询和一定程度上的对比研究工作。然而，它所蕴藏的信息与真正标本对比还相差甚远，存在着一些问题更待进一步解决，包括数字化的地质标本特征不典型、图像采集分辨率不高导致三维模型精度差，矿物晶体高反光难以获得细节纹理、标本描述内容不规范不统一等。因此，在教育数字化方针提出的背景下，高分辨率岩石标本图像采集和高质量三维建模技术推动了数字化技术在地球科学领域的应用，围绕优秀丰富的岩石标本资源进行开发低成本且快捷有效地三维数字化、建设高质量的数字化岩石标本数据库，将促进数字化岩石标本在地学研究、教育和科普共享中发挥更重要的作用。

参考文献：

陈志军，张娅，吕新彪，陈建国，谢淑云．2017．岩矿石标本三维建模技术及其教学资源库建设[J]．实验室研究与探索，36(11)：140-145．

郭猛．2021．三维建模的技术方法特点研究及应用[J]．智能城市，7(14)：58-59.

何明跃，吴淦国．2013．矿物、岩石、矿石标本资源及矿床描述标准[M].北京：地质出版社.

徐琪，沈含笑，董少春，史宇坤，樊隽轩．2023．地质露头与标本的三维数字化现状与展望[J]. 高校地质学报，29(3)：403-418.

杨良锋，曹希平，卢立伍，王学华．2014．数字标本概念及其相关技术[C]//北京数字科普协会．数字博物馆发展趋势：北京数字博物馆研讨会：90-93.

杨眉，何明跃，施爽，严薇．2017．地学类标本资源的规范数字化及质量控制[J]．中国科技资源导刊，49(05)：45-51．

邹晓东，胡钰，姚威．2013．模拟与仿真：工程科技人才培养模式创新[J]．高等工程教育研究，(3)：32-37．

  项目采用三维建模技术对岩石标本进行可视化建模，建立高还原度的标本模型库，将优秀丰富的岩石标本低成本、快捷有效地实现数字化，为地学科普和教学提供在线、远程获取标本资源的新途径。

1、技术路线

（1）搜集阅读数字化岩石标本相关的资料文献，总结对比各类技术方法的应用实例和注意事项，了解各类主流三维建模软件的功能和运行逻辑；

（2）挑选典型三大岩岩石标本，选取新鲜面清晰、结构构造典型、矿物未发生风化、识别标志明显的标本，同时收集整理标本的名称、产地、结构构造、描述等专业信息；

（3）在自然光条件下，将样品放置于电动旋转托盘上进行匀速移动，用高清数码相机从多个视角采集标本图像信息，将数据整理后导入Agisoft Photo Scan或Sketchfab等建模软件中，设置合适参数条件进行建模处理；

（4）在Unity 3D等软件中使用进行模型编辑，添加常用操作如比例尺、缩放拖动、操作提示等按钮，将完成的三维标本模型与实物标本进行比对，对模型进行校对和补充；

（5）整合三维岩石模型和已收集整理的标本信息，通过网页端或移动端进行共享和发布，实现灵活方便的数据检索功能。

2、拟解决的问题

将岩石标本进行快速有效的三维建模处理，保证数字化岩石标本的逼真还原和专业资料信息的融合，建设可交互式操作、可查询检索、可网络访问的数字化岩石标本库。

3、预期成果：

项目研究成果主要为数字软件资源，通过互联网端和移动端媒介应用于科普宣传和教学活动中。预期在以下方面取得重要成果：

（1）完成数字化岩石标本库1个；

（2）将数字化岩石标本建设的方法以研究报告或论文的形式进行发表。

2024年6月—2024年7月，收集、整理并分析相关文献资料，从岩石标本库和地质博物馆中挑选代表性的岩石标本，收集整理标本的名称、产地、结构构造、描述等专业信息；

2024年7月—2024年9月，拍摄岩石标本的高质量图像，对数据进行处理后生成可视化的三维模型，完成模型的精修和检查；

2024年9月—2024年11月，整合标本的三维模型资源和专业信息数据，建立数字化岩石标本库，实现可通过名称、主要矿物等关键词进行检索的查询功能，并申请软件著作权；

2024年11月—2025年1月，对数字化岩石标本库的数据资源进行网页端和移动端的共享与发布；

2025年1月—2025年2月，邀请专业老师和同学体验并点评产品，根据意见进行标本库的完善；

2025年2月—2025年3月，整理材料，撰写结题报告，答辩结题。