虛擬現(xiàn)實技術(shù)在森林防火培訓系統(tǒng)的應用探索

摘要：介紹了將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用于森林防火培訓的優(yōu)勢，分析了影響森林火災的因素，并詳細介紹了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在森林防火培訓系統(tǒng)設(shè)計、實現(xiàn)和應用等方面內(nèi)容。該研究 旨在利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建人機交互體系，實現(xiàn)沉浸式體驗、漫游虛擬仿真展示、數(shù)據(jù)挖掘等系統(tǒng)功能，培養(yǎng)學生防滅火理論知識和實踐技能，提升培訓效果和應對能力。 有助于提高學員的應對能力。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術(shù)森林防火培訓系統(tǒng)森林火災安全教育

中圖分類號：S776

Exploration ofing the Application of Virtual Reality Technology in the Forest Fire Prevention Training System

QIU Dazuo1 ，F(xiàn)AN Fanrong1，CHEN Lilong2，LIU Youwu2

（1.Fujian Sanming Forestry School，Sanming，F(xiàn)ujianProvince，365001 China；

2.Sanming University，Sanming，F(xiàn)ujianProvince，365004 China）

Abstract：This article introduces the advantages of applying virtual reality technology to forest fire prevention training， analyzes the factors that affect forest fires， and provides a detailed introduction to the design， implementation， and application of virtual reality technology in theforest fire prevention training systems. IntendedThis paper aims to use virtual reality technology to construct a human-comji4E55/BR85ZImpep1RledRxlihcQEZjEULfTB55vFk=puter interaction system， achieve immersive experiences， roaming virtual simulation display， data mining and other system functions， cultivate students' theoretical knowledge and practical skills inof fire prevention and extinguishingcontrol， and improve their training effectiveness and response capabilitiesy.， whichHhelps to improve students' copingresponsecapabilityskills.

KeyWords： Virtual reality technology; Forest fire prevention; Training system; Forest fire;Safety education

森林火災具有突發(fā)性、危險性和破壞性等特點，因此，提高森林防火實訓基地的訓練水平對于保障森林安全具有重要意義。隨著科技的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)（（Virtual Reality，VR）VR ）作為一種新型的模擬訓練工具，已經(jīng)在多個領(lǐng)域得到了廣泛應用。本文主要探討運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)森林防火培訓系統(tǒng)，分析虛擬現(xiàn)實技術(shù)的優(yōu)勢、影響森林火災的因素、森林防火培訓系統(tǒng)的設(shè)計、實現(xiàn)和應用等方面內(nèi)容。

1虛擬現(xiàn)實技術(shù)的優(yōu)勢

1.1高度逼真的模擬場景

運用三維建模技術(shù)建造三維地形、樹木、火等模型，將這些高清模型導入虛擬編輯軟件，運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬出高度逼真的森林火災場景，使學員能夠更加深入地了解森林火災的規(guī)律和特點[1]。同時，虛擬現(xiàn)實技術(shù)還可以模擬出不同的火場情況，使學員能夠根據(jù)實際情況選擇最佳的撲火方案。

1.2安全性和必要性

將森林防滅火培訓課堂搬到真實場景中，需要消耗大量的人力、物力、財力和森林資源，同時教學過程風險性高，存在很多不確定因素，易造成的人員傷亡和環(huán)境污染，且有些是不可逆的，教學場地屬于高危環(huán)境，實現(xiàn)起來困難重重。森林防滅火虛擬仿真培訓項目能有效地解決這些困難，學員可以安全地完成防滅火技能培訓，同時有效地保證學員安全、降低成本、減少資源的消耗、改善教學環(huán)境、增強培訓效果。因此，本項目的研究和開發(fā)對學校乃至我 本省森林防滅火課程教學具有重要的意義。

2影響森林火災的因素

影響森林火災的因素主要有氣候、可燃物數(shù)量和種類、地形、風向、林火類型和防滅火工具，以下是一些常見的因素： 。

2.1氣候條件對森林火災的影響

氣溫和濕度是影響森林火災發(fā)生的主要氣候因素。高溫和低濕度會導致森林中的可燃物變得干燥和易燃，增加火災發(fā)生的風險。相反，低溫和高濕度則會降低可燃物的干燥程度，減少火災發(fā)生的可能性[2]。

風速和風向影響森林火災的蔓延和控制。強風可以加速火勢的蔓延，使火災迅速擴大。此外，風向也會影響火災的發(fā)展，如果風向與火線平行，火勢會順著風向快速蔓延，而如果風向與火線垂直，則火勢會受到抑制。

降水可以降低森林火災的風險。適量的降水可以濕潤森林中的可燃物，降低其燃燒性。如果降水多，森林中的土壤潮濕可燃物難以燃燒，從而降低火災的風險。

季節(jié)性變化不同季節(jié)的氣候條件也會對森林火災產(chǎn)生影響。例如：在夏季，氣溫和濕度通常較高，森林中的可燃物更干燥，火災發(fā)生的風險更高；而在冬季，氣溫和濕度通常較低，森林中的可燃物相對較少，火災發(fā)生的風險也相對較低。

2.2可燃物種類和數(shù)量對森林火災的影響

不同種類的可燃物燃燒特性不同，有些可燃物可能更容易燃燒，產(chǎn)生更高的火焰高度和火勢強度[3]。例如， ：干燥的草、樹葉和小樹枝等細小可燃物通常比大的樹干和樹枝更容易燃燒。

可燃物的數(shù)量和分布影響火勢的蔓延速度。大量密集的可燃物會提供更多的燃料，使火勢迅速擴大?？扇嘉锏倪B續(xù)性也會影響火勢的傳播，連續(xù)的可燃物區(qū)域會促使火勢快速蔓延。此外，可燃物的種類和數(shù)量會影響火災的強度。高強度的火災可能對森林生態(tài)系統(tǒng)和人員安全造成更大的威脅。

2.3地形對森林火災的影響

地形對森林火災的影響主要有坡度、海拔高度、地形特征和地形變化。坡度影響火勢的蔓延速度和方向，在斜坡上，火勢會順著坡度向下蔓延，速度會加快，而且可能會形成急流。海拔高度會影響火災的燃燒和蔓延，氧氣含量低會導致火災的燃燒速度變慢，火勢蔓延也會受到抑制。地形特征對火災的燃燒和蔓延產(chǎn)生不同的影響；例如， ：在峽谷中，火勢可能會順著峽谷迅速蔓延，形成火龍卷等危險現(xiàn)象，而山脈和河流等地形則可以提供天然的防火帶，減少火災的蔓延。山崩、滑坡等地形變化可能會改變火勢的蔓延方向和速度，給滅火工作帶來困難[4]。

2.4林火類型

森林火情的類型，包括樹冠火、地面火、地下火三3種類型的火情場景，展示不同類型火情的發(fā)展過程?；馂牡钠鹨蛑饕凶匀蛔詿峄?和人為火兩種。自然火包括閃電、自燃等，人為火包括農(nóng)事用火、清明祭掃、野外用火等引發(fā)的的 火情。

3虛擬現(xiàn)實技術(shù)在森林防火培訓系統(tǒng)的設(shè)計

3.1虛擬現(xiàn)實技術(shù)森林防火系統(tǒng)的總體設(shè)計

系統(tǒng)包含兩大模塊：防火隊員培訓和課程思政。防火隊員培訓模塊包含森林防火知識培訓和技術(shù)培訓，防火知識訓練包含遇險逃生知識、安全距離和應急訓練模塊等內(nèi)容，應急訓練中有自救、避險方法和危險三角；防火技術(shù)訓練包含工具的使用、協(xié)同訓練、撲救方法和火場清理等內(nèi)容。

3.2服務(wù)和終端架構(gòu)

依托云計算、霧計算和邊緣計算等技術(shù)，順應5G發(fā)展趨勢，將仿真運算程序和3D模型資源留在服務(wù)器上，僅將仿真和渲染后的3D界面推送到客戶端，降低信息處理量和數(shù)據(jù)傳輸總量，用戶無須無需配置高性能、高成本的計算終端，個人電腦、手機即可參與學習。

4虛擬現(xiàn)實技術(shù)在森林防火培訓系統(tǒng)的實現(xiàn)

4.1場景構(gòu)建

三維建模軟件3ds Max、Maya等創(chuàng)建地形、森林防滅火工具、樹木、植被等幾何模型。在地形上分布樹木、植被、火等元素，并設(shè)置材質(zhì)和紋理以增加真實感。

游戲引擎 Unity、Unreal Engine 等，將三維模型導入到 引擎中，并添加光照、音效和交互功能。這些引擎提供了強大的渲染能力和可視化效果，可以創(chuàng)建逼真的森林防火虛擬場景[5]。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)結(jié)合虛擬現(xiàn)實（VR）設(shè)備HTC Vive等，可以提供沉浸式的森林防火體驗。通過使用VR頭盔和手柄，用戶可以在虛擬場景中進行交互和操作。

可視化編程工具SDK，可以用于創(chuàng)建簡單的森林防火虛擬場景。這些工具通常具有拖放式界面，適合初學者快速掌握。

4.2交互性實現(xiàn)研究

根據(jù)森林防火虛擬仿真系統(tǒng)的需要，對系統(tǒng)的交互性進行設(shè)計，如圖3所示。

4.2.1交互性

用戶使用各種輸入設(shè)備來與森林防火VR場景進行交互。包括場景天氣、場景、火勢和滅火工具等的選擇，通過控制器（如防滅火手柄）按壓、點擊、移動、拍打?qū)ο蟮炔僮鲗崿F(xiàn)，單人滅火、協(xié)同滅火等交互任務(wù)，通過跟蹤器（如位置跟蹤器、手部跟蹤器）檢測用戶的動作、手勢等命令，并將其轉(zhuǎn)化為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)可以理解的輸入信號完成交互[6]。

4.2.2事件響應

在虛擬現(xiàn)實場景中定義和處理交互事件。當用戶進行特定的交互動作時，系統(tǒng)檢測到事件并做出相應的響應，反饋交互動作是否被成功識別和執(zhí)行。例如：當隊員進入危險區(qū)域系統(tǒng)會發(fā)出警告，工具訓練時提示錯誤動作等功能，這些都可以通過編程或使用的虛擬現(xiàn)實開發(fā)工具來實現(xiàn)。

4.2.3性能優(yōu)化

考慮到虛擬現(xiàn)實場景對實時性和性能的要求較高，需要對交互性實現(xiàn)進行性能優(yōu)化。這可能涉及到減少計算負荷、優(yōu)化動畫和物理模擬、使用合適的渲染技術(shù)等，以確保交互的流暢性和響應性。

5虛擬現(xiàn)實技術(shù)在森林防火培訓課堂的應用

沉浸式體驗 虛擬現(xiàn)實技術(shù)Kb8uBpAWjRzwoIgaKtoq0g==模擬真實的森林火災場景，為學員提供逼真的視覺、聽覺和觸覺感受。通過模擬訓練，學員可以熟悉森林火災的規(guī)律和特點，掌握應急處置技能，提高實戰(zhàn)能力。同時，虛擬現(xiàn)實技術(shù)還可以模擬不同的火場情況，使學員能夠根據(jù)實際情況選擇最佳的撲火方案[7]。

防火系統(tǒng)漫游虛擬仿真展示體驗區(qū)，利用桌面式虛擬現(xiàn)實訓終端、教學機等虛擬仿真實訓設(shè)備，構(gòu)建高度真實的三維虛擬環(huán)境，讓森林防火培訓者仿佛置身于現(xiàn)場，感受到身臨其境的森林防火的培訓環(huán)境。展示體驗區(qū)同時涵蓋了森林火災防范相關(guān)的法律法規(guī)，幫助用戶了解在森林火災預防和處置方面的法律責任和義務(wù)。通過虛擬仿真展示體驗區(qū)，讓學生體驗沉浸式森林防滅火訓練系統(tǒng)，豐富學生的防滅火知識和技能。

公眾的安全意識 虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以通過三維動畫、視頻等形式展示森林火災的危害，使學員和公眾更加深入地了解森林火災的危險性，認識到違規(guī)行為的危害性，增強安全意識。

災后評估 虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以模擬森林火災后的場景，對火災造成的損失進行評估；通過評估，可以了解火災造成的直接損失和間接損失，為災后重建提供參考依據(jù)[8]。

系統(tǒng)智慧性具有數(shù)據(jù)采集及挖掘功能。支持打通課前、課中、課后全環(huán)節(jié)，通過實時跟蹤采集虛擬仿真滅火實訓“教、學、練、考、評”過程的數(shù)據(jù)，對實訓過程大數(shù)據(jù)進行挖掘分析并畫像，系統(tǒng)客觀地分析判斷培訓者的學習效果和實操水平，并為學習人員制定 訂下一步學習計劃。

6結(jié)語

本文探討了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在森林防火培訓系統(tǒng)中的優(yōu)勢、影響森林火災的因素以及該培訓系統(tǒng)的設(shè)計、實現(xiàn)和應用。虛擬現(xiàn)實技術(shù)可提供沉浸式體驗，具有高度逼真的模擬場景、操作簡單便捷、安全可靠等優(yōu)點，有助于提高學員的應對能力。此外，文章還分析了影響森林火災的因素，如氣候、植被、地形和火災類型等，該系統(tǒng)的應用可以提高森林防火的培訓效率和效果，降低滅火人員的風險。

參考文獻

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[7] 劉瑞娜，張偉.基于VR技術(shù)定向越野訓練融入消防部隊的價值研究[J].軍事體育學報，2019（（10））：：9-11.

[8] 范繁榮.森林防火實務(wù)[M].北京：：中國林業(yè)出版社，2014.