使用便携式计算机与地理信息系统对露头进行数字填图的野外地质教学
二十年来，地质学家已经由顽固的计算机恐惧症患者转变为方方面面都离不开计算机的计算机使用者。现在，计算机正在进攻“老式”地质学家的最后一个堡垒：在露头上进行原始野外填图。
野外填图人员仍然脚蹬靴子，肩背背包，手握锤子和地质草图而不带计算机进行野外工作。即使出现了个人计算机，大多数露头填图人员仍然使用独立的、自立更生并引以自豪的低级技术，这种低级技术在将原始的地质学介绍给科学社会时代是必要的。
但是在现代社会，尤其是在高等教育中，计算机已无所不在。今天的学生很小就开始接触计算机，许多学生实际上已将计算机作为主要学习工具。如果要试用数字填图技术，没有谁比学生更合适。在过去两年来，我们一直在教地质专业的学生在野外使用便携式计算机和地理信息系统（GIS）软件。
填图本身正在变成一个数字化过程。随着 Internet 的出现，人们预测新的科学信息都应该数字化。
将历史数据输入一个能够将之与其他信息合并起来的系统是一项烦琐的工作。而将填图数据输入计算机对地质学家来说更加艰巨。在将图件转换成数字化数据集的实验室和办公室里，人们经常会听到“数字奴隶”这个可爱的词汇。在填图过程的起点，即野外，使填图信息数字化可为填图人员省去许多耗时的步骤。
地质数据与位置有关：地质观测所在的海拔与位置和观测本身一样重要。这就是以地图格式记录大多数地质数据的原因所在。正因如此，地质露头观测结果也适合利用现有的GIS软件包进行记录和处理。
我们和我们的学生使用 GIS软件对地质图进行编辑、绘制和研究。为了使模拟地质过程的三维数据可视化，以及将地质图和卫星图像、航空照片及其他数据集结合起来，我们也使用这种软件。
现有的地质图是进入数据库的最难弄的信息源。地质图上的信息包括地质学家对在露头上获得的野外观测结果的随意解释。从事编制数字化地质图的工作人员必须解释图上随意的符号。
为什么不在露头上将数据直接输入 GIS数据包从而省去实验室中另一个在技术上容易出错而且耗时又耗资的步骤？
在问了自己同样这个问题后，我们着手研究将野外填图与计算机相结合的课题。一些私营公司、政府机构和学术团体也在研究同一个课题，我们曾在美国地质学会、美国石油地质学家协会、美国地球物理联合会和环境研究所用户小组的会议上与他们会过面。一些组织，特别是加拿大地质调查局、Bowling Green州立大学和加利福尼亚大学伯克利分校也在进行数字填图项目。不过，几乎所有的人都处于同一研究阶段。
2我们首先在 1999年1月的研究生填图课程中开始使用计算机和相关软件。共有四个研究生选择了这门课程。这些学生原先都有填图经验，其中三人曾经使用过 Arcview 软件。
这些学生首先需要解决的是如何将他们的便携式计算机带到野外。在忙碌了一个小时并用去一箱从宿营商店购买的纸带、环扣、夹子和胶带后，他们准备出发到野外去。第一天的大部分时间都在熟悉计算机以及尝试输入露头上的地质数据。
总之，第一天结束时，学生们对整个操作很不满意。携带九磅重的计算机可不是开玩笑的，数字化是一种折磨，屏幕模糊，电池能量不足而且笨重。我们对这种情况有点失望。
为了避免将野外的时间全部浪费，学生们将地图打印出来并在第二天将它们带到野外去填图。直到开始向计算机输入数据一切都进行的非常顺利。可以想象，这是一件非常枯燥的工作。考虑到计算机可以节省一部分时间和精力，于是在第三天，我们出去时带上了计算机和纸质地图。在这天结束时，学生们已经可以熟练地在计算机上填图，心情也好多了。
我们又在野外呆了七天，进行野外填图以及处理与计算机和软件相关的问题。在两个星期结束时，其中三个学生对填图工作很满意，第四个学生仍然怀疑我们能否得到有用的信息。
这学期结束后，人们对我们将计算机填图引入 1999 年 6 月的本科野外实习很不放心。在六周野外实习的最后一周，我们指导了八位大学生。他们中间没有一人用过 GIS 程序和 Arcview。我们给他们上了与研究生课程一样短短的三个小时入门课就将他们送到野外。
大学生和研究生的经验没有太大的不同。这些学生对计算机填图非常感兴趣，很欢迎这种不用纸质图、照片以及聚酯薄膜图的改变。第一天结束时，大多数学生已能熟练地使用计算机；到了第二天的中午，他们问的都是关于地质学的问题，而不是如何使用程序的问题。
我们将这些不同的反应归因为两个因素。首先，大学生没有用这样的方式进行过填图。他们没有研究生那样的包袱。第二，大学生对计算机更熟悉。两年的年龄差距已经足够了，年龄较小的学生希望使用计算机处理学习方面的任何问题以及生活方面的大多数问题。
3我们将继续在堪萨斯大学的野外教学中使用计算机。我们计划将大学生的野外计算机填图课程延长至三周。同时依旧认为传统的填图技能非常重要。但是引入计算机将会增加学生们的兴趣。
我们的许多学生现在都在上 GIS课程。这种变化在大学生中是一种根本性的变化，并不是教员强加给学生的一种思想。他们对软件的基本知识了解比某些野外教员还要多。
人们正在解决野外使用计算机时遇到的一些问题。便携式计算机越来越轻巧——由九磅减为四磅。电池的寿命在稳定延长。使用一个锂离子电池可以持续工作一整天。现在的可触屏幕在阳光下可读。个人数字化助手很快就会有足够的能力来运行软件并高效处理填图所需的大型图形文件。
价格便宜（或是免费使用）的各种数字化格式的 7.5分地形图，其广泛实用成为数字填图系统方便好使的一个重要因素。现在我们需要可用于野外地质研究的、具有数字分辨率而且价格便宜的大比例尺航空照片。
数字化填图的最后一个组件是全球定位系统 (GPS) 接收器。使用GPS 可以为野外地质学家提供实时、准确的定位信息。尽管我们有办法将 GPS 元件直接与便携式计算机相连并下载位置坐标，GIS 包还是不能自动更新带有适当图例的地图。因此，比较简单的办法是根据 GPS 设备确定位置然后手工将光标移至地图上的所在位置并记录野外观测结果。我们希望 GPS 能够成为坚固耐用的便携式计算机的标准选项，GIS 软件包包括一个带有 GPS 标准数据而且操作简单的接口。取消GPS 信号中可选择的实用性使GPS坐标数
据的精度几乎提高了十倍。
经过改进而且公众可以使用的 GPS信号或许是使GPS/GIS野外地质填图成为一个部件背在每个学生的野外背带上的原因，该部件特别适合Gfeller地区的野外环境。
4许多公司都生产适合野外工作的坚固耐用的便携式计算机，它们主要用于军事和林业市场。硬件的要求包括：一个针对各种自然环境的密封键盘，一个在阳光直射下可读的屏幕以及一个金属体。
我们所用的最结实的计算机即使一个研究生直接跌倒在计算机上都压不坏。屏幕连接处和操作钮在应力作用下往往最容易损坏。内置软驱便于保存和移动文件，但是会增加系统的成本和重量。
我们常会高估电池寿命。通过试验和错误操作，我们学会使用通常被忽略的计算机能量保存功能。其中Windows系统的“挂起”命令最有价值。
一个稳定可读的可触屏幕非常有用，不过一般情况下它们都比较昂贵。
其他必需的硬件是每晚用作备份的 Zip 驱动和用于产生图件的打印机。
有用的 GPS 接收器分为小型手持式装置和较大的穹形实时差分装置。手持式装置比较轻便，而且对地质填图而言其精确度已经足够，特别是自半年前美国政府取消了 GPS 信号中的可选实用性后，大多数手持式 GPS 装置的定位精度大约为 10 至 15 米——在7.5分的图幅上的一条细铅笔线大约相当于7米宽。因此，现在并不需要昂贵的实时差分装置。
软件每一套计算机操作系统都指定了可用的软件。尽管我们的 GIS 实验室中所用的计算机操作系统以 UNIX 为主，但在野外使用的计算机采用的却是 Windows 操作系统。在实验室我们把整套 ESRI、ERDAS 和 Adobe 产品用于 GIS、遥感和图片制作。在野外，我们使用的是 ESRI 的 Arcview。其他有用的软件包为 Mapinfo、PenMap 以及其他编程语言，如Visual Basic 和 Avenues。
Arcview 的主要缺陷在于它不能自动将弧形边界线合并到多边形中去。学生只是对地质特征的界线进行填图，然后其他人必须将它们合并到岩组多边形中。编辑工具软件可以合并这些界线，从而扩展了我们可使用的特征编辑功能。
堪萨斯大学的学生编写的 GeoClassifier 为点数据、线数据和多边形数据添加了标准地质特征，它有一套大的足以在野外读取的下拉菜单按钮。我们在实验室中使用该扩展程序，以使图件数字化。
同样是学生编写的 GeoEditor， 它和 GeoClassifier 很相似，不过是为 GPS 设备提供合作支持，它可以通过串行电缆产生一个 NMEA－104 ASCII 文本输出流。
当填图人员选定一个点后， Visual Basic 程序就从 GPS 设备读取数据流，解析出该点的坐标，然后将坐标传递给 Arcview 扩展应用程序，该程序在数据库中产生一个定位点。
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