AR虚拟仿真技术在水利科普中的应用

张 宏，陆 静，杨 川

(杨凌职业技术学院，陕西 杨凌 712100)

0 引言

传统的水利科普内容往往是以专业性文字叙述水利专业人员的理解，并以展板和展项的形式呈现、传递给民众。宣传教育形式只注重事物的客观认知，不注重参观者的主观情感，民众对“墙上教材”很难产生兴趣，因而使科普教育活动无法达到“感同身受”的效果[1]。加之水利工程相对庞大，建设过程的一次性和不可逆性特点，很难体现实物教育的本质，而采用标本、模型、景观等实物或实体进行直接的观察、动手操作与体验，成本较高而且需要固定的场地。但是，随着移动互联时代到来，网络化、智能化技术不断迭代更新，这不仅加快了信息的刷新速度，更改变了人们获取信息的价值取向和行为方式，虚拟仿真技术的出现开辟了水利科普的新途径。

AR是增强现实的简称，一种实时计算摄影机影像的位置及角度，加上相应图像的技术，将真实世界信息和虚拟世界信息无缝集成的技术[2]。利用计算机生成一种逼真的视、听、力、触和动等感觉的虚拟环境，通过各种传感设备使用户“沉浸”到该环境中，使用户和环境直接进行自然交互。使用者不仅能够通过虚拟现实系统感受到在客观物理世界中所经历的“身临其境”的逼真性，而且能够突破空间、时间以及其他客观限制，感受到在真实世界中无法亲身经历的体验。

AR把虚拟的图像和文字讯息与现实生活景物结合在一起，是2010至今最热的Web趋势之一，很多AR应用已经在Android和iPhone智能手机上纷纷亮相，呈现效果让大家惊艳不已。21世纪已经是一个大数据时代，大到国防科技小到民众的平凡生活，时时处处离不开数据信息的支持。人们对信息的需求程度也日益高涨。

1 虚拟仿真在水利科普资源建设中的必要性

水利工程科普资源建设是水利科普的基础工作，也是一项重要工作。水利建设事关民生，广泛动员全社会力量参与水利建设，学习水文化、水利精神，了解水利发展新成就，提高节水、爱水意识等是水利科普建设的目标所在。水利工程科普资源信息化借助现代化信息传播方式，让更多的公众能够便捷地获取信息，了解水利建设情况，对水利建设进行公众科普，从而提升水利事业建设成果影响力。

1.1 有助于推进现代信息技术与水利工程信息融合

随着互联网的快速发展和对各个领域的整合，在科普领域，也迎来“互联网 +”模式，打破了传统水利科普方式(科普基地、展览馆)在时间和空间的限制。随着水利大数据中心和水利云平台建设，全面整合水利应用系统数据资源，加强完善水利信息采集、传输、处理、分析和应用，水旱灾害防御、水资源管理、河湖管理、雨水情监测、水库管理等信息化的应用能力水平不断提升，AR虚拟仿真技术将水利工程及建设、运行过程大数据化，将原始信息动态化，情景化，为水利科普宣传方式多样化提供了可能。

1.2 有助于拓展水利科普内容广度和深度

基于AR虚拟仿真技术的水利科普应用，可以突破时空的限制，延伸民众对水利知识和水利工程的认知和了解。避免了展板式、手册式、标语式的传统认知和宣传手段，迎合了民众利用手机就可以随时随地随想地获取水利工程方面的知识，而且摆脱了教科书式的枯燥，达到寓教于乐，为公民获取科技信息知识提供新的渠道。

1.3 有助于提升水利科普质量和水平

传统的教科书式或实际现场的科普，已经毫无新意与生气，不能吸引和提升民众去了解和探索的意愿，而且水利工程项目区别于其他工程项目，具有地域偏僻性，施工周期长、复杂，无法全面也不可能全面从工程建设开始到结束的每一环节现场展示，运用虚拟仿真技术，将水利知识及工程的建设、运行过程，更生动形象、直观具体的体验呈现给民众，提升了科普的质量和水平。

2 虚拟仿真在水利科普资源建设中的先进性

水利工程科普资源运用虚拟仿真技术建立三维实时动态虚拟仿真水利工程环境，使民众能在建立的虚拟环境下清晰真实地观察、认知、了解到水利工程的局部或整体环境。直观地了解水利知识和工程建设过程，及建筑物的结构形态，在“身临其境”中提升水利科普的效果。

2.1 可视化和形象化的“交融式”

虚拟仿真实验综合运用多媒体、大数据、三维建模、人工智能、人机交互、智能化、动画等技术手段，使民众进入高度仿真的现实场景[3]，直观形象，立体生动地体验，对民众产生强大吸引力的同时，使民众了解水利相关知识。

2.2 突破时间、空间的限制

基于虚拟仿真技术的水利科普资源，可以不受时间和空间的限制，可以在任何有网络的地方充分利用学习者的空余时间来完成，而且根据学习者的意愿随时有选择性地了解和深入学习。利用仿真技术可以将水利工程建设的知识碎片化，迎合大众习惯以体验游戏式[4]来引导对水利知识的认知、了解，从而激发民众学习了解的兴趣，从而达到水利资源科普的目的。

2.3 形成智能化、泛在化的水利科普新模式

传统水利科普模式主要是利用文字、图片和固定场所完成的。而基于虚拟仿真技术的水利科普模式，民众则可以随时随地、有心或无意地进入任何他感兴趣的工程体验学习，并且充分感受到基于大数据发展的人机互动与交错。

3 虚拟仿真技术在水利科普资源建设中的应用

目前我国各大水利类高校均积极开发了虚拟仿真教学应用系统，这些虚拟仿真平台在教学实践中，起到了弥补教学资源、提高实验教学质量、降低经济成本以及优化资源配置等作用[5]。高等院校已开始将虚拟仿真技术引入教学，教育部2017—2020年虚拟仿真教学项目，对多个学科的研究项目进行科研立项，其中有水利类项目入选。笔者以我校水利工程及水工建筑资源为基础，通过调研、查阅及收集资料，利用二维码技术，结合学院建成的水利类虚拟仿真实训基地的建设资料，将陕西(以关中地区为主)水利工程进行词条化。

3.1 资源建设目标

将陕西省典型型水利工程的建设特点、作用及效益以及水利工程建设的基本知识，整理、归纳并词条化，做到简洁易懂，内涵清楚，为后续的二维码生成和虚拟仿真的使用，做好素材准备。

3.2 资源建设内容

水利科普的意义在于使民众了解我国及陕西省水利工程建设的概况，了解水利工程建设的意义和作用以及在国民经济中的重要性，旨在宣传水利精神、水利知识，使民众认同化，继而支持和保护水利工程的建设及运行。将收集的素材进行归类，整理、细化总结内容，从工程的系统介绍到作用类别再到建筑物组成，按照树形结构来进行水利知识碎片化。

3.3 资源建设的应用

为了统一展示虚拟仿真水利科普知识资源，利用我校互联网的虚拟仿真教学平台以及优慕课平台，利用该网站平台将整理、归纳的水利工程资料信息化，利用AR技术虚拟仿真化，借助二维码技术，对每一个收集的工程信息化，民众通过手机，利用QQ、微信软件，扫描二维码就能随时随地了解相关水利工程知识，并将水利时事新闻及水利趣事结合进行宣传展示，达到乐为人知、寓教于乐的目的。

4 结语

科普信息化建设是一项系统工程。随着仿真技术的不断应用，仿真软件发展速度逐渐加快，一些仿真平台、计算方法以及编程技术不断涌现，促使仿真技术有了更多的可能，可以被应用到很多领域中。虚拟仿真技术是水利科普领域中的重要创新，它实现了科普从可读到可视、从静态到动态、从一维到多维、从平面媒体到全媒体的融合转变，有助于激发民众对水利知识及水利工程知识的兴趣。基于AR虚拟仿真技术开展水利科普，解决了固定场地、科普成本高等科普难题，开辟了一个重要、有效的科普途径，是对传统科普手段的重要补充。