VR技術(shù)在森林防火教學(xué)中的應(yīng)用初探

汪 東

（南京森林警察學(xué)院，南京 210023）

森林火災(zāi)是森林植被區(qū)最為重要的擾動因子，也是自然、生物、生態(tài)環(huán)境過程的潛在威脅[1]，不僅破壞生態(tài)平衡，威脅生物多樣性，也嚴(yán)重?fù)p害了人民生命財產(chǎn)安全。由于森林火災(zāi)具有突發(fā)性強(qiáng)、傳播速度快、危害性大、撲救困難等特點，位居破壞森林的三大自然災(zāi)害（病害、蟲害、火災(zāi)）之首，所以森林防火在森林保護(hù)工作中占有重要地位[2]。有效防控森林火災(zāi)，是維護(hù)國土生態(tài)安全、促進(jìn)社會和諧穩(wěn)定的重要組成部分。森林防火作為南京森林警察學(xué)院的一門特色、骨干課程，在教學(xué)過程中，要遵循知識、能力、職業(yè)素質(zhì)三結(jié)合的人才培養(yǎng)原則，確保公安后備人才優(yōu)良的專業(yè)素養(yǎng)。

虛擬現(xiàn)實Virtual Reality（簡稱VR）于20世紀(jì)蓬勃發(fā)展，是計算機(jī)、電子信息、模擬仿真等多學(xué)科交叉融合的新技術(shù)，基本實現(xiàn)方式是計算機(jī)模擬真實環(huán)境給操作者提供環(huán)境沉浸感，使人產(chǎn)生身臨其境的感覺。隨著社會生產(chǎn)力和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各行各業(yè)對VR技術(shù)的需求日益高漲。

在森林防火教學(xué)中引入VR技術(shù)，采用三維虛擬場景設(shè)計營造逼真、直觀的視覺效果，同時通過人機(jī)對話進(jìn)行學(xué)生操作與三維虛擬場景的交互響應(yīng)，學(xué)生通過感受具有開發(fā)性、發(fā)散性的設(shè)計過程，提高對森林火災(zāi)的防護(hù)控制及獨立解決問題能力。因此，VR技術(shù)在森林防火教學(xué)上的應(yīng)用對培養(yǎng)具有綠色環(huán)保理念的現(xiàn)代防火人才發(fā)揮積極作用，也為培訓(xùn)模擬演練提供強(qiáng)有力的工具。

1 在森林防火教學(xué)中引入VVRR技術(shù)的必要性

森林防火教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計管理能力、開發(fā)實踐能力和綜合運用能力方面可發(fā)揮積極的作用，但在實體教學(xué)設(shè)計過程中，存在如下問題：

1）森林火災(zāi)突發(fā)性強(qiáng)，不具有可預(yù)測性，破壞性大，現(xiàn)場參與的風(fēng)險高，學(xué)生參與現(xiàn)場的安全防護(hù)壓力大。

2）空間受限，森林火災(zāi)發(fā)生地點一般遠(yuǎn)離城市，學(xué)生想要現(xiàn)場參與防控難度大，目前國內(nèi)外均無相應(yīng)的實地教學(xué)條件。

3）成本高，影響范圍廣，難以隨時隨地檢驗防火、控火、滅火的效果，過程中參數(shù)的改變或優(yōu)化需有對應(yīng)的實體來驗證，費用高昂，難以實現(xiàn)。

4）綜合性強(qiáng)，相關(guān)參數(shù)關(guān)聯(lián)耦合度高，涉及的環(huán)節(jié)多，實體教學(xué)難以有效體現(xiàn)多參數(shù)對防火結(jié)果耦合影響的多樣性與復(fù)雜性。

因此，單純依賴實體教學(xué)無法完成教學(xué)內(nèi)容，更無法達(dá)到教學(xué)目的，必須要采用信息化手段和虛擬仿真技術(shù)，通過引入VR技術(shù)，針對不同的起火地點、起火樹種、滅火設(shè)備、撲救力量等，實時、精準(zhǔn)、直觀地體現(xiàn)每一步驟的效果。基于VR技術(shù)的森林防火教學(xué)系統(tǒng)大大縮短了教學(xué)周期，降低了教學(xué)成本，提升了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，拓展了教學(xué)的深度和廣度，實現(xiàn)了信息技術(shù)與特色專業(yè)教育的有機(jī)融合，從而提高了實踐教學(xué)質(zhì)量和實際育人水平，達(dá)到了很好的教學(xué)效果。

2 基于VVRR技術(shù)的森林防火主要教學(xué)內(nèi)容

基于VR技術(shù)的森林防火教學(xué)系統(tǒng)緊密結(jié)合森林防火專業(yè)特色和行業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展最新成果，面向經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展對高校人才培養(yǎng)的需求，通過林火風(fēng)險分析、撲救措施制定、森林火險區(qū)劃、指揮調(diào)度部署等環(huán)節(jié)，實時、精準(zhǔn)、直觀地體現(xiàn)每一參數(shù)的設(shè)計效果。在教學(xué)內(nèi)容安排上以專業(yè)基礎(chǔ)知識與專業(yè)特色知識的融合運用為基礎(chǔ)，體現(xiàn)個性化、自主性學(xué)習(xí)設(shè)計的特色，達(dá)到提高學(xué)生綜合運用能力的目的。

2.1 林火風(fēng)險分析

林火風(fēng)險分析主要是通過VR技術(shù)，讓學(xué)生了解常見的易出現(xiàn)問題的地方或潛在的風(fēng)險，從而采取措施來避免或?qū)で蠼鉀Q辦法。基于VR技術(shù)的森林防火教學(xué)系統(tǒng)模擬林區(qū)發(fā)生火情，完成林火風(fēng)險分析（如圖1所示）、林火監(jiān)測與預(yù)警。系統(tǒng)實時呈現(xiàn)火情位置，顯示火情蔓延方向、蔓延速度和蔓延面積[3]。學(xué)生在操作過程中，基于林火發(fā)生與其環(huán)境的關(guān)系，根據(jù)林火發(fā)生的時間特點和林火蔓延的趨勢進(jìn)行風(fēng)險分析，從而預(yù)測林火對社會和經(jīng)濟(jì)的影響。

圖1 用于林火風(fēng)險分析的森林防火VR示意

2.2 撲救措施制定

撲救措施制定主要是根據(jù)火場態(tài)勢分時段記錄和進(jìn)行火行為預(yù)測，讓學(xué)生突破時空限制，全面掌握火場信息，制定撲救措施，進(jìn)行科學(xué)、合理的兵力部署和設(shè)備選擇（手持滅火器、防火車、消防飛機(jī)），充分挖掘利用撲火的人力物力，確保撲救工作的有序性，提高林火撲救的工作效率，實現(xiàn)安全撲火。基于VR技術(shù)的森林防火教學(xué)系統(tǒng)制定撲救措施如圖2所示。學(xué)生在操作過程中，能夠面向全局、整體運作，提高撲救措施制定的整體宏觀性和撲救效率[4]。

圖2 用于撲救措施制定的森林防火VR示意

2.3 森林火險區(qū)劃

森林火險區(qū)劃主要讓學(xué)生了解在森林可燃物分類的基礎(chǔ)上結(jié)合其他火環(huán)境，將森林火險區(qū)域進(jìn)行不同等級的劃分，以便分級管理。森林火險區(qū)劃是一項重要的防火技術(shù)措施，為林火的預(yù)防、撲救以及防火指揮員因地制宜進(jìn)行防火規(guī)劃和部署撲火力量、指導(dǎo)森林防火工作提供科學(xué)依據(jù)[5]。森林火險與植被覆蓋類型、地形條件、氣候條件等密切相關(guān)。VR技術(shù)可以根據(jù)顯示范圍的大小靈活方便地自動調(diào)入不同層次的數(shù)據(jù)，如圖3所示，既可以飛行俯瞰的角度一覽全貌，又可代入其中看到局部的微小細(xì)節(jié)，進(jìn)而提高系統(tǒng)的顯示性能[6]。

圖3 用于森林火險區(qū)劃的森林防火VR示意

2.4 指揮調(diào)度部署

指揮調(diào)度部署主要讓學(xué)生學(xué)會將撲火隊伍、撲火物資的指揮調(diào)度熟練應(yīng)用于森林防火。通過三維虛擬場景，有序開展指揮調(diào)度，根據(jù)VR系統(tǒng)的文字、語音、圖片、視頻等信息，隨時掌握現(xiàn)場呼救情況，來實時、逼真地掌握相關(guān)人員在撲火現(xiàn)場所處位置，從而實現(xiàn)林火監(jiān)測、預(yù)警、響應(yīng)、指揮的一體化、可視化、智能化、協(xié)同化管理。如圖4所示，學(xué)生利用基于VR技術(shù)的森林防火教學(xué)系統(tǒng)，監(jiān)控并隨時指揮調(diào)度撲火隊伍運行速度、路線及行進(jìn)方向，完成前線救援力量設(shè)置后進(jìn)入火場救援畫面，查看現(xiàn)場火勢情況、開展救援行動，為提高撲火指揮決策的科學(xué)性提供了方案[7]。

圖4 用于指揮調(diào)度部署的森林防火VR示意

3 基于VVRR技術(shù)的森林防火主要教學(xué)方法

基于VR技術(shù)的森林防火教學(xué)系統(tǒng)采用開放式教學(xué)理念，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性和創(chuàng)新性，融“教、學(xué)、做”為一體。應(yīng)用VR技術(shù)模擬實際的林火防控全過程，并通過構(gòu)建完善的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，形成服務(wù)于森林防火技術(shù)人才培養(yǎng)的重要教學(xué)資源，具有鮮明的行業(yè)特色。

基于VR技術(shù)的森林防火教學(xué)系統(tǒng)，以開放性的自主設(shè)計+參數(shù)化的虛擬顯示+交互式的仿真標(biāo)定分析+友好的人機(jī)界面為教學(xué)方法。關(guān)注森林防火教學(xué)和培訓(xùn)模擬演練的綜合性、實踐性學(xué)習(xí)需求，將學(xué)生置于教學(xué)過程的中心，注重學(xué)生參與學(xué)習(xí)的過程和親身體驗與實踐，充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)地位和學(xué)生的主體地位，實行基于實際問題的互動式、研討式教學(xué)，體現(xiàn)自主式和探究式學(xué)習(xí)的特點，通過文字、圖片、視頻等多種媒介促進(jìn)教學(xué)準(zhǔn)備、線上操作學(xué)習(xí)、線下交流討論，培養(yǎng)學(xué)生實踐思考能力和綜合分析能力，顯著提升教學(xué)效果。

基于VR技術(shù)的森林防火教學(xué)系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)教學(xué)過程中“灌輸式”“填鴨式”的模式，激發(fā)了學(xué)生潛在的創(chuàng)新意識和自主學(xué)習(xí)的興趣，在培養(yǎng)和提升森林防火管理指揮實際運用能力與工程素養(yǎng)方面進(jìn)行有益的實踐，體現(xiàn)了“基礎(chǔ)性、綜合性、實踐性、創(chuàng)新性”的特點。在教學(xué)過程中，學(xué)生運用該系統(tǒng)首先進(jìn)入“林火風(fēng)險分析”模塊，掌握火場綜合情況，包括火災(zāi)種類、火線大概位置、風(fēng)力、風(fēng)向、火場天氣、地形、植被、林火蔓延速度等，根據(jù)地表火、樹冠火和地下火等不同類型，進(jìn)行風(fēng)險分析。接著，進(jìn)入“撲救措施制定”模塊。根據(jù)火場態(tài)勢分時段記錄和火行為預(yù)測時間等時空信息，突破時空限制，制定全面撲救措施。如果通過VR系統(tǒng)顯示火風(fēng)大且方向不定，森林腐殖層較厚，林火不易打熄，火勢難控制，火場處于丘陵山區(qū)等復(fù)雜地理位置，交通、通信不便，學(xué)生就會選擇消防飛機(jī)滅火，利用空防把吊桶中的水精準(zhǔn)地投放到火點。然后，進(jìn)入“森林火險區(qū)劃”模塊。若飛行俯瞰角度和局部細(xì)節(jié)角度均顯示森林火險不易蔓延，較易撲救，學(xué)生即可判斷此時為中等火險級，從而為下一步的決策提供了技術(shù)依據(jù)。最后，進(jìn)入“指揮調(diào)度部署”模塊。學(xué)生根據(jù)前述步驟中確定的火險等級進(jìn)行指揮調(diào)度。如發(fā)生的是高火險級森林火災(zāi)，火勢蔓延迅速，則學(xué)生可利用VR系統(tǒng)做出地空配合滅火的指揮，不僅調(diào)用直升機(jī)參與滅火，也調(diào)動消防部隊挖隔離帶，進(jìn)行人工撲救，同時派出車輛參與人員搜救、傷員和物資運輸。學(xué)生在環(huán)環(huán)相扣的VR系統(tǒng)中，不斷摸索森林防火技術(shù)與方法，自主思維創(chuàng)新，探索可能的改進(jìn)以及尋求更佳的解決方案，理解、掌握、運用綜合知識的能力得到較大提高。

4 結(jié)語

森林防火教學(xué)實踐表明，基于VR技術(shù)的森林防火教學(xué)系統(tǒng)的功能基本達(dá)到預(yù)期效果。學(xué)生能充分利用VR技術(shù)的多感知性、自主性、構(gòu)想性、沉浸感和交互性等特征，根據(jù)界面提示，進(jìn)行林火風(fēng)險分析、撲救措施制定、森林火險區(qū)劃、指揮調(diào)度部署等環(huán)節(jié)，完成撲火演練。將VR技術(shù)引入森林防火教學(xué)，有助于加強(qiáng)空陸配合的林火撲救培訓(xùn)，彌補缺乏的實戰(zhàn)經(jīng)驗，提高學(xué)生的能力，從而確保學(xué)習(xí)效率高。