使用便攜式計算機與地理信息系統(tǒng)對露頭進行數(shù)字填圖的野外地質教學
二十年來，地質學家已經由頑固的計算機恐懼癥患者轉變?yōu)榉椒矫婷娑茧x不開計算機的計算機使用者?，F(xiàn)在，計算機正在進攻“老式”地質學家的最后一個堡壘：在露頭上進行原始野外填圖。
野外填圖人員仍然腳蹬靴子，肩背背包，手握錘子和地質草圖而不帶計算機進行野外工作。即使出現(xiàn)了個人計算機，大多數(shù)露頭填圖人員仍然使用獨立的、自立更生并引以自豪的低級技術，這種低級技術在將原始的地質學介紹給科學社會時代是必要的。
但是在現(xiàn)代社會，尤其是在高等教育中，計算機已無所不在。今天的學生很小就開始接觸計算機，許多學生實際上已將計算機作為主要學習工具。如果要試用數(shù)字填圖技術，沒有誰比學生更合適。在過去兩年來，我們一直在教地質專業(yè)的學生在野外使用便攜式計算機和地理信息系統(tǒng)（GIS）軟件。
填圖本身正在變成一個數(shù)字化過程。隨著 Internet 的出現(xiàn)，人們預測新的科學信息都應該數(shù)字化。
將歷史數(shù)據(jù)輸入一個能夠將之與其他信息合并起來的系統(tǒng)是一項煩瑣的工作。而將填圖數(shù)據(jù)輸入計算機對地質學家來說更加艱巨。在將圖件轉換成數(shù)字化數(shù)據(jù)集的實驗室和辦公室里，人們經常會聽到“數(shù)字奴隸”這個可愛的詞匯。在填圖過程的起點，即野外，使填圖信息數(shù)字化可為填圖人員省去許多耗時的步驟。
地質數(shù)據(jù)與位置有關：地質觀測所在的海拔與位置和觀測本身一樣重要。這就是以地圖格式記錄大多數(shù)地質數(shù)據(jù)的原因所在。正因如此，地質露頭觀測結果也適合利用現(xiàn)有的GIS軟件包進行記錄和處理。
我們和我們的學生使用 GIS軟件對地質圖進行編輯、繪制和研究。為了使模擬地質過程的三維數(shù)據(jù)可視化，以及將地質圖和衛(wèi)星圖像、航空照片及其他數(shù)據(jù)集結合起來，我們也使用這種軟件。
現(xiàn)有的地質圖是進入數(shù)據(jù)庫的最難弄的信息源。地質圖上的信息包括地質學家對在露頭上獲得的野外觀測結果的隨意解釋。從事編制數(shù)字化地質圖的工作人員必須解釋圖上隨意的符號。
為什么不在露頭上將數(shù)據(jù)直接輸入 GIS數(shù)據(jù)包從而省去實驗室中另一個在技術上容易出錯而且耗時又耗資的步驟？
在問了自己同樣這個問題后，我們著手研究將野外填圖與計算機相結合的課題。一些私營公司、政府機構和學術團體也在研究同一個課題，我們曾在美國地質學會、美國石油地質學家協(xié)會、美國地球物理聯(lián)合會和環(huán)境研究所用戶小組的會議上與他們會過面。一些組織，特別是加拿大地質調查局、Bowling Green州立大學和加利福尼亞大學伯克利分校也在進行數(shù)字填圖項目。不過，幾乎所有的人都處于同一研究階段。
2我們首先在 1999年1月的研究生填圖課程中開始使用計算機和相關軟件。共有四個研究生選擇了這門課程。這些學生原先都有填圖經驗，其中三人曾經使用過 Arcview 軟件。
這些學生首先需要解決的是如何將他們的便攜式計算機帶到野外。在忙碌了一個小時并用去一箱從宿營商店購買的紙帶、環(huán)扣、夾子和膠帶后，他們準備出發(fā)到野外去。第一天的大部分時間都在熟悉計算機以及嘗試輸入露頭上的地質數(shù)據(jù)。
總之，第一天結束時，學生們對整個操作很不滿意。攜帶九磅重的計算機可不是開玩笑的，數(shù)字化是一種折磨，屏幕模糊，電池能量不足而且笨重。我們對這種情況有點失望。
為了避免將野外的時間全部浪費，學生們將地圖打印出來并在第二天將它們帶到野外去填圖。直到開始向計算機輸入數(shù)據(jù)一切都進行的非常順利?？梢韵胂?，這是一件非?？菰锏墓ぷ?。考慮到計算機可以節(jié)省一部分時間和精力，于是在第三天，我們出去時帶上了計算機和紙質地圖。在這天結束時，學生們已經可以熟練地在計算機上填圖，心情也好多了。
我們又在野外呆了七天，進行野外填圖以及處理與計算機和軟件相關的問題。在兩個星期結束時，其中三個學生對填圖工作很滿意，第四個學生仍然懷疑我們能否得到有用的信息。
這學期結束后，人們對我們將計算機填圖引入 1999 年 6 月的本科野外實習很不放心。在六周野外實習的最后一周，我們指導了八位大學生。他們中間沒有一人用過 GIS 程序和 Arcview。我們給他們上了與研究生課程一樣短短的三個小時入門課就將他們送到野外。
大學生和研究生的經驗沒有太大的不同。這些學生對計算機填圖非常感興趣，很歡迎這種不用紙質圖、照片以及聚酯薄膜圖的改變。第一天結束時，大多數(shù)學生已能熟練地使用計算機；到了第二天的中午，他們問的都是關于地質學的問題，而不是如何使用程序的問題。
我們將這些不同的反應歸因為兩個因素。首先，大學生沒有用這樣的方式進行過填圖。他們沒有研究生那樣的包袱。第二，大學生對計算機更熟悉。兩年的年齡差距已經足夠了，年齡較小的學生希望使用計算機處理學習方面的任何問題以及生活方面的大多數(shù)問題。
3我們將繼續(xù)在堪薩斯大學的野外教學中使用計算機。我們計劃將大學生的野外計算機填圖課程延長至三周。同時依舊認為傳統(tǒng)的填圖技能非常重要。但是引入計算機將會增加學生們的興趣。
我們的許多學生現(xiàn)在都在上 GIS課程。這種變化在大學生中是一種根本性的變化，并不是教員強加給學生的一種思想。他們對軟件的基本知識了解比某些野外教員還要多。
人們正在解決野外使用計算機時遇到的一些問題。便攜式計算機越來越輕巧——由九磅減為四磅。電池的壽命在穩(wěn)定延長。使用一個鋰離子電池可以持續(xù)工作一整天?，F(xiàn)在的可觸屏幕在陽光下可讀。個人數(shù)字化助手很快就會有足夠的能力來運行軟件并高效處理填圖所需的大型圖形文件。
價格便宜（或是免費使用）的各種數(shù)字化格式的 7.5分地形圖，其廣泛實用成為數(shù)字填圖系統(tǒng)方便好使的一個重要因素?，F(xiàn)在我們需要可用于野外地質研究的、具有數(shù)字分辨率而且價格便宜的大比例尺航空照片。
數(shù)字化填圖的最后一個組件是全球定位系統(tǒng) (GPS) 接收器。使用GPS 可以為野外地質學家提供實時、準確的定位信息。盡管我們有辦法將 GPS 元件直接與便攜式計算機相連并下載位置坐標，GIS 包還是不能自動更新帶有適當圖例的地圖。因此，比較簡單的辦法是根據(jù) GPS 設備確定位置然后手工將光標移至地圖上的所在位置并記錄野外觀測結果。我們希望 GPS 能夠成為堅固耐用的便攜式計算機的標準選項，GIS 軟件包包括一個帶有 GPS 標準數(shù)據(jù)而且操作簡單的接口。取消GPS 信號中可選擇的實用性使GPS坐標數(shù)
據(jù)的精度幾乎提高了十倍。
經過改進而且公眾可以使用的 GPS信號或許是使GPS/GIS野外地質填圖成為一個部件背在每個學生的野外背帶上的原因，該部件特別適合Gfeller地區(qū)的野外環(huán)境。
4許多公司都生產適合野外工作的堅固耐用的便攜式計算機，它們主要用于軍事和林業(yè)市場。硬件的要求包括：一個針對各種自然環(huán)境的密封鍵盤，一個在陽光直射下可讀的屏幕以及一個金屬體。
我們所用的最結實的計算機即使一個研究生直接跌倒在計算機上都壓不壞。屏幕連接處和操作鈕在應力作用下往往最容易損壞。內置軟驅便于保存和移動文件，但是會增加系統(tǒng)的成本和重量。
我們常會高估電池壽命。通過試驗和錯誤操作，我們學會使用通常被忽略的計算機能量保存功能。其中Windows系統(tǒng)的“掛起”命令最有價值。
一個穩(wěn)定可讀的可觸屏幕非常有用，不過一般情況下它們都比較昂貴。
其他必需的硬件是每晚用作備份的 Zip 驅動和用于產生圖件的打印機。
有用的 GPS 接收器分為小型手持式裝置和較大的穹形實時差分裝置。手持式裝置比較輕便，而且對地質填圖而言其精確度已經足夠，特別是自半年前美國政府取消了 GPS 信號中的可選實用性后，大多數(shù)手持式 GPS 裝置的定位精度大約為 10 至 15 米——在7.5分的圖幅上的一條細鉛筆線大約相當于7米寬。因此，現(xiàn)在并不需要昂貴的實時差分裝置。
軟件每一套計算機操作系統(tǒng)都指定了可用的軟件。盡管我們的 GIS 實驗室中所用的計算機操作系統(tǒng)以 UNIX 為主，但在野外使用的計算機采用的卻是 Windows 操作系統(tǒng)。在實驗室我們把整套 ESRI、ERDAS 和 Adobe 產品用于 GIS、遙感和圖片制作。在野外，我們使用的是 ESRI 的 Arcview。其他有用的軟件包為 Mapinfo、PenMap 以及其他編程語言，如Visual Basic 和 Avenues。
Arcview 的主要缺陷在于它不能自動將弧形邊界線合并到多邊形中去。學生只是對地質特征的界線進行填圖，然后其他人必須將它們合并到巖組多邊形中。編輯工具軟件可以合并這些界線，從而擴展了我們可使用的特征編輯功能。
堪薩斯大學的學生編寫的 GeoClassifier 為點數(shù)據(jù)、線數(shù)據(jù)和多邊形數(shù)據(jù)添加了標準地質特征，它有一套大的足以在野外讀取的下拉菜單按鈕。我們在實驗室中使用該擴展程序，以使圖件數(shù)字化。
同樣是學生編寫的 GeoEditor， 它和 GeoClassifier 很相似，不過是為 GPS 設備提供合作支持，它可以通過串行電纜產生一個 NMEA－104 ASCII 文本輸出流。
當填圖人員選定一個點后， Visual Basic 程序就從 GPS 設備讀取數(shù)據(jù)流，解析出該點的坐標，然后將坐標傳遞給 Arcview 擴展應用程序，該程序在數(shù)據(jù)庫中產生一個定位點。
