地理環(huán)境虛擬實驗系統(tǒng)

江 輝 仙

(福建師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院， 福建 福州 350007)

0 引 言

根據(jù)開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作精神，確定虛擬仿真實驗教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)和實驗教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容，是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物。虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作堅持“科學(xué)規(guī)劃、共享資源、突出重點、提高效益、持續(xù)發(fā)展”的指導(dǎo)思想，以全面提高高校學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力為宗旨，以共享優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源為核心，以建設(shè)信息化實驗教學(xué)資源為重點，持續(xù)推進實驗教學(xué)信息化建設(shè)，推動高等學(xué)校實驗教學(xué)改革與創(chuàng)新。高校地理學(xué)科以空間、區(qū)位、地方和區(qū)域為框架將地球表面解剖，并從形成因素在地表的作用力的變化分析地球表面的演變[1-2]。地理實驗是地理教學(xué)活動中一個必不可少的過程，學(xué)生只有通過足夠的驗證性實驗和一定數(shù)量的綜合性實驗、創(chuàng)新性實驗，才能真正理解和掌握該地理學(xué)科的理論知識，才能獲得一定的綜合測試技能和實驗?zāi)芰Γ⒊醪骄哂刑幚韺嶋H工作的能力。虛擬地理環(huán)境實驗設(shè)計是指通過地球表層系統(tǒng)地理環(huán)境和地理問題的相似性模擬表達，在理論假設(shè)的基礎(chǔ)上，通過模型構(gòu)建、參數(shù)與條件調(diào)控計算以及可視化分析反饋，在虛擬地理環(huán)境信息世界中“查考自然，逼迫自然自露真相”[3]，以獲取新的地理經(jīng)驗與知識。計算機與網(wǎng)絡(luò)支持下的數(shù)字地球與虛擬環(huán)境中開展的地理實驗，它既可以與野外定位地理實驗、室內(nèi)地理模型實驗相對應(yīng)、關(guān)聯(lián)與互補，也可以依據(jù)某些地理特征、現(xiàn)象與規(guī)律構(gòu)建虛擬地理實驗。虛擬地理環(huán)境實驗的開展為地理學(xué)科實驗教學(xué)的改革提供了一種新的思路，是促進地理實驗教學(xué)發(fā)展的重要途徑；積極開展虛擬實驗系統(tǒng)對于有效解決實驗教學(xué)資源不足的現(xiàn)狀、為學(xué)生進行實驗教學(xué)提供了新的教學(xué)方法[4]。它為地理實驗教學(xué)更好地避免真實實驗或操作所帶來的各種危險、徹底打破空間、時間的限制，探索一種新的教學(xué)模式等方面都具有十分重要的意義。

1 虛擬地理環(huán)境實踐模式

對高校地理教學(xué)而言，實驗是對研究地球科學(xué)理論知識進行深化認知的一個重要途徑。相對于理論教學(xué)，實驗教學(xué)則顯示出直觀具體和能動創(chuàng)造的優(yōu)勢。它通過理論聯(lián)系實際，加深學(xué)生對地理教學(xué)中基礎(chǔ)知識和基本理論的理解和掌握，幫助學(xué)生掌握區(qū)域綜合調(diào)查及分析問題和解決問題的能力。把虛擬現(xiàn)實應(yīng)用于教育是教育技術(shù)發(fā)展的一個飛躍，就教育理論而言，虛擬現(xiàn)實實現(xiàn)人的臨場化，參與者與虛擬環(huán)境是互相作用、互相影響的一個整體的兩個方面[5-6]。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在空間信息可視化中的應(yīng)用為我們提供了一種新的認知環(huán)境——虛擬地理環(huán)境，它是空間信息可視化的一種全新模式。虛擬地理環(huán)境源于虛擬現(xiàn)實技術(shù)，高于虛擬現(xiàn)實技術(shù)，它是從地學(xué)的網(wǎng)絡(luò)可視化研究提出的，是一個關(guān)于地理系統(tǒng)的虛擬實驗室，強調(diào)人的感知性和沉浸感，讓更多的學(xué)習(xí)者利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)同時在虛擬的實驗室進行交流和討論。它的構(gòu)建過程是對地理信息的加工處理和傳輸過程，其目的是對所處環(huán)境事物的空間位置、相互關(guān)系和性質(zhì)進行采集、編碼、存儲、提取和譯碼等[7]。虛擬地理實驗的重要目標是從地理數(shù)據(jù)獲得新地理知識并可支持地理決策；可以增強并擴展了實驗教學(xué)的功能，借助數(shù)字化校園來實現(xiàn)實驗教學(xué)的開放、共享，提高實驗效果、降低實驗成本。它營造了“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)方式代之以由學(xué)習(xí)者通過自身與信息和環(huán)境的相互作用來得到知識，技能的新型學(xué)習(xí)方式，培養(yǎng)具有寬厚扎實的基礎(chǔ)知識、較高的綜合素質(zhì)、強烈的創(chuàng)新意識和較強的創(chuàng)新能力的地理學(xué)理論研究與教學(xué)專門人才。

1.1 當(dāng)前地理教育對地理實踐教學(xué)的要求

地理學(xué)科的實驗教學(xué)內(nèi)容體系以強化實驗技能為重點，以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為核心，實驗教學(xué)與科研能力培養(yǎng)緊密結(jié)合，著重強調(diào)學(xué)生在實驗過程中綜合性、設(shè)計性和創(chuàng)新性能力。針對地理學(xué)是實踐性強的學(xué)科特點，通過理論聯(lián)系實際，幫助學(xué)生掌握自然地理學(xué)、人文地理學(xué)、生態(tài)學(xué)、地理信息系統(tǒng)等相關(guān)課程的基本理論和基本技能，培養(yǎng)學(xué)生的感知認識能力、分析問題和解決問題的能力，并初步掌握對一個區(qū)域自然資源、經(jīng)濟區(qū)位、信息環(huán)境等進行綜合調(diào)查及分析的方法。因此，結(jié)合地理學(xué)科特點，主要通過三層次構(gòu)筑地理學(xué)實踐創(chuàng)新培養(yǎng)體系[8]。

(1) 基礎(chǔ)學(xué)習(xí)層次。按教學(xué)進度分門地理學(xué)實習(xí)，包括實驗課程與實習(xí)課程。如：地質(zhì)地貌實、植物學(xué)、土壤學(xué)、氣象、水文、生態(tài)監(jiān)測、環(huán)境化學(xué)、 地理信息系統(tǒng)空間分析、遙感圖像解譯與應(yīng)用、計算機制圖。

(2) 綜合實驗學(xué)習(xí)層次。根據(jù)學(xué)生的興趣與愛好，分3個大方向(自然地理、GIS、人文)安排學(xué)生集中教學(xué)實習(xí)、畢業(yè)實踐實習(xí)進行不同階段的實習(xí)和實驗。從室內(nèi)遙感圖像解譯，到實驗基礎(chǔ)研究區(qū)定位、判讀各地理要素分析應(yīng)用，最后回到室內(nèi)制圖輸出或分析結(jié)果等室內(nèi)教學(xué)—室外操作—分析結(jié)果的全過程。

(3) 科學(xué)研究學(xué)習(xí)層次。資料查詢能力培養(yǎng)、申請不同類型的科研項目、發(fā)表研究論文。而當(dāng)前高等學(xué)校地理學(xué)科在派生出了一些新領(lǐng)域和應(yīng)用方向的同時，地理學(xué)科的野外實踐課程和實驗課程等的實踐環(huán)節(jié)難度加大，導(dǎo)致一些高校對學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新型能力無法提供適當(dāng)?shù)乩韺嶒灜h(huán)境，使得學(xué)生實驗訓(xùn)練無法跟上技術(shù)的發(fā)展，大學(xué)生在就業(yè)過程中無法滿足社會的需求。當(dāng)前高校地理實驗教學(xué)存在主要問題是：①單課程實踐模式導(dǎo)致課程實踐內(nèi)容單一。地理學(xué)實踐活動要求具有綜合性，實踐活動中需要應(yīng)用多門課程知識來解釋實踐中碰到的問題，但被目前的教學(xué)課程體制割裂成單課程實踐模式。學(xué)生在實踐過程中一般只能依據(jù)單門課程進行實驗，而無法進行地理知識的綜合實驗。②經(jīng)費投入水平無法滿足學(xué)科發(fā)展需要的綜合教學(xué)實踐。③同一大學(xué)多校區(qū)模式造成同一學(xué)科實踐基地的分散。

1.2 虛擬實驗系統(tǒng)與現(xiàn)實實驗教學(xué)的對比評價

相對傳統(tǒng)的現(xiàn)實實驗，虛擬地理環(huán)境實驗就是應(yīng)用計算機建立能逼真地反映現(xiàn)實情景地理環(huán)境世界;它能夠與傳統(tǒng)實驗一樣，觀察實驗現(xiàn)象、獲得實驗數(shù)據(jù)和體驗。可以憑著先進的三維環(huán)境系統(tǒng)平臺，結(jié)合地理學(xué)科中各分支學(xué)科進行一系列的研究性實踐學(xué)習(xí)，實現(xiàn)相關(guān)研究性學(xué)習(xí)目標。為地理實驗教學(xué)提供一種虛擬實驗技術(shù)與地理學(xué)科研究性實踐學(xué)習(xí)的整合實施模式。以三維地理環(huán)境背景基礎(chǔ)圖層為平臺，輔以強大的GIS功能、豐富多樣的矢量數(shù)據(jù)、統(tǒng)計數(shù)據(jù)，以“軟件+數(shù)據(jù)”的模式解決地理多學(xué)科綜合教學(xué)問題，可滿足自然地理、人文地理、地理工程和綜合地理教學(xué)的需要。以虛擬場景方式可創(chuàng)新展現(xiàn)高山、平原、河流、湖泊、丘陵、沙漠、城鄉(xiāng)景觀等任何區(qū)域的景觀特征，可以完全改變傳統(tǒng)地理教學(xué)只靠文字和少量局部圖片的教學(xué)模式，“百聞不如一見”使自然地理、人文地理教學(xué)的生動性和真實性大大提高。在虛擬地理實驗中由于實驗的設(shè)備主要是用計算機虛擬的，其實驗成本主要是計算機和虛擬軟件,相對現(xiàn)實實驗而言，具有成本低、占用空間小，同時可以進行重復(fù)多次實驗而不會耗費實驗材料[9-10]。通過利用虛擬地理環(huán)境技術(shù)來表現(xiàn)地理的結(jié)構(gòu)和動態(tài)，為學(xué)生提供一種可供他們實驗和觀測的環(huán)境，計算機模擬允許學(xué)生通過改變輸入數(shù)據(jù)的大小來觀測地理現(xiàn)象的變化．教學(xué)模擬軟件為學(xué)生提供了一個無危險的、不昂貴的方式與真實世界交互，學(xué)生通過修改地理模型元素，改變模型的不同變量得到不同的結(jié)果。因此，在大學(xué)地理實踐教學(xué)中引入虛擬地理環(huán)境實驗技術(shù)對地理實踐教學(xué)改革帶來創(chuàng)新，如表1[11-14]。虛擬實驗雖然調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性．但也使學(xué)生的協(xié)作意識變差很難有效培養(yǎng)起學(xué)生的團隊精神和協(xié)作意識。

2 虛擬地理環(huán)境實驗系統(tǒng)設(shè)計方法

目前，國內(nèi)外很多高校已經(jīng)將虛擬現(xiàn)實技術(shù)成功地應(yīng)用在教學(xué)環(huán)節(jié)上面，并且開發(fā)出許多虛擬教學(xué)軟件和虛擬仿真教學(xué)平臺。虛擬地理環(huán)境實驗系統(tǒng)就是運用虛擬地理環(huán)境技術(shù)，通過軟件和實驗數(shù)據(jù)模式來模擬地理現(xiàn)象演變的過程和結(jié)果，表現(xiàn)出地理空間的結(jié)構(gòu)和動態(tài)，從而為學(xué)生地理實驗活動提供一種情景仿真的的虛擬觀測和操縱環(huán)境；允許學(xué)生通過設(shè)置不同系統(tǒng)參數(shù)來觀測地理現(xiàn)象的變化，營造了學(xué)生“自主學(xué)習(xí)”的環(huán)境，由傳統(tǒng)的接受型的學(xué)習(xí)方式轉(zhuǎn)向探究型學(xué)習(xí)方式，學(xué)生通過自身與仿真構(gòu)建的情景教學(xué)環(huán)境的相互作用來得到知識、技能的新型學(xué)習(xí)方式[15]。地理的實驗可以在虛擬實驗室中進行，同時在實驗過程中培養(yǎng)和提高了學(xué)生的動手能力、實驗?zāi)芰Α⒎治鰡栴}和解決問題的能力。這樣的實踐教學(xué)方式既可縮短實踐的時間，又可獲得直觀、真實的效果，還能對那些不可視的結(jié)構(gòu)原理(例：地貌漫長時間變化)進行仿真實驗，一方面便于學(xué)生獲得理論知識，另一方面培養(yǎng)學(xué)生自我訓(xùn)練的意識和創(chuàng)新能力；使地理實踐教學(xué)在時間與空間上進行了擴展，克服了時空的障礙。

表1 虛擬地理環(huán)境實驗系統(tǒng)與現(xiàn)實實驗教學(xué)的對比評價

虛擬技術(shù)的不斷發(fā)展也促進了虛擬實驗的不斷發(fā)展，結(jié)合當(dāng)前虛擬實驗的特征以及計算機技術(shù)的發(fā)展特點，虛擬地理環(huán)境實驗的構(gòu)建主要有以下兩種類型：

(1)沉浸式虛擬實驗室。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和地理信息系統(tǒng)技術(shù)的有機融合，引入虛擬現(xiàn)實技術(shù)和3S大場景構(gòu)建技術(shù)，使用數(shù)字化仿真軟件，可使學(xué)習(xí)者與虛擬地理環(huán)境有著全面的感官接觸與交融，使操作者有身臨其境之感。

(2) 協(xié)作式虛擬實驗室。借助計算機技術(shù)和協(xié)同技術(shù)，通過協(xié)同虛擬環(huán)境或其他分布式虛擬環(huán)境，引入群體決策的思想，通過專家的遠程協(xié)商和協(xié)同數(shù)據(jù)挖掘，充分分析實驗數(shù)據(jù)；通過引入遠程控制和虛擬儀器技術(shù)，可以遠程操縱實驗，控制實驗進程。協(xié)作式實驗的核心是讓一群學(xué)習(xí)者 “共同”去完成某一實驗任務(wù)，學(xué)習(xí)者對實驗過程的理解是在與同伴竟?fàn)帯贤?、協(xié)調(diào)和合作過程中逐漸形成的，有助于培養(yǎng)學(xué)生的團結(jié)互助、認真負責(zé)的精神。本文研究案例以沉浸式虛擬實驗室作為虛擬實驗構(gòu)建類型。構(gòu)建體系包括研究地理學(xué)對象和方法以及地理相關(guān)要素操作的基本理論體系、虛擬地理環(huán)境實驗平臺的構(gòu)建以及虛擬地理環(huán)境實踐體系、虛擬地理環(huán)境實驗應(yīng)用(見圖1)。其中虛擬地理實驗室構(gòu)建采用了三層架構(gòu)體系來進行設(shè)計和維護，自下而上分別為：數(shù)據(jù)訪問層(DAL)、業(yè)務(wù)邏輯層(BLL)以及表現(xiàn)層(USL)。三層架構(gòu)把用戶交互部分、邏輯操作部分和數(shù)據(jù)訪問部分在邏輯上進行分層，從而降低層與層之間的依賴性，很好地實現(xiàn)了高耦合低內(nèi)聚的思想；以大型的多源、多尺度集成數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，以地理可視化表達為界面，具有地理空間感知與圖解思維規(guī)律的主動式、集成化計算與分析環(huán)境。

3 初步示例應(yīng)用

本文以地貌學(xué)中的海蝕地貌發(fā)育過程為例，通過三維動態(tài)演示其演變形成過程，模擬案例為福建海壇島半洋石帆海蝕地貌發(fā)育歷史。海壇島及其周圍島嶼上出露的巖石主要有：距今13 700萬年前形成的燕山早期花崗閃長巖、燕山晚期花崗閃長巖、燕山晚期石英閃長巖、燕山晚期二長花崗巖等巖漿巖，以及距今9 600萬年前形成的下白堊統(tǒng)火山巖等。進入新生代，由于構(gòu)造運動導(dǎo)致海壇島及其周圍地區(qū)地殼上升，巖漿巖的上覆巖石受到外力風(fēng)化剝蝕導(dǎo)致巖漿巖出露地表。在內(nèi)力和外力的作用下，海壇島及其周圍海域發(fā)育了種類豐富的地貌，如海蝕地貌、海積地貌、海灣潟湖、丘陵、臺地、濱海平原等，其中，屹立于海壇海峽中的兩個由燕山早期花崗閃長巖構(gòu)成的海蝕柱(半洋石帆)，大者高33 m，小者高17 m，據(jù)考證是世界上最大的花崗巖海蝕柱。半洋石帆海蝕柱是由于周圍抗風(fēng)化剝蝕能力較弱的花崗巖被風(fēng)化剝蝕后，抗風(fēng)化剝蝕能力較強的花崗巖逐漸與海壇島的花崗巖分離；又由于發(fā)育了兩組垂直節(jié)理，在風(fēng)化作用和波浪侵蝕作用下，形成了兩個至今還屹立在海面之上的殘留花崗巖體。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以大大增強地理空間信息系統(tǒng)的可視性，實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實技術(shù)主要有兩種方法，一是基于幾何繪制的技術(shù)，二是基于圖像的繪制技術(shù)。目前，虛擬現(xiàn)實在地學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用都是基于幾何繪制技術(shù)實現(xiàn)的。即在虛擬地理環(huán)境實驗技術(shù)的支持下，根據(jù)海蝕地貌發(fā)育過程，建立海蝕地貌發(fā)育的時空模型數(shù)據(jù)庫；結(jié)合地貌學(xué)的專家知識，建立海蝕地貌發(fā)育的時空變化模型；根據(jù)時空位置，實時地調(diào)整模型參數(shù)，使模型成為隨時間的不同而變化的動態(tài)的三維時空仿真模型；針對三維動態(tài)仿真數(shù)據(jù)庫的要求，在時空仿真模型中加入動態(tài)關(guān)聯(lián)技術(shù)，即采用一系列與狀態(tài)對應(yīng)的圖像來表現(xiàn)對象狀態(tài)的時空變化，以及采用連續(xù)快照的方法來達到視覺上的動態(tài)效果。可以在空間3維坐標的基礎(chǔ)上，增加時間維，形成4維時空坐標。在4維時空里，使用者可以根據(jù)時間維來查看不同時間節(jié)點的地理信息，并推斷出其發(fā)展趨勢(見圖2)，這為態(tài)勢信息的預(yù)測推斷提供了很大幫助。

圖2 半洋石帆海蝕地貌海蝕地貌發(fā)育過程

4 結(jié) 語

本研究試圖通過創(chuàng)設(shè)一個集地理空間信息采集、應(yīng)用、模擬于一體的地理學(xué)情景仿真實踐教學(xué)平臺，使地理教學(xué)實踐活動過程跨越時空限制，幫助學(xué)生綜合運用現(xiàn)代地理學(xué)空間分析技術(shù)和手段分析地理要素空間變異規(guī)律，掌握區(qū)域綜合調(diào)查及分析的方法，以更加靈活方式掌握理解知識。該平臺可以實現(xiàn)地理各分支學(xué)科實踐技能的整合與知識綜合，使學(xué)習(xí)者與研究者在實驗活動中能夠更直觀了解和掌握地理知識，起到地理教育研究性學(xué)習(xí)的效果；同時可以提高地理研究技術(shù)，改善實驗環(huán)境，優(yōu)化地理教學(xué)與研究過程。使實踐訓(xùn)練及時跟上技術(shù)的發(fā)展，以培養(yǎng)高素質(zhì)的大學(xué)畢業(yè)生。最終將建立基于一個虛擬地理環(huán)境的三維仿真系統(tǒng)野外實踐基地，把空間信息和基礎(chǔ)地質(zhì)數(shù)據(jù)的發(fā)現(xiàn)、融合三維仿真系統(tǒng)和展示機制提供空間信息和地理信息的集成、融合和可視化，最終實現(xiàn)遠程共享和虛擬野外實踐的目標。

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·名人名言·

知識是一座寶庫，而實踐則是開啟寶庫的鑰匙。

——托馬斯·富勒