虚拟现实技术在森林防火培训系统的应用探索

摘要：介绍了将虚拟现实技术应用于森林防火培训的优势，分析了影响森林火灾的因素，并详细介绍了虚拟现实技术在森林防火培训系统设计、实现和应用等方面内容。该研究 旨在利用虚拟现实技术构建人机交互体系，实现沉浸式体验、漫游虚拟仿真展示、数据挖掘等系统功能，培养学生防灭火理论知识和实践技能，提升培训效果和应对能力。 有助于提高学员的应对能力。

关键词：虚拟现实技术森林防火培训系统森林火灾安全教育

中图分类号：S776

Exploration ofing the Application of Virtual Reality Technology in the Forest Fire Prevention Training System

QIU Dazuo1 ，FAN Fanrong1，CHEN Lilong2，LIU Youwu2

（1.Fujian Sanming Forestry School，Sanming，FujianProvince，365001 China；

2.Sanming University，Sanming，FujianProvince，365004 China）

Abstract：This article introduces the advantages of applying virtual reality technology to forest fire prevention training， analyzes the factors that affect forest fires， and provides a detailed introduction to the design， implementation， and application of virtual reality technology in theforest fire prevention training systems. IntendedThis paper aims to use virtual reality technology to construct a human-comji4E55/BR85ZImpep1RledRxlihcQEZjEULfTB55vFk=puter interaction system， achieve immersive experiences， roaming virtual simulation display， data mining and other system functions， cultivate students' theoretical knowledge and practical skills inof fire prevention and extinguishingcontrol， and improve their training effectiveness and response capabilitiesy.， whichHhelps to improve students' copingresponsecapabilityskills.

KeyWords： Virtual reality technology; Forest fire prevention; Training system; Forest fire;Safety education

森林火灾具有突发性、危险性和破坏性等特点，因此，提高森林防火实训基地的训练水平对于保障森林安全具有重要意义。随着科技的不断发展，虚拟现实技术（（Virtual Reality，VR）VR ）作为一种新型的模拟训练工具，已经在多个领域得到了广泛应用。本文主要探讨运用虚拟现实技术开发森林防火培训系统，分析虚拟现实技术的优势、影响森林火灾的因素、森林防火培训系统的设计、实现和应用等方面内容。

1虚拟现实技术的优势

1.1高度逼真的模拟场景

运用三维建模技术建造三维地形、树木、火等模型，将这些高清模型导入虚拟编辑软件，运用虚拟现实技术模拟出高度逼真的森林火灾场景，使学员能够更加深入地了解森林火灾的规律和特点[1]。同时，虚拟现实技术还可以模拟出不同的火场情况，使学员能够根据实际情况选择最佳的扑火方案。

1.2安全性和必要性

将森林防灭火培训课堂搬到真实场景中，需要消耗大量的人力、物力、财力和森林资源，同时教学过程风险性高，存在很多不确定因素，易造成的人员伤亡和环境污染，且有些是不可逆的，教学场地属于高危环境，实现起来困难重重。森林防灭火虚拟仿真培训项目能有效地解决这些困难，学员可以安全地完成防灭火技能培训，同时有效地保证学员安全、降低成本、减少资源的消耗、改善教学环境、增强培训效果。因此，本项目的研究和开发对学校乃至我 本省森林防灭火课程教学具有重要的意义。

2影响森林火灾的因素

影响森林火灾的因素主要有气候、可燃物数量和种类、地形、风向、林火类型和防灭火工具，以下是一些常见的因素： 。

2.1气候条件对森林火灾的影响

气温和湿度是影响森林火灾发生的主要气候因素。高温和低湿度会导致森林中的可燃物变得干燥和易燃，增加火灾发生的风险。相反，低温和高湿度则会降低可燃物的干燥程度，减少火灾发生的可能性[2]。

风速和风向影响森林火灾的蔓延和控制。强风可以加速火势的蔓延，使火灾迅速扩大。此外，风向也会影响火灾的发展，如果风向与火线平行，火势会顺着风向快速蔓延，而如果风向与火线垂直，则火势会受到抑制。

降水可以降低森林火灾的风险。适量的降水可以湿润森林中的可燃物，降低其燃烧性。如果降水多，森林中的土壤潮湿可燃物难以燃烧，从而降低火灾的风险。

季节性变化不同季节的气候条件也会对森林火灾产生影响。例如：在夏季，气温和湿度通常较高，森林中的可燃物更干燥，火灾发生的风险更高；而在冬季，气温和湿度通常较低，森林中的可燃物相对较少，火灾发生的风险也相对较低。

2.2可燃物种类和数量对森林火灾的影响

不同种类的可燃物燃烧特性不同，有些可燃物可能更容易燃烧，产生更高的火焰高度和火势强度[3]。例如， ：干燥的草、树叶和小树枝等细小可燃物通常比大的树干和树枝更容易燃烧。

可燃物的数量和分布影响火势的蔓延速度。大量密集的可燃物会提供更多的燃料，使火势迅速扩大。可燃物的连续性也会影响火势的传播，连续的可燃物区域会促使火势快速蔓延。此外，可燃物的种类和数量会影响火灾的强度。高强度的火灾可能对森林生态系统和人员安全造成更大的威胁。

2.3地形对森林火灾的影响

地形对森林火灾的影响主要有坡度、海拔高度、地形特征和地形变化。坡度影响火势的蔓延速度和方向，在斜坡上，火势会顺着坡度向下蔓延，速度会加快，而且可能会形成急流。海拔高度会影响火灾的燃烧和蔓延，氧气含量低会导致火灾的燃烧速度变慢，火势蔓延也会受到抑制。地形特征对火灾的燃烧和蔓延产生不同的影响；例如， ：在峡谷中，火势可能会顺着峡谷迅速蔓延，形成火龙卷等危险现象，而山脉和河流等地形则可以提供天然的防火带，减少火灾的蔓延。山崩、滑坡等地形变化可能会改变火势的蔓延方向和速度，给灭火工作带来困难[4]。

2.4林火类型

森林火情的类型，包括树冠火、地面火、地下火三3种类型的火情场景，展示不同类型火情的发展过程。火灾的起因主要有自然自热火 和人为火两种。自然火包括闪电、自燃等，人为火包括农事用火、清明祭扫、野外用火等引发的的 火情。

3虚拟现实技术在森林防火培训系统的设计

3.1虚拟现实技术森林防火系统的总体设计

系统包含两大模块：防火队员培训和课程思政。防火队员培训模块包含森林防火知识培训和技术培训，防火知识训练包含遇险逃生知识、安全距离和应急训练模块等内容，应急训练中有自救、避险方法和危险三角；防火技术训练包含工具的使用、协同训练、扑救方法和火场清理等内容。

3.2服务和终端架构

依托云计算、雾计算和边缘计算等技术，顺应5G发展趋势，将仿真运算程序和3D模型资源留在服务器上，仅将仿真和渲染后的3D界面推送到客户端，降低信息处理量和数据传输总量，用户无须无需配置高性能、高成本的计算终端，个人电脑、手机即可参与学习。

4虚拟现实技术在森林防火培训系统的实现

4.1场景构建

三维建模软件3ds Max、Maya等创建地形、森林防灭火工具、树木、植被等几何模型。在地形上分布树木、植被、火等元素，并设置材质和纹理以增加真实感。

游戏引擎 Unity、Unreal Engine 等，将三维模型导入到 引擎中，并添加光照、音效和交互功能。这些引擎提供了强大的渲染能力和可视化效果，可以创建逼真的森林防火虚拟场景[5]。

虚拟现实技术结合虚拟现实（VR）设备HTC Vive等，可以提供沉浸式的森林防火体验。通过使用VR头盔和手柄，用户可以在虚拟场景中进行交互和操作。

可视化编程工具SDK，可以用于创建简单的森林防火虚拟场景。这些工具通常具有拖放式界面，适合初学者快速掌握。

4.2交互性实现研究

根据森林防火虚拟仿真系统的需要，对系统的交互性进行设计，如图3所示。

4.2.1交互性

用户使用各种输入设备来与森林防火VR场景进行交互。包括场景天气、场景、火势和灭火工具等的选择，通过控制器（如防灭火手柄）按压、点击、移动、拍打对象等操作实现，单人灭火、协同灭火等交互任务，通过跟踪器（如位置跟踪器、手部跟踪器）检测用户的动作、手势等命令，并将其转化为虚拟现实系统可以理解的输入信号完成交互[6]。

4.2.2事件响应

在虚拟现实场景中定义和处理交互事件。当用户进行特定的交互动作时，系统检测到事件并做出相应的响应，反馈交互动作是否被成功识别和执行。例如：当队员进入危险区域系统会发出警告，工具训练时提示错误动作等功能，这些都可以通过编程或使用的虚拟现实开发工具来实现。

4.2.3性能优化

考虑到虚拟现实场景对实时性和性能的要求较高，需要对交互性实现进行性能优化。这可能涉及到减少计算负荷、优化动画和物理模拟、使用合适的渲染技术等，以确保交互的流畅性和响应性。

5虚拟现实技术在森林防火培训课堂的应用

沉浸式体验 虚拟现实技术Kb8uBpAWjRzwoIgaKtoq0g==模拟真实的森林火灾场景，为学员提供逼真的视觉、听觉和触觉感受。通过模拟训练，学员可以熟悉森林火灾的规律和特点，掌握应急处置技能，提高实战能力。同时，虚拟现实技术还可以模拟不同的火场情况，使学员能够根据实际情况选择最佳的扑火方案[7]。

防火系统漫游虚拟仿真展示体验区，利用桌面式虚拟现实训终端、教学机等虚拟仿真实训设备，构建高度真实的三维虚拟环境，让森林防火培训者仿佛置身于现场，感受到身临其境的森林防火的培训环境。展示体验区同时涵盖了森林火灾防范相关的法律法规，帮助用户了解在森林火灾预防和处置方面的法律责任和义务。通过虚拟仿真展示体验区，让学生体验沉浸式森林防灭火训练系统，丰富学生的防灭火知识和技能。

公众的安全意识 虚拟现实技术可以通过三维动画、视频等形式展示森林火灾的危害，使学员和公众更加深入地了解森林火灾的危险性，认识到违规行为的危害性，增强安全意识。

灾后评估 虚拟现实技术可以模拟森林火灾后的场景，对火灾造成的损失进行评估；通过评估，可以了解火灾造成的直接损失和间接损失，为灾后重建提供参考依据[8]。

系统智慧性具有数据采集及挖掘功能。支持打通课前、课中、课后全环节，通过实时跟踪采集虚拟仿真灭火实训“教、学、练、考、评”过程的数据，对实训过程大数据进行挖掘分析并画像，系统客观地分析判断培训者的学习效果和实操水平，并为学习人员制定 订下一步学习计划。

6结语

本文探讨了虚拟现实技术在森林防火培训系统中的优势、影响森林火灾的因素以及该培训系统的设计、实现和应用。虚拟现实技术可提供沉浸式体验，具有高度逼真的模拟场景、操作简单便捷、安全可靠等优点，有助于提高学员的应对能力。此外，文章还分析了影响森林火灾的因素，如气候、植被、地形和火灾类型等，该系统的应用可以提高森林防火的培训效率和效果，降低灭火人员的风险。

参考文献

[1] 闫鸿浩.VR技术在消防救援作战训练安全体验试 式培训中的应用[J.中国消防，2022（（6））：：55-59.

[2]孙领菊.互联网信息技术在森林防火监测中的应用[J].农家参谋，2022（5）：）：153-155 .

[3] 汪东.VR技术在森林防火教学中的应用初探[J].森林防火，2020（（4））：：13-16.

[4]刘红卫.VR技术在消防管理领域的应用研究[J].中国公共安全，2019（（2））：：39-42.

[5] 丁康.VR技术在消防模拟指挥训练的应用[J].信息通信，2020（（5））：92-93.

[6] 蔡鹏.基于VR技术的火灾消防培训系统的设计与实现[D].武汉：华中科技大学，2020.

[7] 刘瑞娜，张伟.基于VR技术定向越野训练融入消防部队的价值研究[J].军事体育学报，2019（（10））：：9-11.

[8] 范繁荣.森林防火实务[M].北京：：中国林业出版社，2014.