面向地理实习的虚拟庐山环境建设

2010-11-02林玉标顾留碗

滁州学院学报 2010年5期

关键词：庐山模型教学

林玉标，顾留碗

（滁州学院国土信息工程系，安徽滁州239012）

面向地理实习的虚拟庐山环境建设

林玉标，顾留碗

（滁州学院国土信息工程系，安徽滁州239012）

针对目前地理野外实践教学中教学方式、教学方法的不足以及客观条件上的限制，提出面向地理实习的虚拟庐山环境建设系统设计的原则、内容和系统结构。系统借助Skyline三维开发平台，结合地理信息系统、虚拟现实、三维可视化与建模等技术，开发集三维展示、查询、空间分析以及多媒体演示功能为一体的面向地理实习的庐山虚拟地理环境交互式平台。

地理实习；虚拟地理环境；庐山

0 引言

实践教学在高校的人才培养和学校改革发展中发挥着重要作用，野外实习是实践教学的核心组成部分，是学生理解理论知识、形成主动学习精神、锻炼综合素质和能力的过程，是培养学生创新能力和实践能力的重要途径，但现阶段由于课时、经费等方面的限制，传统野外实习的局限性也越来越暴露出来，传统野外教学实习的教学效果有时难以得到保证。

作为从地图与GIS演变而来的地理学语言，虚拟地理环境集成了多源信息采集、地理信息系统、地理模型管理、虚拟现实、网络、智能体等技术，它是地理环境、特定地理现象和规律的数字与多通道感知表达、计算与模拟［1］。将其应用于地理及相关专业课程及实践教学当中，为学生营造“自主学习”的环境，由传统的“以教促学”的学习方式代之为学习者通过自身与信息环境的相互作用来得到知识、技能的新型学习方式，从而很好地弥补目前地理专业课程及实践教学中的不足，收到良好的教学效果。

1 当前地理实习存在的问题［3－4］

1.1 以教师为主导的实习

传统的地理实习教学方式是以教师为主，每到一个观察点，把同学召集起来讲解，学生被动地听讲和记录，然后整理实习笔记，编写实习报告，教师批阅实习报告评分。这种教学方式存在的问题是：学生难以通过这些“点”的观察形成“面”，达到整体的、系统的认识；另外，这种方法有碍于学生运用所学的理论知识，分析解释现实中的地理现象，制约了学生创新精神和创新能力的发展。

1.2 实习学生多、时间少，经费不足

实习学生生人数逐年增多，带队教师数相对不足；在教学时间安排上，课堂教学与野外实习往往非同时进行，造成了理论学习与现场感性认识在时间上的脱节；实习费用相对不足，实习点难以保护；限于经济条件，实习内容有限，实习线路更新缓慢，难以反映学科的最新发展动态等等。要解决这些问题，必须利用现在先进的信息技术，把野外地理实习和虚拟地理环境结合起来。

1.3 实习基地观察点减少

庐山地理实习内容主要包括自然地理（气候、植被、土壤）、地质地貌、第四纪地层、环境生态等各种地理现象。近年来随着旅游业的发展，野外实习基地为了发展旅游经济，庐山一些自然景观往往被人工改造，典型地理现象可能被人工掩饰，这些都直接影响到教学任务的完成和实习效果。

2 面向地理实习的虚拟庐山环境系统设计原则

建立和运行面向地理实习的虚拟庐山环境原型系统的目标和任务是，将虚拟现实技术引入高校地理实习教学，通过对野外实习数据有效的进行管理和分析，建立能够地学表现数据模型和地学过程数据模型，实现地理教学各分支学科实践教学的内容整合和形式整合，从而达到地理各学科知识综合学习，使学生在教学实践活动中能够更直观了解和掌握地理知识，起到辅助性教学的效果。具体原则目标可分为以下四点：

（1）实现野外实习信息资源共享和信息服务社会化，为教师和学生了解野外实习区域自然情况提供有效服务。

（2）教师课堂教学与野外实践工作提供有效的辅助工具，实现地理野外实习的科学化、规范化，提高学习效率。

（3）实现地理野外实习区域路线的动态编制和科学管理，保证自然地理野外实习工作的先进性和连续性。

（4）成为各类地理教学管理信息系统建设的基础平台，为建设自然地理野外实习综合管理信息系统奠定基础。

3 系统的设计

3.1 系统开发环境

系统开发主要借助于Skyline三维平台，通过获取庐山遥感影像和DEM，建立三维可视的虚拟现实，提取和收集相关的地理空间信息，以遥感图像和GIS数据为依托，运用ENVI3.5、ArcGIS9.3等软件进行可视化分析，并且用C＃自行开发界面和接口程序。

3.2 系统结构组成

系统主要内容分为三个部分：虚拟实习、仪器操作和教学管理。虚拟实习包括庐山概况、植被、土壤、气候、水文、资源、环境、地质和第四纪地貌等内容，形式上既有各观察点的空间位置坐标、观察内容的文字描述和照片、图形等，也有实习区域各实习专题信息。仪器操作主要包括地质罗盘、手持GPS、测距仪、气压海拔仪等使用方法。教学管理主要包括实习要求、实习成绩评定的标准、实习成绩的评定以及实习期间辅助管理。系统结构图如图1。

图1 系统框架结构图

3.3 系统功能应用

（1）数据管理模块

本系统主要的数据有：庐山TM影像、等高线（等距为20m）、DEM、植被图、土壤图、土地利用图、地貌图、规划图和庐山自然、经济、人文、社会的基本资料。本文针对虚拟地理环境建设对空间数据的要求研究多源异构空间数据集成方法，提出了面向多维的数据表达模型，分析多源异构数据的解析及其与模型的交互，解决数据和模型两个层次上的集成问题。

（2）三维数字地形的动态显示

为了达到逼真的显示效果，在三维几何模型上叠加真实影像数据。TM影像经校正和波段调整具备了真实感，用于叠加到TIN模型上，得到较自然的显示效果。同时系统可以自定义和生成飞行路线，并提供多种设置和漫游工具，可调整观察者的视点位置、观察点的高度、观察方向、观察视角、光照角度、高程因子、飞行方向、飞行高度、飞行速度等，使之达到最佳的演示效果，如图2所示。

图2 三维数字地形动态演示

（3）信息查询

三维模型的显示与平面不是一一对应的，要完成查询就必须追溯到二维，本系统利用图形学的知识进行二维到三维的转化，可以进行图查属性、属性定位、图文查询、高级查询等功能，能使学生快速查到所需信息，如图3。

图3 SQL查询

（4）虚拟实习

虚拟实习包括庐山概况、植被、土壤、气候、水文、资源、环境、地质和第四纪地貌等内容，使用者可以选择指定的野外实习路线，以交互式录入的方式对该区域的地质、地貌进行虚拟实验，如图4所示。

图4

（5）空间分析与辅助决策

空间分析和辅助决策模块主要基于两点：一是辅助学生设计实习线路和分散实习小组自主决定实习调查时提供实习线路的分析和决策帮助；二是辅助学生对实习区域各种地理现象联系思考，培养地理思维，如计算兴趣区的坡度、坡向、剖面等。与其它的地理信息系统中辅助决策模块相比，主要有多图层叠加分析、地图数据与属性数据共同分析、最优路径分析等，并能提供相应的统计分析专题图。图5是最优实习路线的分析示意图。

图5 最优实习路线选择

4 系统实现关键技术

4.1 多源异构数据的集成

针对虚拟地理环境建设对空间数据的要求研究多源异构空间数据集成方法，提出面向多维的数据表达模型，重点探讨多源异构数据的集成流程和体系框架，分析多源异构数据的解析及其与模型的交互，解决数据和模型两个层次上的集成问题，同时，将数据和地理模型封装部署在分布式网络环境下，为用户共享分布式地理模型进行地理问题研究服务［5－7］。

4.2 大规模场景数据组织、调度

通过数据分割、加工和索引机制，将三维场景空间数据，包括DEM数据、地物模型数据、纹理影像数据及元数据，组织成一个由不同细节层次、不同地域覆盖范围的多个子场景构成的金字塔型结构。在此基础上，分析场景可视化的特点及不同策略的优劣，利用遮挡剔除、细节层次简化、多线程处理与路线预判技术，在原有的优化理论框架中引入对空间对象绘制复杂性因素的考虑，完善有关三维场景实时绘制的形式化描述，从而以更加合理的优化目标和约束条件来研究数据调度中的预取策略，为大规模三维场景实时绘制中有关数据调度的研究提供更完备的可量化的手段。

5 结束语

自然地理野外实习是高校地理教学的一项非常重要的工作。面向地理实习的虚拟庐山环境建设将虚拟现实技术引入高校地理实习教学，辅以强大的GIS功能、丰富多样的多源多尺度数据，以虚拟场景方式可创新展现了区域的景观特征，将地理学科中分支学科教学内容综合起来，增大了信息量，增强实习的综合性，并节约实习时间和财力，还可以在一定程度上弥补由于天气等因素造成的无法较好观察的缺憾，达到更好的教学效果，为地理教育提供了良好的教学和学习环境。

［1］何建邦，闾国年，吴平生.地理信息共享的原理与方法［M］.科学出版社，2003.

［2］黎夏，叶嘉安，刘小平，等.地理模拟系统——元胞自动机与多智能体［M］.科学出版社，2006.

［3］杨丙中，李良芳.石门寨地质及教学实习指导书［M］.吉林大学出版社，1984.

［4］腾志宏，孙勇.秦皇岛地区地质实习指导书［M］.西北大学出版社，1999.

［5］李志林，朱庆.数字高程模型.武汉大学出版社［M］.2001.

［6］陈述彭，鲁学军，周成虎.地理信息系统导论科学出版社［M］.2000.

［7］吴建生.地质体三维可视化及空间数据探索［D］.北京：中国科学院地理科学与资源研究所，2001.

［8］关福钟，钟耳顺.组件式地理信息系统研究与开发［J］.中国图像图形报，1998（04）.

［9］萨师煊，王珊.数据库系统概论［M］.北京：高等教育出版社，1991.

［10］李德仁，李清泉.地球空间信息学与数字地球［J］.地球科学进展，1999（06）.

［11］诸云强，宫辉力，赵文吉，等.基于组件技术的地理信息系统二次开发——以地下水资源空间分析系统为例［J］.地理与地理信息科学，2003（01）.

［12］张桂林，冯佐海，文鸿雁，等.基于3S技术数字化地质填图新方法［M］.国防工业出版社，2005.