面向地理實(shí)習(xí)的虛擬廬山環(huán)境建設(shè)

林玉標(biāo)，顧留碗

（滁州學(xué)院 國(guó)土信息工程系，安徽 滁州239012）

面向地理實(shí)習(xí)的虛擬廬山環(huán)境建設(shè)

林玉標(biāo)，顧留碗

（滁州學(xué)院 國(guó)土信息工程系，安徽 滁州239012）

針對(duì)目前地理野外實(shí)踐教學(xué)中教學(xué)方式、教學(xué)方法的不足以及客觀條件上的限制，提出面向地理實(shí)習(xí)的虛擬廬山環(huán)境建設(shè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則、內(nèi)容和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)借助Skyline三維開(kāi)發(fā)平臺(tái)，結(jié)合地理信息系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實(shí)、三維可視化與建模等技術(shù)，開(kāi)發(fā)集三維展示、查詢、空間分析以及多媒體演示功能為一體的面向地理實(shí)習(xí)的廬山虛擬地理環(huán)境交互式平臺(tái)。

地理實(shí)習(xí)；虛擬地理環(huán)境；廬山

0 引言

實(shí)踐教學(xué)在高校的人才培養(yǎng)和學(xué)校改革發(fā)展中發(fā)揮著重要作用，野外實(shí)習(xí)是實(shí)踐教學(xué)的核心組成部分，是學(xué)生理解理論知識(shí)、形成主動(dòng)學(xué)習(xí)精神、鍛煉綜合素質(zhì)和能力的過(guò)程，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力的重要途徑，但現(xiàn)階段由于課時(shí)、經(jīng)費(fèi)等方面的限制，傳統(tǒng)野外實(shí)習(xí)的局限性也越來(lái)越暴露出來(lái)，傳統(tǒng)野外教學(xué)實(shí)習(xí)的教學(xué)效果有時(shí)難以得到保證。

作為從地圖與GIS演變而來(lái)的地理學(xué)語(yǔ)言，虛擬地理環(huán)境集成了多源信息采集、地理信息系統(tǒng)、地理模型管理、虛擬現(xiàn)實(shí)、網(wǎng)絡(luò)、智能體等技術(shù)，它是地理環(huán)境、特定地理現(xiàn)象和規(guī)律的數(shù)字與多通道感知表達(dá)、計(jì)算與模擬［1］。將其應(yīng)用于地理及相關(guān)專業(yè)課程及實(shí)踐教學(xué)當(dāng)中，為學(xué)生營(yíng)造“自主學(xué)習(xí)”的環(huán)境，由傳統(tǒng)的“以教促學(xué)”的學(xué)習(xí)方式代之為學(xué)習(xí)者通過(guò)自身與信息環(huán)境的相互作用來(lái)得到知識(shí)、技能的新型學(xué)習(xí)方式，從而很好地彌補(bǔ)目前地理專業(yè)課程及實(shí)踐教學(xué)中的不足，收到良好的教學(xué)效果。

1 當(dāng) 前地理實(shí)習(xí) 存在的問(wèn)題［3－4］

1.1 以教師為主導(dǎo)的實(shí)習(xí)

傳統(tǒng)的地理實(shí)習(xí)教學(xué)方式是以教師為主，每到一個(gè)觀察點(diǎn)，把同學(xué)召集起來(lái)講解，學(xué)生被動(dòng)地聽(tīng)講和記錄，然后整理實(shí)習(xí)筆記，編寫(xiě)實(shí)習(xí)報(bào)告，教師批閱實(shí)習(xí)報(bào)告評(píng)分。這種教學(xué)方式存在的問(wèn)題是：學(xué)生難以通過(guò)這些“點(diǎn)”的觀察形成“面”，達(dá)到整體的、系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)；另外，這種方法有礙于學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的理論知識(shí)，分析解釋現(xiàn)實(shí)中的地理現(xiàn)象，制約了學(xué)生創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的發(fā)展。

1.2 實(shí)習(xí)學(xué)生多、時(shí)間少，經(jīng)費(fèi)不足

實(shí)習(xí)學(xué)生生人數(shù)逐年增多，帶隊(duì)教師數(shù)相對(duì)不足；在教學(xué)時(shí)間安排上，課堂教學(xué)與野外實(shí)習(xí)往往非同時(shí)進(jìn)行，造成了理論學(xué)習(xí)與現(xiàn)場(chǎng)感性認(rèn)識(shí)在時(shí)間上的脫節(jié)；實(shí)習(xí)費(fèi)用相對(duì)不足，實(shí)習(xí)點(diǎn)難以保護(hù)；限于經(jīng)濟(jì)條件，實(shí)習(xí)內(nèi)容有限，實(shí)習(xí)線路更新緩慢，難以反映學(xué)科的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)等等。要解決這些問(wèn)題，必須利用現(xiàn)在先進(jìn)的信息技術(shù)，把野外地理實(shí)習(xí)和虛擬地理環(huán)境結(jié)合起來(lái)。

1.3 實(shí)習(xí)基地觀察點(diǎn)減少

廬山地理實(shí)習(xí)內(nèi)容主要包括自然地理（氣候、植被、土壤）、地質(zhì)地貌、第四紀(jì)地層、環(huán)境生態(tài)等各種地理現(xiàn)象。近年來(lái)隨著旅游業(yè)的發(fā)展，野外實(shí)習(xí)基地為了發(fā)展旅游經(jīng)濟(jì)，廬山一些自然景觀往往被人工改造，典型地理現(xiàn)象可能被人工掩飾，這些都直接影響到教學(xué)任務(wù)的完成和實(shí)習(xí)效果。

2 面向地理實(shí)習(xí)的虛擬廬山環(huán)境系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

建立和運(yùn)行面向地理實(shí)習(xí)的虛擬廬山環(huán)境原型系統(tǒng)的目標(biāo)和任務(wù)是，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入高校地理實(shí)習(xí)教學(xué)，通過(guò)對(duì)野外實(shí)習(xí)數(shù)據(jù)有效的進(jìn)行管理和分析，建立能夠地學(xué)表現(xiàn)數(shù)據(jù)模型和地學(xué)過(guò)程數(shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn)地理教學(xué)各分支學(xué)科實(shí)踐教學(xué)的內(nèi)容整合和形式整合，從而達(dá)到地理各學(xué)科知識(shí)綜合學(xué)習(xí)，使學(xué)生在教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)中能夠更直觀了解和掌握地理知識(shí)，起到輔助性教學(xué)的效果。具體原則目標(biāo)可分為以下四點(diǎn)：

（1）實(shí)現(xiàn)野外實(shí)習(xí)信息資源共享和信息服務(wù)社會(huì)化，為教師和學(xué)生了解野外實(shí)習(xí)區(qū)域自然情況提供有效服務(wù)。

（2）教師課堂教學(xué)與野外實(shí)踐工作提供有效的輔助工具，實(shí)現(xiàn)地理野外實(shí)習(xí)的科學(xué)化、規(guī)范化，提高學(xué)習(xí)效率。

（3）實(shí)現(xiàn)地理野外實(shí)習(xí)區(qū)域路線的動(dòng)態(tài)編制和科學(xué)管理，保證自然地理野外實(shí)習(xí)工作的先進(jìn)性和連續(xù)性。

（4）成為各類地理教學(xué)管理信息系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)平臺(tái)，為建設(shè)自然地理野外實(shí)習(xí)綜合管理信息系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

3 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)主要借助于Skyline三維平臺(tái)，通過(guò)獲取廬山遙感影像和DEM，建立三維可視的虛擬現(xiàn)實(shí)，提取和收集相關(guān)的地理空間信息，以遙感圖像和GIS數(shù)據(jù)為依托，運(yùn)用ENVI3.5、ArcGIS9.3等軟件進(jìn)行可視化分析，并且用C＃自行開(kāi)發(fā)界面和接口程序。

3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

系統(tǒng)主要內(nèi)容分為三個(gè)部分：虛擬實(shí)習(xí)、儀器操作和教學(xué)管理。虛擬實(shí)習(xí)包括廬山概況、植被、土壤、氣候、水文、資源、環(huán)境、地質(zhì)和第四紀(jì)地貌等內(nèi)容，形式上既有各觀察點(diǎn)的空間位置坐標(biāo)、觀察內(nèi)容的文字描述和照片、圖形等，也有實(shí)習(xí)區(qū)域各實(shí)習(xí)專題信息。儀器操作主要包括地質(zhì)羅盤(pán)、手持GPS、測(cè)距儀、氣壓海拔儀等使用方法。教學(xué)管理主要包括實(shí)習(xí)要求、實(shí)習(xí)成績(jī)?cè)u(píng)定的標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)習(xí)成績(jī)的評(píng)定以及實(shí)習(xí)期間輔助管理。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖

3.3 系統(tǒng)功能應(yīng)用

（1）數(shù)據(jù)管理模塊

本系統(tǒng)主要的數(shù)據(jù)有：廬山TM影像、等高線（等距為20m）、DEM、植被圖、土壤圖、土地利用圖、地貌圖、規(guī)劃圖和廬山自然、經(jīng)濟(jì)、人文、社會(huì)的基本資料。本文針對(duì)虛擬地理環(huán)境建設(shè)對(duì)空間數(shù)據(jù)的要求研究多源異構(gòu)空間數(shù)據(jù)集成方法，提出了面向多維的數(shù)據(jù)表達(dá)模型，分析多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的解析及其與模型的交互，解決數(shù)據(jù)和模型兩個(gè)層次上的集成問(wèn)題。

（2）三維數(shù)字地形的動(dòng)態(tài)顯示

為了達(dá)到逼真的顯示效果，在三維幾何模型上疊加真實(shí)影像數(shù)據(jù)。TM影像經(jīng)校正和波段調(diào)整具備了真實(shí)感，用于疊加到TIN模型上，得到較自然的顯示效果。同時(shí)系統(tǒng)可以自定義和生成飛行路線，并提供多種設(shè)置和漫游工具，可調(diào)整觀察者的視點(diǎn)位置、觀察點(diǎn)的高度、觀察方向、觀察視角、光照角度、高程因子、飛行方向、飛行高度、飛行速度等，使之達(dá)到最佳的演示效果，如圖2所示。

圖2 三維數(shù)字地形動(dòng)態(tài)演示

（3）信息查詢

三維模型的顯示與平面不是一一對(duì)應(yīng)的，要完成查詢就必須追溯到二維，本系統(tǒng)利用圖形學(xué)的知識(shí)進(jìn)行二維到三維的轉(zhuǎn)化，可以進(jìn)行圖查屬性、屬性定位、圖文查詢、高級(jí)查詢等功能，能使學(xué)生快速查到所需信息，如圖3。

圖3 SQL查詢

（4）虛擬實(shí)習(xí)

虛擬實(shí)習(xí)包括廬山概況、植被、土壤、氣候、水文、資源、環(huán)境、地質(zhì)和第四紀(jì)地貌等內(nèi)容，使用者可以選擇指定的野外實(shí)習(xí)路線，以交互式錄入的方式對(duì)該區(qū)域的地質(zhì)、地貌進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，如圖4所示。

圖4

（5）空間分析與輔助決策

空間分析和輔助決策模塊主要基于兩點(diǎn)：一是輔助學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)習(xí)線路和分散實(shí)習(xí)小組自主決定實(shí)習(xí)調(diào)查時(shí)提供實(shí)習(xí)線路的分析和決策幫助；二是輔助學(xué)生對(duì)實(shí)習(xí)區(qū)域各種地理現(xiàn)象聯(lián)系思考，培養(yǎng)地理思維，如計(jì)算興趣區(qū)的坡度、坡向、剖面等。與其它的地理信息系統(tǒng)中輔助決策模塊相比，主要有多圖層疊加分析、地圖數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)共同分析、最優(yōu)路徑分析等，并能提供相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)分析專題圖。圖5是最優(yōu)實(shí)習(xí)路線的分析示意圖。

圖5 最優(yōu)實(shí)習(xí)路線選擇

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)

4.1 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的集成

針對(duì)虛擬地理環(huán)境建設(shè)對(duì)空間數(shù)據(jù)的要求研究多源異構(gòu)空間數(shù)據(jù)集成方法，提出面向多維的數(shù)據(jù)表達(dá)模型，重點(diǎn)探討多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的集成流程和體系框架，分析多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的解析及其與模型的交互，解決數(shù)據(jù)和模型兩個(gè)層次上的集成問(wèn)題，同時(shí)，將數(shù)據(jù)和地理模型封裝部署在分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，為用戶共享分布式地理模型進(jìn)行地理問(wèn)題研究服務(wù)［5－7］。

4.2 大規(guī)模場(chǎng)景數(shù)據(jù)組織、調(diào)度

通過(guò)數(shù)據(jù)分割、加工和索引機(jī)制，將三維場(chǎng)景空間數(shù)據(jù)，包括DEM數(shù)據(jù)、地物模型數(shù)據(jù)、紋理影像數(shù)據(jù)及元數(shù)據(jù)，組織成一個(gè)由不同細(xì)節(jié)層次、不同地域覆蓋范圍的多個(gè)子場(chǎng)景構(gòu)成的金字塔型結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，分析場(chǎng)景可視化的特點(diǎn)及不同策略的優(yōu)劣，利用遮擋剔除、細(xì)節(jié)層次簡(jiǎn)化、多線程處理與路線預(yù)判技術(shù)，在原有的優(yōu)化理論框架中引入對(duì)空間對(duì)象繪制復(fù)雜性因素的考慮，完善有關(guān)三維場(chǎng)景實(shí)時(shí)繪制的形式化描述，從而以更加合理的優(yōu)化目標(biāo)和約束條件來(lái)研究數(shù)據(jù)調(diào)度中的預(yù)取策略，為大規(guī)模三維場(chǎng)景實(shí)時(shí)繪制中有關(guān)數(shù)據(jù)調(diào)度的研究提供更完備的可量化的手段。

5 結(jié)束語(yǔ)

自然地理野外實(shí)習(xí)是高校地理教學(xué)的一項(xiàng)非常重要的工作。面向地理實(shí)習(xí)的虛擬廬山環(huán)境建設(shè)將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入高校地理實(shí)習(xí)教學(xué)，輔以強(qiáng)大的GIS功能、豐富多樣的多源多尺度數(shù)據(jù)，以虛擬場(chǎng)景方式可創(chuàng)新展現(xiàn)了區(qū)域的景觀特征，將地理學(xué)科中分支學(xué)科教學(xué)內(nèi)容綜合起來(lái)，增大了信息量，增強(qiáng)實(shí)習(xí)的綜合性，并節(jié)約實(shí)習(xí)時(shí)間和財(cái)力，還可以在一定程度上彌補(bǔ)由于天氣等因素造成的無(wú)法較好觀察的缺憾，達(dá)到更好的教學(xué)效果，為地理教育提供了良好的教學(xué)和學(xué)習(xí)環(huán)境。

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X32

：A

：1673－1794（2010）05－0040－03

林玉標(biāo)（1962－），男，副教授，研究方向：自然地理學(xué)與GIS應(yīng)用。

安徽省教育廳教學(xué)研究項(xiàng)目（2007jyxm 452）

2010－08－14