虚拟现实在人文地理远程实习中的应用研究

潘立新

虚拟现实在人文地理远程实习中的应用研究

潘立新

摘要:野外实习人文地理学教学的重要环节，当前人文地理实习过程中遇到了经费不足、时间不足、学校不积极、学生数多，造成实习效果欠佳等问题。虚拟现实技术为此提供了一条良好的途径，在室内利用虚拟现实进行远程虚拟实习，是对传统野外实习的有益补充，对提高学生学习积极性、主动性，增长知识有重要意义。以泰山岱庙为例，对泰山岱庙虚拟现实实习系统的技术路线和技术方案进行了概述。

关键词:虚拟现实；人文地理；远程野外实习；岱庙

人文地理学是地理学的二大分支之一，是关于人类活动的空间差异和空间组织以及人类与地理环境之间相互关系的学科[1]，人文地理学是高师院校地理科学专业学生的一门重要课程。[2]

1人文地理学野外实习概况

人文地理野外实习是人文地理学学科课程的一门实践课程，是人文地理教学中十分重要的理论联系实际的实践环节。人文地理学野外实习是学生在课程理论学习基础上，通过野外实地考察和现场实践获得感性知识，巩固和加深对人地关系、经济地理、旅游地理、文化地理、城市地理等所学理论的理解，获得理论与实际相结合能力的必要手段。人文地理学研究必须借助观察与实践，仅仅以思辩和推理不能完全解决人文地理学问题，因此，搞好实习工作对于提高学生理论联系实际的能力，提高人文地理课程的教学水平具有重要意义。[3]

以滁州学院地理科学专业为例，时间通常安排在第六学期的5月份，时长二周(实际10天)。实习地点：泰山-青岛。

1.1　人文地理野外实习目的

大学人文地理野外实习的目的分为三个层次：首先，印证课堂上学习的书本知识，锻炼野外工作的基本能力；其次，收集第一手资料，为解释人文现象的空间特点，发现人文地理规律做基础工作；第三，发现新的问题，激发新的研究兴趣点和科学探险精神。

1.2　人文地理野外实习存在的问题

但近些年，高等学校地理科学专业的人文地理野外实习遇到了问题和困难，主要表现在以下几个方面：

时间不足，内容在不断压缩。如滁州学院多年来，人文地理学野外实习的时间由原先的2周，缩短为9-10天，而线路也由最早的曲阜-泰山-青岛，压缩为泰山-青岛。

客观条件制约，部分地方不能到达。由于野外实习时受客观条件的限制，部分远处、高处、低处、险处等等特殊地方，学生不能到达现场观察；还有一些建筑的细节部分野外也不能仔细观察。

学生数量多，环境影响大。由于实习地地处旅游景区，游客较多，各种干扰因素多，加上学生好奇心强、拍照等行为，影响了教学效果，老师讲解效果不佳。而且学生实习归校后由于景区不能重复，也就无法复习，绝大部分内容已经忘却，也影响了学习效果。

安全问题，学校不积极。学生离开校园，安全方面客观上增加了不确定因素。当前多数高校处于安全考虑，对野外活动大都不太支持、不热心，担心野外实习出现意外，这也对人文地理野外实习产生了一定的负面效果。

1.3　探索远程野外实习新模式

传统的野外实习方法已经不能满足当前人文地理学习的需求。针对人文地理实习出现的不足，全国许多高校地理科学专业在积极进行探索远程野外实习这一实践课程的教学模式[4]，利用新技术，并采用新的方法和手段从多个方面进行改进提高。[5-11]

虚拟现实技术为此提供了一条良好的途径。虚拟现实技术具有3个主要特性，即3I：沉浸性(Immersion)、交互性( Interaction )和构想性(Imagination)。[12,13]

1.4　虚拟现实在人文地理远程实习中解决的问题

虚拟现实技术能够为学生提供生动、逼真的实习环境。学生能够成为虚拟环境中的一名参与者，扮演一个角色。在室内利用虚拟现实对传统野外实习进行远程虚拟实习，主要解决以下问题：一是对传统方式的有益补充，主要解决细节问题；二是可随时在任意地方、长时间停留，特别是实际野外实习中不能到达的高处、低洼处、远处、危险处；三是学生可以亲自动手操作，在自己感兴趣或不理解的地方实现反复观摩、从上下左右前后多角度进行细致观察，在自己不理解的地方进行反复推敲和相互讨论。

2虚拟现实在泰山岱庙远程野外实习中的实例

2.1　岱庙虚拟现实的实现方案

对于高校野外实习虚拟现实系统，根据其设备条件、成本以及现实需求等综合考虑，采用桌面虚拟现实这一基本类型最适合当前高校现状。

(1)基于实景图像的虚拟现实技术

基于实景图像的虚拟现实技术具有快速、简单、逼真的优点。主要使用3Dmax软件将现在现状的建筑、道路、水系这些二维数据，导入到3Dmax中进行建模，同时将从野外拍摄到的照片处理后，分别贴到相应的模型上，将这些要素建模与现实基本相同后，再用一个三维场景合成程序，将所建的模型数据合成为一个整体三维场景，同时将这个大的三维场景数据转换成一个大文件。

全景图像生成的主要方法是用像素较高的照相机对某一地点如岱庙大门前，以此点为中心，向上、下、左、右、前、后六个方向拍摄计六张照片，然后经过“缝合(Stitch)” 拼接处理，拼接程序采用图像校准(Regulation)算法来匹配和融合相邻的图像，主要有人工拼接和自动拼接二种形式，对重合部分予以去除。最终形成一张完整无缝的图像，观赏者可以在此图像中进行任意方向、拉远、拉近的变化，由此产生身临其境的感觉。

(2)地形数据虚拟现实技术

虚拟地面具有地理特征，其地物边界多为不规则体，如水系、山体，需借助ArcGIS软件进行建模。地形数据合成，是将影像图数据和高程数据，用地形发布工具的程序，加载到一起发布成一个文件，该文件可以将实际的地形地貌反映出来。

(3)动态变化模拟

本文系统中的动态变化主要是岱庙小广场上的喷泉。

喷泉效果是依靠OpenGL函数库中提供的点精灵(PointSprite)技术，通过构建粒子系统来实现的。粒子系统是计算机模拟的一种常用方法，自然景物(如云、喷泉、焰火、烟雾等)常运用此方法进行动态模拟。利用点精灵(PointSprite)技术来创建一个粒子，赋予位置、颜色、速度等各种属性，而众多粒子的集合则构成粒子系统，它是一个动态系统，对粒子更新、显示、死亡和创建的过程进行管理。见图1。

图1　喷泉效果图

(4)虚拟现实的合成

将构建好的三维场景输出单个的文件，通过 VRML将不同部分集成为最后的虚拟场景模型。用Citymaker Explorer的软件，分别将地形数据和场景数据叠加到一起进行浏览，同时该软件还可以进行一系列的三维分析。见图2。

图2　贷庙全景图

泰山、岱庙虚拟人文地理实习系统程序可以在本机上运行，也可以把它安装到局域网上，供学生课堂学习使用。

2.2　岱庙虚拟现实实习系统实现的主要功能

(1)人机的交互功能，实现全景漫游，如图2。

(2)热点导航，学生学习操作简单方便。

(3)自动漫游和人工漫游自如切换。

(4)飞行跳跃。

(5)360度全景观赏，如图3。

图3　旋转360度场景图

(6)穿越，如图4。

图4　正阳门俯视、平视、穿越图

3结语

虚拟现实技术在地理科学乃至整个教育界中的应用还只是刚刚起步，但传统的地理科学与这一现代先进技术手段的结合，是一个必然的趋势。在高校人文地理学的课程教学上，运用VR-GIS技术，引入岱庙虚拟现实系统，用于人文地理方面的远程辅助实习，能充分发挥学生的视觉、听觉和触觉等多种感觉器官进行学习，对认识地理事物和现象，发现地理规律，提高地理知识，掌握地理技能，有重要作用。我校引入岱庙的虚拟现实系统进入课堂教学，用以辅助野外实习，仅仅是个开端，还存在较多不足。

今后，随着科学技术的不断进步，加上各单位越来越多的学者、科技人员参与研究，虚拟现实技术必将在人文地理学乃至地理学教学中取得更广泛、更深入的应用，并再一次促进人文地理教学质量的进一步提高。

[参考文献]

[1]赵荣，王恩涌.人文地理学[M]. 北京：高等教育出版社，2006：3-4.

[2]卢松.高等学校地理专业人文地理学野外实习课程建设研究[J].安徽师范大学学报(自然科学版)，2007，27(2)：224-227.

[3]王义民，苏华.高师人文地理野外实习的现状与发展趋势研究[J].实验室科学，2011，14(1):173-176.

[4]郑伟民，杨诗源.高师人文地理学野外实习课程建设研究[J].高师理科学刊，2009，29(6)：113-117.

[5]汤茂林，沙润，石高俊.我国高师人文地理学课程体系改革设想[J].世界地理研究,2000,(3):107-112.

[6]赵春雨，陆林.高等师范院校人文地理学课程体系改革研究[J].安徽师范大学学报(自然科学版),2002,25(3):300-303.

[7]陆林，凌善金，王莉.试论高校地理专业人文地理学的教学改革[J].人文地理,2003,18(5):65-69.

[8]文星跃，董廷旭.高校自然地理实践教学改革探讨[J].福建地理，2006(21)2:135-137.

[9]龙海丽，王爱辉.地理野外实习教学效果的提高初探[J].黑河学刊，2012，179(6)：77-78.

[10]曾华，沈永明，周勤，徐琪，陈子玉. 高等院校地理科学专业自然地理野外实践教学模式探讨[J] .南京晓庄学院学报,2007,6:116-120.

[11]王文福，张玉娟自然地理野外实践教学的改革与创新[J].长春师范学院学报(自然科学版)，2010,29(3):93-95.

[12]曾建超，俞志和.虚拟现实技术及其应用[M].北京：清华大学出版社，1996.

责任编辑：刘海涛

体育健身消费具有一定的消费能力的要求，即必须具备与体育健身消费相适应的知识和技能，文化程度越高的人越容易掌握这种知识和技能，也就越具有较强的体育健身消费能力。体育健身消费能力强的村民，能够消费多样化的体育健身产品，而体育健身消费能力弱的村民则只能消费浅显、单一的体育健身产品。因此，文化程度的不同造成了体育健身的差异。

收稿日期：2014-08-21

基金项目：滁州学院重点教研项目(2011jyz006)；安徽省教育厅教研项目(2014jyxm373)

作者简介：潘立新，北京大学城市与环境学院访问学者(北京 10087)，滁州学院地理信息与旅游学院副教授(安徽 滁州239000)。

中图分类号:G641

文献标识码：A

文章编号：1673-1794(2015)02-0096-04