地理環境虛擬實驗系統

江 輝 仙

(福建師范大學 地理科學學院， 福建 福州 350007)

0 引 言

根據開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作精神，確定虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的重要內容，是學科專業與信息技術深度融合的產物。虛擬仿真實驗教學中心建設工作堅持“科學規劃、共享資源、突出重點、提高效益、持續發展”的指導思想，以全面提高高校學生創新精神和實踐能力為宗旨，以共享優質實驗教學資源為核心，以建設信息化實驗教學資源為重點，持續推進實驗教學信息化建設，推動高等學校實驗教學改革與創新。高校地理學科以空間、區位、地方和區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活動中一個必不可少的過程，學生只有通過足夠的驗證性實驗和一定數量的綜合性實驗、創新性實驗，才能真正理解和掌握該地理學科的理論知識，才能獲得一定的綜合測試技能和實驗能力，并初步具有處理實際工作的能力。虛擬地理環境實驗設計是指通過地球表層系統地理環境和地理問題的相似性模擬表達，在理論假設的基礎上，通過模型構建、參數與條件調控計算以及可視化分析反饋，在虛擬地理環境信息世界中“查考自然，逼迫自然自露真相”[3]，以獲取新的地理經驗與知識。計算機與網絡支持下的數字地球與虛擬環境中開展的地理實驗，它既可以與野外定位地理實驗、室內地理模型實驗相對應、關聯與互補，也可以依據某些地理特征、現象與規律構建虛擬地理實驗。虛擬地理環境實驗的開展為地理學科實驗教學的改革提供了一種新的思路，是促進地理實驗教學發展的重要途徑；積極開展虛擬實驗系統對于有效解決實驗教學資源不足的現狀、為學生進行實驗教學提供了新的教學方法[4]。它為地理實驗教學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，探索一種新的教學模式等方面都具有十分重要的意義。

1 虛擬地理環境實踐模式

對高校地理教學而言，實驗是對研究地球科學理論知識進行深化認知的一個重要途徑。相對于理論教學，實驗教學則顯示出直觀具體和能動創造的優勢。它通過理論聯系實際，加深學生對地理教學中基礎知識和基本理論的理解和掌握，幫助學生掌握區域綜合調查及分析問題和解決問題的能力。把虛擬現實應用于教育是教育技術發展的一個飛躍，就教育理論而言，虛擬現實實現人的臨場化，參與者與虛擬環境是互相作用、互相影響的一個整體的兩個方面[5-6]。虛擬現實技術在空間信息可視化中的應用為我們提供了一種新的認知環境——虛擬地理環境，它是空間信息可視化的一種全新模式。虛擬地理環境源于虛擬現實技術，高于虛擬現實技術，它是從地學的網絡可視化研究提出的，是一個關于地理系統的虛擬實驗室，強調人的感知性和沉浸感，讓更多的學習者利用網絡技術同時在虛擬的實驗室進行交流和討論。它的構建過程是對地理信息的加工處理和傳輸過程，其目的是對所處環境事物的空間位置、相互關系和性質進行采集、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據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的功能，借助數字化校園來實現實驗教學的開放、共享，提高實驗效果、降低實驗成本。它營造了“自主學習”的環境，由傳統的“以教促學”的學習方式代之以由學習者通過自身與信息和環境的相互作用來得到知識，技能的新型學習方式，培養具有寬厚扎實的基礎知識、較高的綜合素質、強烈的創新意識和較強的創新能力的地理學理論研究與教學專門人才。

1.1 當前地理教育對地理實踐教學的要求

地理學科的實驗教學內容體系以強化實驗技能為重點，以創新能力培養為核心，實驗教學與科研能力培養緊密結合，著重強調學生在實驗過程中綜合性、設計性和創新性能力。針對地理學是實踐性強的學科特點，通過理論聯系實際，幫助學生掌握自然地理學、人文地理學、生態學、地理信息系統等相關課程的基本理論和基本技能，培養學生的感知認識能力、分析問題和解決問題的能力，并初步掌握對一個區域自然資源、經濟區位、信息環境等進行綜合調查及分析的方法。因此，結合地理學科特點，主要通過三層次構筑地理學實踐創新培養體系[8]。

(1) 基礎學習層次。按教學進度分門地理學實習，包括實驗課程與實習課程。如：地質地貌實、植物學、土壤學、氣象、水文、生態監測、環境化學、 地理信息系統空間分析、遙感圖像解譯與應用、計算機制圖。

(2) 綜合實驗學習層次。根據學生的興趣與愛好，分3個大方向(自然地理、GIS、人文)安排學生集中教學實習、畢業實踐實習進行不同階段的實習和實驗。從室內遙感圖像解譯，到實驗基礎研究區定位、判讀各地理要素分析應用，最后回到室內制圖輸出或分析結果等室內教學—室外操作—分析結果的全過程。

(3) 科學研究學習層次。資料查詢能力培養、申請不同類型的科研項目、發表研究論文。而當前高等學校地理學科在派生出了一些新領域和應用方向的同時，地理學科的野外實踐課程和實驗課程等的實踐環節難度加大，導致一些高校對學生實踐能力和創新型能力無法提供適當地理實驗環境，使得學生實驗訓練無法跟上技術的發展，大學生在就業過程中無法滿足社會的需求。當前高校地理實驗教學存在主要問題是：①單課程實踐模式導致課程實踐內容單一。地理學實踐活動要求具有綜合性，實踐活動中需要應用多門課程知識來解釋實踐中碰到的問題，但被目前的教學課程體制割裂成單課程實踐模式。學生在實踐過程中一般只能依據單門課程進行實驗，而無法進行地理知識的綜合實驗。②經費投入水平無法滿足學科發展需要的綜合教學實踐。③同一大學多校區模式造成同一學科實踐基地的分散。

1.2 虛擬實驗系統與現實實驗教學的對比評價

相對傳統的現實實驗，虛擬地理環境實驗就是應用計算機建立能逼真地反映現實情景地理環境世界;它能夠與傳統實驗一樣，觀察實驗現象、獲得實驗數據和體驗。可以憑著先進的三維環境系統平臺，結合地理學科中各分支學科進行一系列的研究性實踐學習，實現相關研究性學習目標。為地理實驗教學提供一種虛擬實驗技術與地理學科研究性實踐學習的整合實施模式。以三維地理環境背景基礎圖層為平臺，輔以強大的GIS功能、豐富多樣的矢量數據、統計數據，以“軟件+數據”的模式解決地理多學科綜合教學問題，可滿足自然地理、人文地理、地理工程和綜合地理教學的需要。以虛擬場景方式可創新展現高山、平原、河流、湖泊、丘陵、沙漠、城鄉景觀等任何區域的景觀特征，可以完全改變傳統地理教學只靠文字和少量局部圖片的教學模式，“百聞不如一見”使自然地理、人文地理教學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,相對現實實驗而言，具有成本低、占用空間小，同時可以進行重復多次實驗而不會耗費實驗材料[9-10]。通過利用虛擬地理環境技術來表現地理的結構和動態，為學生提供一種可供他們實驗和觀測的環境，計算機模擬允許學生通過改變輸入數據的大小來觀測地理現象的變化．教學模擬軟件為學生提供了一個無危險的、不昂貴的方式與真實世界交互，學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果。因此，在大學地理實踐教學中引入虛擬地理環境實驗技術對地理實踐教學改革帶來創新，如表1[11-14]。虛擬實驗雖然調動了學生的學習興趣和積極性．但也使學生的協作意識變差很難有效培養起學生的團隊精神和協作意識。

2 虛擬地理環境實驗系統設計方法

目前，國內外很多高校已經將虛擬現實技術成功地應用在教學環節上面，并且開發出許多虛擬教學軟件和虛擬仿真教學平臺。虛擬地理環境實驗系統就是運用虛擬地理環境技術，通過軟件和實驗數據模式來模擬地理現象演變的過程和結果，表現出地理空間的結構和動態，從而為學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境；允許學生通過設置不同系統參數來觀測地理現象的變化，營造了學生“自主學習”的環境，由傳統的接受型的學習方式轉向探究型學習方式，學生通過自身與仿真構建的情景教學環境的相互作用來得到知識、技能的新型學習方式[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和提高了學生的動手能力、實驗能力、分析問題和解決問題的能力。這樣的實踐教學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構原理(例：地貌漫長時間變化)進行仿真實驗，一方面便于學生獲得理論知識，另一方面培養學生自我訓練的意識和創新能力；使地理實踐教學在時間與空間上進行了擴展，克服了時空的障礙。

表1 虛擬地理環境實驗系統與現實實驗教學的對比評價

虛擬技術的不斷發展也促進了虛擬實驗的不斷發展，結合當前虛擬實驗的特征以及計算機技術的發展特點，虛擬地理環境實驗的構建主要有以下兩種類型：

(1)沉浸式虛擬實驗室。將虛擬現實技術、網絡技術和地理信息系統技術的有機融合，引入虛擬現實技術和3S大場景構建技術，使用數字化仿真軟件，可使學習者與虛擬地理環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) 協作式虛擬實驗室。借助計算機技術和協同技術，通過協同虛擬環境或其他分布式虛擬環境，引入群體決策的思想，通過專家的遠程協商和協同數據挖掘，充分分析實驗數據；通過引入遠程控制和虛擬儀器技術，可以遠程操縱實驗，控制實驗進程。協作式實驗的核心是讓一群學習者 “共同”去完成某一實驗任務，學習者對實驗過程的理解是在與同伴竟爭、溝通、協調和合作過程中逐漸形成的，有助于培養學生的團結互助、認真負責的精神。本文研究案例以沉浸式虛擬實驗室作為虛擬實驗構建類型。構建體系包括研究地理學對象和方法以及地理相關要素操作的基本理論體系、虛擬地理環境實驗平臺的構建以及虛擬地理環境實踐體系、虛擬地理環境實驗應用(見圖1)。其中虛擬地理實驗室構建采用了三層架構體系來進行設計和維護，自下而上分別為：數據訪問層(DAL)、業務邏輯層(BLL)以及表現層(USL)。三層架構把用戶交互部分、邏輯操作部分和數據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，很好地實現了高耦合低內聚的思想；以大型的多源、多尺度集成數據庫為基礎，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律的主動式、集成化計算與分析環境。

3 初步示例應用

本文以地貌學中的海蝕地貌發育過程為例，通過三維動態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火山巖等。進入新生代，由于構造運動導致海壇島及其周圍地區地殼上升，巖漿巖的上覆巖石受到外力風化剝蝕導致巖漿巖出露地表。在內力和外力的作用下，海壇島及其周圍海域發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成的海蝕柱(半洋石帆)，大者高33 m，小者高17 m，據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化剝蝕能力較弱的花崗巖被風化剝蝕后，抗風化剝蝕能力較強的花崗巖逐漸與海壇島的花崗巖分離；又由于發育了兩組垂直節理，在風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。

虛擬現實技術可以大大增強地理空間信息系統的可視性，實現虛擬現實技術主要有兩種方法，一是基于幾何繪制的技術，二是基于圖像的繪制技術。目前，虛擬現實在地學領域的應用都是基于幾何繪制技術實現的。即在虛擬地理環境實驗技術的支持下，根據海蝕地貌發育過程，建立海蝕地貌發育的時空模型數據庫；結合地貌學的專家知識，建立海蝕地貌發育的時空變化模型；根據時空位置，實時地調整模型參數，使模型成為隨時間的不同而變化的動態的三維時空仿真模型；針對三維動態仿真數據庫的要求，在時空仿真模型中加入動態關聯技術，即采用一系列與狀態對應的圖像來表現對象狀態的時空變化，以及采用連續快照的方法來達到視覺上的動態效果。可以在空間3維坐標的基礎上，增加時間維，形成4維時空坐標。在4維時空里，使用者可以根據時間維來查看不同時間節點的地理信息，并推斷出其發展趨勢(見圖2)，這為態勢信息的預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育過程

4 結 語

本研究試圖通過創設一個集地理空間信息采集、應用、模擬于一體的地理學情景仿真實踐教學平臺，使地理教學實踐活動過程跨越時空限制，幫助學生綜合運用現代地理學空間分析技術和手段分析地理要素空間變異規律，掌握區域綜合調查及分析的方法，以更加靈活方式掌握理解知識。該平臺可以實現地理各分支學科實踐技能的整合與知識綜合，使學習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習的效果；同時可以提高地理研究技術，改善實驗環境，優化地理教學與研究過程。使實踐訓練及時跟上技術的發展，以培養高素質的大學畢業生。最終將建立基于一個虛擬地理環境的三維仿真系統野外實踐基地，把空間信息和基礎地質數據的發現、融合三維仿真系統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