VR技术在森林防火教学中的应用初探

汪 东

（南京森林警察学院，南京 210023）

森林火灾是森林植被区最为重要的扰动因子，也是自然、生物、生态环境过程的潜在威胁[1]，不仅破坏生态平衡，威胁生物多样性，也严重损害了人民生命财产安全。由于森林火灾具有突发性强、传播速度快、危害性大、扑救困难等特点，位居破坏森林的三大自然灾害（病害、虫害、火灾）之首，所以森林防火在森林保护工作中占有重要地位[2]。有效防控森林火灾，是维护国土生态安全、促进社会和谐稳定的重要组成部分。森林防火作为南京森林警察学院的一门特色、骨干课程，在教学过程中，要遵循知识、能力、职业素质三结合的人才培养原则，确保公安后备人才优良的专业素养。

虚拟现实Virtual Reality（简称VR）于20世纪蓬勃发展，是计算机、电子信息、模拟仿真等多学科交叉融合的新技术，基本实现方式是计算机模拟真实环境给操作者提供环境沉浸感，使人产生身临其境的感觉。随着社会生产力和科学技术的不断发展，各行各业对VR技术的需求日益高涨。

在森林防火教学中引入VR技术，采用三维虚拟场景设计营造逼真、直观的视觉效果，同时通过人机对话进行学生操作与三维虚拟场景的交互响应，学生通过感受具有开发性、发散性的设计过程，提高对森林火灾的防护控制及独立解决问题能力。因此，VR技术在森林防火教学上的应用对培养具有绿色环保理念的现代防火人才发挥积极作用，也为培训模拟演练提供强有力的工具。

1 在森林防火教学中引入VVRR技术的必要性

森林防火教学在培养学生的设计管理能力、开发实践能力和综合运用能力方面可发挥积极的作用，但在实体教学设计过程中，存在如下问题：

1）森林火灾突发性强，不具有可预测性，破坏性大，现场参与的风险高，学生参与现场的安全防护压力大。

2）空间受限，森林火灾发生地点一般远离城市，学生想要现场参与防控难度大，目前国内外均无相应的实地教学条件。

3）成本高，影响范围广，难以随时随地检验防火、控火、灭火的效果，过程中参数的改变或优化需有对应的实体来验证，费用高昂，难以实现。

4）综合性强，相关参数关联耦合度高，涉及的环节多，实体教学难以有效体现多参数对防火结果耦合影响的多样性与复杂性。

因此，单纯依赖实体教学无法完成教学内容，更无法达到教学目的，必须要采用信息化手段和虚拟仿真技术，通过引入VR技术，针对不同的起火地点、起火树种、灭火设备、扑救力量等，实时、精准、直观地体现每一步骤的效果。基于VR技术的森林防火教学系统大大缩短了教学周期，降低了教学成本，提升了学生的自主学习能力，拓展了教学的深度和广度，实现了信息技术与特色专业教育的有机融合，从而提高了实践教学质量和实际育人水平，达到了很好的教学效果。

2 基于VVRR技术的森林防火主要教学内容

基于VR技术的森林防火教学系统紧密结合森林防火专业特色和行业产业发展最新成果，面向经济社会发展对高校人才培养的需求，通过林火风险分析、扑救措施制定、森林火险区划、指挥调度部署等环节，实时、精准、直观地体现每一参数的设计效果。在教学内容安排上以专业基础知识与专业特色知识的融合运用为基础，体现个性化、自主性学习设计的特色，达到提高学生综合运用能力的目的。

2.1 林火风险分析

林火风险分析主要是通过VR技术，让学生了解常见的易出现问题的地方或潜在的风险，从而采取措施来避免或寻求解决办法。基于VR技术的森林防火教学系统模拟林区发生火情，完成林火风险分析（如图1所示）、林火监测与预警。系统实时呈现火情位置，显示火情蔓延方向、蔓延速度和蔓延面积[3]。学生在操作过程中，基于林火发生与其环境的关系，根据林火发生的时间特点和林火蔓延的趋势进行风险分析，从而预测林火对社会和经济的影响。

图1 用于林火风险分析的森林防火VR示意

2.2 扑救措施制定

扑救措施制定主要是根据火场态势分时段记录和进行火行为预测，让学生突破时空限制，全面掌握火场信息，制定扑救措施，进行科学、合理的兵力部署和设备选择（手持灭火器、防火车、消防飞机），充分挖掘利用扑火的人力物力，确保扑救工作的有序性，提高林火扑救的工作效率，实现安全扑火。基于VR技术的森林防火教学系统制定扑救措施如图2所示。学生在操作过程中，能够面向全局、整体运作，提高扑救措施制定的整体宏观性和扑救效率[4]。

图2 用于扑救措施制定的森林防火VR示意

2.3 森林火险区划

森林火险区划主要让学生了解在森林可燃物分类的基础上结合其他火环境，将森林火险区域进行不同等级的划分，以便分级管理。森林火险区划是一项重要的防火技术措施，为林火的预防、扑救以及防火指挥员因地制宜进行防火规划和部署扑火力量、指导森林防火工作提供科学依据[5]。森林火险与植被覆盖类型、地形条件、气候条件等密切相关。VR技术可以根据显示范围的大小灵活方便地自动调入不同层次的数据，如图3所示，既可以飞行俯瞰的角度一览全貌，又可代入其中看到局部的微小细节，进而提高系统的显示性能[6]。

图3 用于森林火险区划的森林防火VR示意

2.4 指挥调度部署

指挥调度部署主要让学生学会将扑火队伍、扑火物资的指挥调度熟练应用于森林防火。通过三维虚拟场景，有序开展指挥调度，根据VR系统的文字、语音、图片、视频等信息，随时掌握现场呼救情况，来实时、逼真地掌握相关人员在扑火现场所处位置，从而实现林火监测、预警、响应、指挥的一体化、可视化、智能化、协同化管理。如图4所示，学生利用基于VR技术的森林防火教学系统，监控并随时指挥调度扑火队伍运行速度、路线及行进方向，完成前线救援力量设置后进入火场救援画面，查看现场火势情况、开展救援行动，为提高扑火指挥决策的科学性提供了方案[7]。

图4 用于指挥调度部署的森林防火VR示意

3 基于VVRR技术的森林防火主要教学方法

基于VR技术的森林防火教学系统采用开放式教学理念，充分发挥学生的主观能动性和创新性，融“教、学、做”为一体。应用VR技术模拟实际的林火防控全过程，并通过构建完善的教学内容和教学方法，形成服务于森林防火技术人才培养的重要教学资源，具有鲜明的行业特色。

基于VR技术的森林防火教学系统，以开放性的自主设计+参数化的虚拟显示+交互式的仿真标定分析+友好的人机界面为教学方法。关注森林防火教学和培训模拟演练的综合性、实践性学习需求，将学生置于教学过程的中心，注重学生参与学习的过程和亲身体验与实践，充分发挥教师的主导地位和学生的主体地位，实行基于实际问题的互动式、研讨式教学，体现自主式和探究式学习的特点，通过文字、图片、视频等多种媒介促进教学准备、线上操作学习、线下交流讨论，培养学生实践思考能力和综合分析能力，显著提升教学效果。

基于VR技术的森林防火教学系统改变了传统教学过程中“灌输式”“填鸭式”的模式，激发了学生潜在的创新意识和自主学习的兴趣，在培养和提升森林防火管理指挥实际运用能力与工程素养方面进行有益的实践，体现了“基础性、综合性、实践性、创新性”的特点。在教学过程中，学生运用该系统首先进入“林火风险分析”模块，掌握火场综合情况，包括火灾种类、火线大概位置、风力、风向、火场天气、地形、植被、林火蔓延速度等，根据地表火、树冠火和地下火等不同类型，进行风险分析。接着，进入“扑救措施制定”模块。根据火场态势分时段记录和火行为预测时间等时空信息，突破时空限制，制定全面扑救措施。如果通过VR系统显示火风大且方向不定，森林腐殖层较厚，林火不易打熄，火势难控制，火场处于丘陵山区等复杂地理位置，交通、通信不便，学生就会选择消防飞机灭火，利用空防把吊桶中的水精准地投放到火点。然后，进入“森林火险区划”模块。若飞行俯瞰角度和局部细节角度均显示森林火险不易蔓延，较易扑救，学生即可判断此时为中等火险级，从而为下一步的决策提供了技术依据。最后，进入“指挥调度部署”模块。学生根据前述步骤中确定的火险等级进行指挥调度。如发生的是高火险级森林火灾，火势蔓延迅速，则学生可利用VR系统做出地空配合灭火的指挥，不仅调用直升机参与灭火，也调动消防部队挖隔离带，进行人工扑救，同时派出车辆参与人员搜救、伤员和物资运输。学生在环环相扣的VR系统中，不断摸索森林防火技术与方法，自主思维创新，探索可能的改进以及寻求更佳的解决方案，理解、掌握、运用综合知识的能力得到较大提高。

4 结语

森林防火教学实践表明，基于VR技术的森林防火教学系统的功能基本达到预期效果。学生能充分利用VR技术的多感知性、自主性、构想性、沉浸感和交互性等特征，根据界面提示，进行林火风险分析、扑救措施制定、森林火险区划、指挥调度部署等环节，完成扑火演练。将VR技术引入森林防火教学，有助于加强空陆配合的林火扑救培训，弥补缺乏的实战经验，提高学生的能力，从而确保学习效率高。