虚拟地理实验概念框架与应用初探
VR技术在高中地理教学中的应用
VR技术在高中地理教学中的应用一、引言随着信息技术的不断发展，虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术已经逐渐成为教育领域的热门话题。
VR技术通过模拟虚拟环境，让用户身临其境，提供沉浸式的学习体验。
在地理学科教学中，VR技术的应用能够让学生更加直观地了解地理现象和地理空间的特征，提高学习兴趣和效果。
本文将探讨VR技术在高中地理教学中的应用，并分析其优势和挑战。
二、VR技术在高中地理教学中的应用1.虚拟地理景点参观通过VR技术，学生可以在教室里轻松体验全球各地著名的地理景点，如埃及金字塔、巴黎铁塔、巴西瀑布等。
学生可通过佩戴VR头盔或使用平板电脑等设备，在虚拟环境中自由导览，观察地形、地貌、气候等因素对景点形成的影响，并与实地考察的感受进行对比。
这种沉浸式的学习体验能够激发学生的兴趣，提高他们对地理事物的理解和记忆。
2.模拟地理现象地理学科中的一些抽象的概念和地理现象，如环流系统、地震、火山喷发等，常常难以通过课本和图片进行直观理解。
借助VR技术，学生可以通过虚拟实境模拟这些地理现象，包括观察现象的过程、了解形成原因以及分析影响和后果。
例如，在虚拟环境中，学生可以亲自体验和观察地球自转引起的日夜变化，或者参与模拟的地震发生后的灾害应对过程。
这种亲身体验能够增强学生对地理现象的认识和理解。
3.拓展学生视野通过VR技术，地理教学不再受限于教室的空间和时间。
学生可以通过VR设备参观世界上任何一个地方，了解不同地理环境下的自然地理、人文地理和地方特色。
例如，学生可以在教室里虚拟登上珠穆朗玛峰，感受海拔高度带来的气候和生态变化；或者在虚拟世界中参观纽约市的摩天大楼和繁华街道，了解城市规模和经济特征对居民生活和环境的影响。
这种体验能够拓宽学生的视野，增加他们对地理多样性的认识。
4.个性化学习VR技术具有交互性和个性化的特点，可以根据学生的学习需求和节奏进行调整。
例如，通过VR设备，学生可以选择自己感兴趣的地理主题进行学习，同时可以根据自己的学习进度和理解深度进行调整。
小学科学课中有效应用概念图初探
通过这个简单的概念图的梳理，学生对上一节课 的知识有了更清楚的认识和理解，更加激起学生用放 大镜观察昆虫的极大兴趣。在单元测试中，这部分内 容学生的得分率很高。
教学杂谈
小学科学课中有效应用概念图初探
徐巧媚
在小学科学教学中，概念图是指用图表形象地把 某一课或某一个单元中包括的所有概念，用连接词及 箭头把它们联结起来，使学生能较清楚地看到各概念 之间的联系，促进学习正迁移和有意义学习的发生， 从而提高学习效率。
概念图由节点（结点）、连线和连接词三个部分组 成。概念置于圆圈或方框中即为节点。在概念图中， 概念之间的关系用连线来表明，连线上标明连接词 （能说明两个概念之间的意义关系）。连线可以没有 方向，也可以单向或双向。一个命题由两个节点、一 条连线和一个连接词构成。一般情况下，最一般、最 概括的概念置于概念图的最上层，从属的概念安排在 下面各层。
一、在新课教学中的应用 1. 应用在课的开端
教师依据概念图，课程安排时应考虑到学习的先 后顺序，基础的课程应先教，使学生易学，并有效鉴定 出迷失概念所在。师生要利用概念图进行即时反馈、 了解学习结果，以便对教学内容、方法及程序作适当 调整，建构出一个良好的概念学习系统。如三年级上 册《水》这课的教学，教材主要有三个活动：一是学生 交流有关水的已有认识，二是识别水和其他的物质， 三是给物质分类。在第一个活动中，教材第一次出现 了网状图。我组织学生小组讨论，运用网状图进行记 录，这样可以帮助他们将水的知识进行分类和梳理， 提高处理信息的能力。（如图）
高中地理体验式教学实践初探
高中地理体验式教学实践初探一、地理体验式教学的概念体验式教学是一种以学生为主体，通过实践活动、参与体验、合作探究等方式，让学生亲身感受和体验学习内容，从而达到知识的深入理解和应用能力的培养的一种教学模式。
在地理教学中，地理体验式教学是让学生通过实地考察、实验观察、模拟活动等方式，深入了解地理知识，感受地理现象，培养地理思维和观察能力的教学模式。
1. 注重学生参与。
地理体验式教学注重学生的主体地位，让学生成为学习的主体，通过实践活动，引导学生主动参与，提高学生的学习积极性和主动性。
2. 关注学生体验。
地理体验式教学不仅仅是传授知识，更注重让学生亲身去感受和体验地理现象，引导学生通过观察、实践、体验去深入了解地理知识。
3. 打破传统教学模式。
地理体验式教学摒弃了传统的课堂讲授模式，通过设计实践活动、实地考察、模拟实验等形式，打破了传统的教学模式，更贴近学生的学习需求。
4. 培养学生能力。
地理体验式教学注重培养学生的观察能力、实践能力和合作能力，通过实践活动让学生在实践中不断提升自己的能力。
1. 确定教学目标。
首先要确定教学目标，明确学生需要达到的地理知识和能力目标，为教学活动的设计提供指导。
2. 设计实践活动。
根据教学内容和教学目标，设计与之相关的实践活动，包括实地考察、模拟实验、实践项目等形式。
3. 组织实践活动。
在教学中，组织学生进行实践活动，通过组织实地考察、试验操作等形式，让学生亲自动手，深入感受地理知识。
4. 引导学生探究。
在实践活动中，教师要引导学生深入观察、探究，引发学生的思考，通过亲身实践引发学生的兴趣和热情。
5. 总结和分享。
在实践活动结束后，教师要引导学生进行总结，分享每个人的体验和观察，让学生通过分享不断丰富和完善自己的体验。
地理体验式教学是以学生为主体，是一种注重学生学习体验和感受的教学模式，其效果评估也应该从学生的学习体验和能力提升方面进行评估。
可以通过学生的实践报告、实践成果、课堂表现等方面来评估学生的学习效果，也可以通过学生的问卷调查等方式了解学生对于体验式教学的感受和意见建议。
地理模拟实验的概念并举例
地理模拟实验的概念并举例
地理模拟实验是指通过模拟地理现象或过程，利用实验方法研究地理问题，并得出相关结论的一种研究方法。
它可以通过人工构建实验场景、使用实验设备和工具，模拟特定地理条件或情境，对地理现象进行定量或定性的研究和分析。
举例来说，地理模拟实验可以用来研究地壳运动。
研究者可以使用实验室中的模型，通过改变不同的因素，如板块的形状、大小、运动速度等，模拟地壳运动的过程。
通过观察实验结果，可以得出不同因素对地壳运动的影响，进而理解地壳运动的规律和机制。
另一个例子是研究气候变化。
研究者可以利用实验室中的气候模拟装置，调整不同的气候参数，如温度、湿度、光照等，模拟不同气候条件下的变化。
通过观察实验结果，可以了解不同气候因素对生态系统、水循环、冰川融化等方面的影响，从而预测和评估气候变化对地球的影响。
通过地理模拟实验，研究者可以在受控条件下模拟和探索各种地理现象和过程，获得实验数据和定量分析结果，从而加深对地理问题的理解，并为实际问题的解决提供科学依据。
虚拟现实技术在教育领域的应用初探
虚拟现实技术在教育领域的应用初探摘要：虚拟现实技术（VR）是一种基于计算机仿真的技术，它可以让用户进入一个虚拟的三维环境中，与虚拟物体进行交互。
近年来，虚拟现实技术在教育领域得到了广泛的应用。
本文介绍了虚拟现实技术在教育领域的应用现状和发展趋势，并探讨了其优点和挑战。
最后，提出了虚拟现实技术在教育领域的潜在应用方向。
关键词：虚拟现实；教育；应用；优点；挑战正文：一、引言虚拟现实技术（VR）已经成为近年来技术研究和应用的热点之一。
VR技术凭借其独特的优势，逐渐渗透到各个领域，并得到了广泛的关注。
教育领域是其中一个重要的应用领域。
本文旨在探讨虚拟现实技术在教育领域的应用现状和发展趋势，并提出虚拟现实技术在教育领域的潜在应用方向，以期为教育领域的研究和实践提供一些参考。
二、虚拟现实技术在教育领域的应用现状随着计算机技术和虚拟现实技术的发展，虚拟现实技术在教育领域得到了广泛的应用。
目前，虚拟现实技术主要应用于以下几个方面：1.虚拟实验室虚拟实验室是指利用虚拟现实技术，建立一个真实的实验环境，让学生在其中进行实验操作。
虚拟实验室不仅可以大大降低实验成本，而且可以避免风险大的实验，提高实验效率和质量。
2.虚拟场景模拟虚拟场景模拟是指建立一个真实的场景环境，让学生在其中进行学习和体验。
虚拟场景模拟可以模拟各种复杂的场景，例如历史事件、地理环境、生物生态、等等。
学生可以通过虚拟场景模拟来获得更加直观、深入的学习体验。
3.虚拟演示虚拟演示是指使用虚拟现实技术，建立一个真实的演示环境，让学生在其中观看演示。
虚拟演示可以让学生深入了解各种复杂的演示内容，例如机械运作、物理定律、化学反应、等等。
4.虚拟互动游戏虚拟互动游戏是指建立一个虚拟的游戏环境，让学生在其中进行学习和体验。
虚拟互动游戏可以让学生更加主动积极地参与学习，提高学习兴趣和动力。
三、虚拟现实技术在教育领域的优点和挑战1.优点（1）提高学习效率虚拟现实技术可以让学生通过身临其境的体验来深入了解各种复杂的学习内容，提高学习效率和质量。
虚拟地理环境（0705z1）
虚拟地理环境（0705Z1）Virtual Geographical Environments（一）学科简介虚拟地理环境（Virtual Geographical Environments, VGE）是地理空间信息可视化发展的最后集成系统，它以虚拟现实理念/虚拟现实技术为核心，基于地理信息、遥感信息、以及网络信息与移动空间信息，研究现实地理环境和赛博空间（Cyberspace）的现象与规律，是地理环境在计算机空间的映射。
虚拟地理环境的研究，涉及到计算机图形学／仿真／虚拟现实技术、地球表层系统的地理环境、地理／遥感信息技术与科学、赛博空间与虚拟社区等，并且与虚拟现实、虚拟、虚／实关系、心理学、符号学、美学、信息论等社会、心理与哲学领域有着密切的关系，目前，VGE 系统正被应用到传统GIS 的诸多应用领域之中，如城市设计和规划、城市地下空间管理、环境监测、交通管理、地表建模、旅游等方面，为分析和解决这些领域中的问题提供了新的方式和手段，同时又拓展了新的应用，如数字黄河、虚拟旅游、虚拟校园、教学培训、虚拟企业等领域。
作为新一代地理信息技术手段，VGE 具有广阔的发展前景，该学科的研究生也具有广阔的就业前景。
（二）培养目标本学科培养的研究生，应符合国家对研究生培养的总体要求，同时应达到：1.了解学科发展的现状和动态，具有较扎实的科学可视化、虚拟现实、遥感、地理信息系统等虚拟地理环境学科的基础理论和基本应用技能；2.有对本人所从事研究方向的前沿阵地进行探索的潜在能力；3.培养适应与胜任城市、规划、环境、土地和林业等相关的领域内从事科研、教学、管理与科技开发工作的复合型人才（三）培养方式培养方式以导师负责为主，以导师组、学科团队、行业专家联合指导为辅。
（四）学习年限学术型硕士研究生的学制为3年。
提前完成所有培养环节和论文工作者，可申请提前答辩，但最多只能提前1年；因特殊情况需延长学习年限者，由研究生本人提出申请，经导师和相关部门批准，可适当延期，但学习年限最长不超过5年。
AR技术在地理教学中的应用初探
AR技术在地理教学中的应用初探一、AR技术的介绍AR技术是一种将虚拟信息和现实环境实时叠加的技术，它能够通过计算机生成的虚拟信息将真实世界场景进行增强，并将虚拟信息与真实世界进行融合。
AR技术能够将虚拟信息和现实世界结合起来，使用户在现实环境中感受到虚拟现实，并且能够与虚拟信息进行交互。
AR技术可以通过手机、平板电脑、智能眼镜等设备进行体验，同时也可以通过特定软件进行开发和制作。
1.展示地质地貌地理教学中，学生通常难以想象地质地貌的真实情景，而AR技术可以通过虚拟现实的叠加，将真实的地质地貌呈现在学生面前，使学生能够身临其境地观看各种地质地貌，增强学生对地质地貌的理解和记忆。
2.地理探索在地理学科中，实地探索常常受到条件的限制，AR技术可以通过虚拟现实的形式，将学生带到无法实地探索的地理场景中，例如世界各地的著名地理景点、火山喷发、河流下游等场景，让学生在虚拟现实中进行地理探索，增强学生对地理知识的理解和掌握。
3.地图应用AR技术可以通过虚拟信息的叠加，实现地图的3D立体展示，使得地理教学更加生动形象。
学生可以通过AR技术观察并探索不同地区的地理位置、地形、交通等情况，了解各地的地理特点，加深对地理知识的理解。
4.地理实验借助AR技术，地理实验能够在虚拟环境中进行，例如城市规划、灾害模拟等，学生能够利用AR技术进行实验操作，观察实验结果，并实现与虚拟信息的交互。
这样能够使地理实验更加直观、生动、直观，并且提高教学的趣味性和亲和力。
三、AR技术在地理教学中的优势1.增强学习兴趣AR技术能够将地理知识呈现在学生面前，使得抽象的地理知识变得更加直观和生动，能够吸引学生的兴趣，让学生更加主动地参与到地理学习中来。
2.提高学习效果借助AR技术，学生能够在虚拟现实中体验地理知识，能够更加直观地了解地理知识，增强对地理知识的认知和记忆，从而提高学习效果。
3.增强互动性AR技术使得学生能够与虚拟信息进行交互，能够更加自由地进行地理探索、实验操作等，增强了学习的互动性，使学生更加主动地参与到地理学习中来。
UbD理论在抽象概念实验教学中的应用初探
UbD理论在抽象概念实验教学中的应用初探作者：***来源：《地理教育》2024年第03期摘要：抽象难懂的地理概念会给教学目标落实增加难度。
UbD理论意为“追求理解的教学设计”，通过逆向教学设计帮助学生深入理解知识，建构学习方法。
本文以“海水的运动”为例，应用UbD理论进行逆向教学设计和实施，实践表明有利于促进地理抽象概念实验教学的有效开展。
关键词：UbD理论；概念理解；模拟实验；核心素养中图分类号：G633.55 文献标识码：A 文章编号：1005-5207（2024）03-0034-04一、UbD理论及其应用思路1.UbD理论UbD理论的英文全称是“Understanding by Design”，中文常翻译为“追求理解的教学设计”，有时也称为“逆向教学设计”。
这种新型教学模式体现“以学习者为中心”的实践智慧，强调为学生提供理解概念的框架，将追求理解与对学习的认知研究相结合，有助于提升学生的思维品质，增强学生对目标的感知。
［1］因此，UbD模式是一种立足于让学生理解知识并能自己建构学习模式，从而能够终身运用的教学模式。
［2］2.UbD理论应用思路不同于传统教学模式，基于UbD理论的教学模式流程一般为：确定预期结果—确定合适的评估证据—设计学习体验和教学。
［3］笔者根据课程标准、教材、学情制定教学目标和重难点，确定本节课的预期结果；根据预期结果设计表现性任务及评价标准，有效评估目标是否达成；最后根据此前预期结果与评估证据，设计围绕核心素养的教学过程，以达到强化重点、突破难点的目的。
图1为基于UbD理论的备课流程。
二、UbD理论下抽象概念实验教学实践本文以“海水的运动”为例，探讨基于UbD理论的抽象概念实验教学过程。
1.确定预期结果（1）课程标准《普通高中地理课程标准（2017 年版2020 年修订）》（以下简称“课标”）要求“运用图表等资料，说明海水的运动对人类活动的影响。
”（2）教材分析本节为地理必修一第三章“地球上的水”第三节内容。
地理空间定义实验报告
一、实验目的通过本次实验，旨在加深对地理空间概念的理解，掌握地理空间的基本定义、属性及其在地理信息系统（GIS）中的应用。
通过实验操作，培养学生运用GIS软件进行空间数据分析和处理的能力。
二、实验背景地理空间是地理信息系统（GIS）的核心概念之一，它涉及到地球表层空间实体的分布规律和相互关系。
地理空间定义实验旨在让学生了解地理空间的基本概念，熟悉地理空间在GIS中的应用，为后续的GIS课程学习打下基础。
三、实验内容1. 地理空间基本概念（1）地理空间：指地球表层空间实体及其相互关系的总和。
地理空间具有以下特点：① 地理空间具有三维性：地理空间在地球表层展开，具有长、宽、高三个维度。
② 地理空间具有动态性：地理空间中的实体及其相互关系随着时间和环境因素的变化而变化。
③ 地理空间具有相对性：地理空间是相对于观测者而言的，观测者的视角、位置和测量方法等都会影响地理空间的认知。
（2）空间实体：指地理空间中的基本构成要素，如点、线、面等。
（3）空间关系：指空间实体之间的相互联系，如距离、方位、相邻、包含等。
2. 地理空间在GIS中的应用（1）空间数据的采集与处理：通过遥感、GPS等技术手段，获取地理空间数据，并进行预处理，如坐标转换、投影变换等。
（2）空间数据的存储与管理：将采集到的地理空间数据存储在数据库中，并进行有效管理。
（3）空间数据的分析与处理：运用GIS软件对地理空间数据进行空间分析，如缓冲区分析、叠加分析、拓扑分析等。
四、实验步骤1. 实验准备（1）安装GIS软件：本实验采用ArcGIS软件进行地理空间定义实验。
（2）准备实验数据：下载或自行准备实验所需的空间数据，如道路、河流、行政区域等。
2. 实验操作（1）导入空间数据：将准备好的实验数据导入ArcGIS软件中。
（2）查看空间数据属性：查看空间数据的属性信息，如坐标系统、数据类型等。
（3）空间分析：运用GIS软件进行空间分析，如缓冲区分析、叠加分析、拓扑分析等。
地理教学中的新技术应用案例
地理教学中的新技术应用案例一、介绍地理教学是培养学生对于环境、地球现象和人类活动的认知与理解的重要途径之一。
随着科技进步，新技术在地理教学中的应用也变得日益广泛。
本文将探讨几个在地理教学中成功应用新技术案例，旨在提供给教师们新思路和方法。
二、虚拟实境(VR)技术在城市规划教学中的应用案例1. 背景介绍城市规划作为地理课程内容之一，在过去难以直观展示给学生。
然而，借助虚拟实境(VR)技术，可以模拟出逼真且可交互的城市场景，使学生能够亲身感受到不同规划方案对城市发展可能产生的影响。
2. 应用案例分析以某个具体城市为背景，利用VR技术创建各种规划方案，并结合数据分析工具，向学生展示每个方案可能带来的结果。
通过自己操作虚拟场景进行实践性探索和决策，在参与度高且直观感官体验的基础上，激发学生对城市规划的兴趣。
同时，这一案例还可以培养学生的空间想象力和解决问题的能力。
三、地理信息系统(GIS)在环境保护教育中的应用案例1. 背景介绍环境保护是当今社会亟待解决的重要议题之一。
教育学生关于环境问题的认知和行动力非常必要。
而地理信息系统(GIS)则为地理科学提供了一个强大工具来处理和分析空间数据，并以图像化形式展示给学生。
2. 应用案例分析通过利用GIS软件，将现实世界中存在或潜在涉及到环境问题饱受破坏或污染的场所标注出来，并结合相关统计数据与卫星图像进行详细展示。
例如，在学校附近标注出水资源得以修复后引入增多野生动物种类变化情况、空气质量指数随时间变化等等内容。
通过此种方式让学生直观感受到人类活动对自然环境造成影响，从而增强他们意识到碳排放、森林砍伐和土地污染等问题的重要性。
四、卫星遥感技术在气候变化研究中的应用案例1. 背景介绍气候变化是当今全球所面临的一大挑战，也是地理学习中不可忽视的议题之一。
然而，直接呈现给学生相关现象和数据可能存在一定困难。
正因如此，卫星遥感技术成为了独具优势的工具。
2. 应用案例分析通过卫星遥感技术获取到海洋溶解氧浓度图像，并结合相应统计数据进行展示。
网络地理教学初探
频 、视频技术 的应用 ，有助于让学生认识弄清比较抽
象 的地理 知识 。
教育 资源的优 势 ，把 网络运用于地理教学作为地理教
学手段新的一种尝 试 。我在教学
一
“ 地球 的面貌 ”这
四、网络 地理教 学 应注 意的 事项
网络地理教学不是万能 的，它仅仅是辅助地理教 学的工具 ，它不能完全替代常规 的教学 ，只是在教学 中方式 的一种补充 ，就 当前使用 网络地理教学我认为 还应 注意几方面的问题 。一是根据内容决定是否运用
地理学 习潜力。网络地理教学有利于创造高效的教学 效果 。因为利用 网络教学进行地理教学 ，利用了各种 地理信息有文字 、声音 、图像 等 ，这些手段的应用 ，
吸 引了学生 的注意力 ，充分调 动了学生的感官 ，使学
二 、我 的 网络地 理教 学
我将全班学生带到计算机教 室 ，按传统的班级授 课制这种教学组织形式进行教学的 ，发挥互联网作为
采用不同实验方式 （ 实物实验方式 、多媒体技术方式
或Ｇ Ｓ Ｉ方式 ） 进行 ，突出了学生个性化的学习方式 ，也 拓展了学生对同一问题思考的范围。 当然 ，鼓 励性 原则 也是 地理 实验所 要具 备的原
三 、地 理 实验 的评 价方 式
１评价 原则 ．
则。地理实验开展的 目的就是为 了让更多的学生感受 地理学科的魅力 ，激发学 生对地理 问题的发现 、思考 和探究 ，并在实践操作过程 中增加学生学习地理的积 极性和 自信心 。所 以 ，在学生进行实验的过程 ，应该 多 以鼓励性的 、启发性 的话语来帮助学生完成或与学 生共 同完成实验 。
缸 ２０ 第 ０年 １ １ ３ 期
教 经 学验
初中地理学习的虚拟实验设计
初中地理学习的虚拟实验设计第一篇范文：初中地理学习的虚拟实验设计一、学好重要性地理学科是一门综合性学科，涉及到自然、人文等多个方面。
学好地理，不仅有助于我们了解世界各地的自然环境、人文景观、经济发展等，还可以培养我们的空间思维能力、提高我们的综合分析能力。
尤其在我国，地理学科在中考、高考中占有重要地位，因此，学习地理对于我们来说具有重要意义。
二、主要学习内容初中地理学习内容主要包括：地球与地图、世界地理、中国地理、人文地理。
其中，地球与地图主要介绍地球的结构、地图的绘制与阅读；世界地理和中国地理分别介绍世界各地和我国各地的的自然环境、人文景观、经济发展等；人文地理主要涉及人口、城市、农业、工业、交通等方面的知识。
三、学习注意事项1.注重理论与实际相结合，学会运用地理知识解释现实生活中的地理现象。
2.培养空间思维能力，学会绘制和阅读地图，掌握地理图表的运用。
3.加强综合分析能力，善于从多个角度审视地理问题，形成自己的见解。
四、主要学习方法和技巧1.虚拟实验法：通过虚拟实验室，进行地理实验操作，直观地了解地理现象和规律。
例如，通过虚拟实验，探究地球的自转和公转，理解地球五带的形成。
2.案例分析法：选取具有代表性的地理案例，进行深入分析，掌握地理知识。
例如，以我国首都北京为例，分析其地理位置、气候特点、人文景观等。
3.比较学习法：通过比较不同地区的地理特点，加深对地理知识的理解。
例如，比较我国南方的水稻种植和北方的玉米种植，了解不同地区的农业生产特点。
五、中考备考技巧1.梳理知识点，形成知识体系，加强对地理概念、地理规律的记忆。
2.做好笔记，及时巩固学习内容，尤其是地理图表的绘制和阅读。
3.定期进行模拟测试，提高应试能力，查漏补缺。
六、提升学习效果的策略1.创设情境，激发学习兴趣，让地理学习变得生动有趣。
2.开展合作学习，与同学共同探讨地理问题，提高解决问题的能力。
3.利用网络资源，拓宽学习渠道，了解地理学科的最新动态。
虚拟地理实验
中国自然地理野外定位试验站分布图（黄秉维等，1990）
地貌实验室及定位站一览表（截止1987）（据金德生，1991）
物理模型实验
遵循“相似原理与准 则”以及“系统论的异 构同功原理”（相似准
则：几何形态相似，运动 相似，动力相似，边界条 件相似等）；
数学模型实验（数值模拟）：
确定性数学模拟试验与随机数学模拟试验。它借助包含数学变
•任美鍔院士与李吉均院士在2002年的地理学年会上，提出了“复 兴/振兴地理学”的问题；（地理学科，学科发展危机） •信息社会下的区域可持续发展问题 （现实需求，复杂性问题） •传统地理学家的地理思考与工作模式，现代海量科学数据下的现 代地理学方法 （继承与发展）（地理工作模式调整，香港年会， 我们与前辈地理学家）
英剑桥大学与联合利华公司共建分子信息学中心
在13日于剑桥大学举行的新闻发布会上，中心主任罗 伯特·格伦教授介绍说，科学研究产生的数据正以指数形式急 速增长。例如已知的化学物质有2300万种，人类基因组碱基 对数据有数十亿个，如何最有效地运用这些数据，已成为一 个迫切的问题。联合利华－剑桥分子信息学中心正是为此而 建立的。 该中心依附于剑桥大学化学系，完全投入运转后将有30 名科研人员在此从事研究。他们将从全世界范围内收集分子 数据，并开发能够处理大量数据的软件、智能浏览器等信息 处理工具。中心还将研究“虚拟实验”技术，使科学家能够依 据现有数据，在计算机上模拟化学反应，预测反应结果和分 子的性质，并在实验室中进行验证。据认为，这将大大加快 新型化学物质如药品的开发速度。
需要发展“实验地理学”
3）发展“实验地理学”的可能性
“实验经济学”给予的启示 2002年经济学诺贝尔奖项： 美国经济学家弗农·史密斯：实验经济学
地理空间数据模型构建与应用研究
地理空间数据模型构建与应用研究地理信息系统（GIS）的发展，使得地理空间数据的获取、存储、管理和应用变得更加高效和便捷。
而地理空间数据模型正是GIS的核心基础，通过对地球表面的事物进行模拟和描述，实现了对地理数据的有机整合和有效分析。
本文将探讨地理空间数据模型的构建与应用研究，旨在进一步推动地理信息科学的发展。
一、地理空间数据模型的构建地理空间数据模型是地理现象和事物在计算机上的抽象和表示方式，它包含了地理空间数据的结构、关系和行为等属性。
地理空间数据模型的构建是基于对空间对象和地理过程的观察和抽象，以及对数据组织和存储的要求。
常见的地理空间数据模型包括：层次模型、关系模型、对象模型和影像模型等。
这些模型从不同的角度描述了地理空间数据的特征和组织方式，满足了不同领域对地理数据的需求。
1. 层次模型层次模型是地理空间数据模型中较早发展的一种形式，它将地理现象和要素以层次结构的方式进行组织和管理。
在层次模型中，地理要素按照其自然特征和地理关系进行划分和分类，形成了一个树状的结构体系。
这种模型的优点是易于理解和操作，但对于复杂的地理现象和关系的表达能力有所不足。
2. 关系模型关系模型是一种基于关系代数和关系理论的地理空间数据模型。
它采用了属性数据和空间数据相结合的方式，将空间要素的几何形状和属性信息进行统一管理和查询。
在关系模型中，地理要素被存储为表格的形式，通过属性和空间关系的连接实现了地理数据的综合分析。
这种模型具有较强的数据一致性和查询能力，但对于地理拓扑关系和复杂空间操作的支持相对不足。
3. 对象模型对象模型是一种基于对象概念和面向对象编程思想的地理空间数据模型。
它将地理现象和要素看作是具有属性和行为的对象，通过对象之间的关系和操作实现了对地理数据的管理和分析。
对象模型将地理要素的几何形状、属性信息和拓扑关系进行了有效的封装和组织，使得地理数据具有更高的可复用性和可扩展性。
这种模型适用于复杂地理问题的建模和分析，但对于大规模数据的处理和查询性能存在一定的挑战。
虚拟地理环境PPT课件
地
理 学
一、 虚拟现实：又称虚拟实境/灵境，它是以计算
院 机技术为基础，通过创建一个集三维视觉、听觉和触
地 理
觉于一体的全方位环境，使用户利用系统提供的人机
信 对话工具，同虚拟环境中的物体对象交互操作，使用
息 户仿佛置身于现实环境之中的一门综合性技术。
系
统
专
业
课
程
《虚拟地理环境及其应用》
福
建
师 范
福
建师Βιβλιοθήκη 概念：范大
学
地
理
学
院 化身人类：表现现实界中的人与虚拟地理
地 理
界的化身相结合后的集合整体.
信
息
系
统
专
业
课
程
《虚拟地理环境及其应用》
福
建
师
二、虚拟地理环境的层面分类
范
大
学 地
1、实境面
理
① 地理位置层面
学
院
② 内表数据层
地 理
③ 外表数据层面
信
息
系
2、虚境面
统 专
① 单主体感知认识层面
业
② 互主体社会层面
课
崭新的技术手段而得到广泛的应用。
程
《虚拟地理环境及其应用》
福
建 师
课程目标：
范
大
学
地 理
了解虚拟地理环境的理论与关键支撑技术；
学 并掌握一门虚拟现实建模语言。在通过本
院 地
课程的学习后，可以独自进行简单的虚拟
理 地理环境应用系统开发。
信
息
系
统
专
业
课
程
《虚拟地理环境及其应用》
地理课堂中的虚拟现实应用
地理课堂中的虚拟现实应用在当今数字化时代，教育领域正经历着前所未有的变革，其中虚拟现实技术（Virtual Reality，简称 VR）的应用为地理课堂带来了全新的教学体验。
地理学科作为一门综合性强、涉及面广的学科，其知识的复杂性和抽象性往往给学生的学习带来一定的困难。
而虚拟现实技术的引入，犹如为地理教学打开了一扇通往真实世界的窗户，让学生能够身临其境地感受地理现象和地理过程，极大地提高了学习的效果和兴趣。
一、虚拟现实技术在地理课堂中的优势1、增强直观感受地理中的许多概念和现象，如地球的公转与自转、大气环流、洋流运动等，对于学生来说过于抽象，难以通过传统的书本和图片理解。
虚拟现实技术能够创建出逼真的三维场景，让学生仿佛置身于宇宙中观察地球的运动，或是潜入海洋中感受洋流的流动，从而将抽象的知识转化为直观的体验，加深学生的理解和记忆。
2、激发学习兴趣传统的地理教学方式可能会让学生感到枯燥乏味，而虚拟现实技术的新奇和刺激能够吸引学生的注意力，激发他们的好奇心和求知欲。
例如，通过 VR 设备带领学生探索神秘的热带雨林、广袤的沙漠或者雄伟的山脉，让他们亲身感受不同地理环境的特点和魅力，从而使学习变得更加主动和积极。
3、培养空间思维能力地理学科对学生的空间思维能力要求较高，而虚拟现实技术能够为学生提供全方位、多角度的空间视角，帮助他们更好地理解地理事物的空间分布和相互关系。
例如，在学习城市规划时，学生可以通过 VR 技术从空中俯瞰城市的布局，了解不同功能区的分布规律，从而培养他们的空间分析和规划能力。
4、突破时间和空间限制地理现象的发生往往具有特定的时间和空间条件，学生很难在现实中亲自观察到。
虚拟现实技术可以模拟不同历史时期的地理环境和地理事件，让学生穿越时空，见证地球的演变和人类文明的发展。
同时，它还能够让学生领略世界各地的自然风光和人文景观，拓宽他们的视野，丰富他们的知识储备。
二、虚拟现实技术在地理课堂中的应用案例1、地质地貌教学在讲解地质构造和地貌类型时，教师可以利用虚拟现实技术让学生“走进”山脉、峡谷、溶洞等地，观察岩石的层理、褶皱和断层，了解不同地貌的形成过程。
基于unity3d的三维虚拟地理教学系统初探
第４３卷第３期２０２０年３月测绘与空间地理信息ＧＥＯＭＡＴＩＣＳ＆ＳＰＡＴＩＡＬＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＶｏｌ.４３ꎬＮｏ.３Ｍａｒ.ꎬ２０２０收稿日期:２０１９－０３－０４基金项目:国家自然科学基金青年项目(４１４０１４５７)ꎻ河南省科技发展计划项目(１７２１０２２１０１９１)ꎻ河南省高等教育教学改革项目(２０１４ＳＪＧＬＸ１４７)ꎻ河南省高校科技创新团队支持计划项目(１６ＩＲＴＳＴＨＮ０１２)ꎻ河南省高等学校重点科研项目计划(１５Ａ１７０００３)ꎻ河南大学教学改革项目(ＨＤＸＪＪＧ２０１３－６２)资助作者简介:王珏璠(１９９６－)ꎬ男ꎬ河南开封人ꎬ地图学与地理信息系统专业硕士研究生ꎬ主要研究方向为虚拟地理环境与地学可视化ꎮ基于Ｕｎｉｔｙ３Ｄ的三维虚拟地理教学系统初探王珏璠１ꎬ王海鹰１ꎬ２ꎬ３ꎬ焦学军４(１.河南大学环境与规划学院ꎬ河南开封４７５００１ꎻ２.黄河中下游数字地理技术教育部重点实验室ꎬ河南开封４７５００１ꎻ３.河南大学城市大数据研究所ꎬ河南开封４７５００１ꎻ４.河南省地质矿产勘查开发局测绘地理信息院ꎬ河南郑州４５０００７)摘要:随着虚拟现实技术的发展与智能设备的普及ꎬ虚拟地理教学系统的开发与应用ꎬ得到了越来越多人的重视ꎮＵｎｉｔｙ３Ｄ软件因其自身在虚拟现实开发方面优秀的性能ꎬ赢得了广大开发者的青睐ꎮ本文详细分析了三维虚拟地理教学系统的功能需求和不同技术平台的实现特点ꎬ结合Ｕｎｉｔｙ软件ꎬ在Ｕｎｉｔｙ平台下实现了瓦片地图金字塔模型的构建ꎬ并给出了地理视频纹理贴图的解决方案ꎬ发挥了Ｕｎｉｔｙ软件自身强大引擎所提供的渲染能力ꎬ验证了Ｕｎｉｔｙ软件对于虚拟地理系统开发的适用性ꎮ关键词:虚拟现实ꎻＵｎｉｔｙ３Ｄꎻ三维建模ꎻ瓦片地图ꎻ视频纹理贴图中图分类号:Ｐ２０８㊀㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀㊀文章编号:１６７２－５８６７(２０２０)０３－００２６－０５ＰｒｅｌｉｍｉｎａｒｙＥｘｐｌｏｒａｔｉｏｎｏｆ３ＤＶｉｒｔｕａｌＧｅｏｇｒａｐｈｙＴｅａｃｈｉｎｇＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＵｎｉｔｙ３ＤＷＡＮＧＪｕｅｆａｎ１ꎬＷＡＮＧＨａｉｙｉｎｇ１ꎬ２ꎬ３ꎬＪＩＡＯＸｕｅｊｕｎ４(１.ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｎｄＰｌａｎｎｉｎｇꎬＨｅᶄｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＫａｉｆｅｎｇ４７５００１ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＧｅｏｓｐａｔｉａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒＭｉｄｄｌｅａｎｄＬｏｗｅｒＹｅｌｌｏｗＲｉｖｅｒＲｅｇｉｏｎｓ(ＨｅᶄｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ)ꎬＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎꎬＫａｉｆｅｎｇ４７５００１ꎬＣｈｉｎａꎻ３.ＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＵｒｂａｎＢｉｇＤａｔａꎬＨｅᶄｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＫａｉｆｅｎｇ４７５００１ꎬＣｈｉｎａꎻ４.ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｕｒｖｅｙｉｎｇａｎｄｍａｐｐｉｎｇｇｅｏｇｒａｐｈｉｃｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆＨｅᶄｎａｎꎬＺｈｅｎｇｚｈｏｕ４５０００７ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＷｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＶｉｒｔｕａｌｒｅａｌｉｔｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｔｈｅｐｏｐｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎｏｆｓｍａｒｔｄｅｖｉｃｅｓꎬｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｖｉｒｔｕａｌｇｅｏｇｒａｐｈｙｔｅａｃｈｉｎｇｓｙｓｔｅｍｓｈａｖｅｒｅｃｅｉｖｅｄｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅａｔｔｅｎｔｉｏｎ.ＳｏｆｔｗａｒｅＵｎｉｔｙ３ｄｈａｓｗｏｎｔｈｅｆａｖｏｒｏｆｄｅｖｅｌｏｐｅｒｓｄｕｅｔｏｉｔｓｅｘｃｅｌｌｅｎｔｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｎｖｉｒｔｕａｌｒｅａｌｉｔｙｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ.Ｔｈｉｓｐａｐｅｒａｎａｌｙｚｅｓｉｎｄｅｔａｉｌｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆ３Ｄｖｉｒｔｕａｌｇｅｏｇｒａｐｈｙｔｅａｃｈｉｎｇｓｙｓｔｅｍａｎｄｔｈｅｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｐｌａｔｆｏｒｍｓ.ＴａｋｉｎｇｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｏｆｔｈｅｒｅｎｄｅｒｉｎｇｃａｐａｂｉｌｉｔｉｅｓｐｒｏｖｉｄｅｄｂｙＵｎｉｔｙ'ｓｏｗｎｐｏｗｅｒｆｕｌｅｎｇｉｎｅꎬｔｈｅｔｉｌｅｍａｐｐｙｒａｍｉｄｍｏｄｅｌｉｓｂｕｉｌｔｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙꎬｗｈｉｃｈｐｒｏｖｉｄｅｓａｓｏｌｕｔｉｏｎｆｏｒｇｅｏｇｒａｐｈｉｃｖｉｄｅｏｔｅｘｔｕｒｉｎｇ.ＨｅｎｃｅꎬｔｈｅａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙｏｆＵｎｉｔｙ３Ｄｆｏｒｖｉｒｔｕａｌｇｅｏｇｒａｐｈｉｃｓｙｓｔｅｍｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｉｓｖｅｒｉｆｉｅｄ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｖｉｒｔｕａｌｒｅａｌｉｔｙꎻＵｎｉｔｙ３Ｄꎻ３Ｄｍｏｄｅｌｉｎｇꎻｔｉｌｅｍａｐꎻｇｅｏｇｒａｐｈｉｃｖｉｄｅｏｔｅｘｔｕｒｉｎｇ０㊀引㊀言近年来ꎬ虚拟现实技术(ＶＲ)和增强现实技术(ＡＲ)ꎬ以其独特的可交互性㊁创造性和真实性[１]ꎬ在众多领域有了极大的突破和应用[２]ꎮＶＲ与ＡＲ行业开发与应用越来越广泛ꎬ并逐渐向其他领域和研究方向渗透ꎬ如在医疗教育㊁航空模拟㊁灾害模拟㊁房地产开发㊁城市规划㊁影视游戏等方面都得到了广泛的应用[３－４]ꎮ而在地理教学方面ꎬ将虚拟现实技术融入教学环节中ꎬ以增加教学中的交互性㊁沉浸性ꎬ提升教学效果ꎬ也越来越引起重视[５]ꎮ因此ꎬ结合地理教学特点ꎬ探索合适的三维虚拟地理教学系统平台开发模式㊁突破地理教学系统构建中技术的难题ꎬ成为当前虚拟教学开发者们的主要研究目标[６]ꎮ目前ꎬ利用不同软件构建虚拟地理环境ꎬ已经有很多开发者做过多种类型的尝试ꎮ其中ꎬ杨肖肖等利用３ＤＭＡＸ和ＣｉｔｙＥｎｇｉｎｅ软件实现了陕西理工大学南校区三维虚拟数字校园的设计ꎬ提出了精细化建模和利用ＣｉｔｙＥｎｇｉｎｅ软件进行地理信息分析和查询的功能[７]ꎮ苏飞则利用Ｓｋｙｌｉｎｅ和Ｕｎｉｔｙ３Ｄ结合ꎬ制作了大理海东新区地上地下三维模拟系统ꎬ其中Ｓｋｙｌｉｎｅ负责地理分析部分ꎬ而Ｕｎｉｔｙ３Ｄ负责信息浏览和交互式操作的部分[８]ꎮ支雄飞实现了海底管道三维动态可视化信息集成的平台ꎬ通过运用Ｕｎｉｔｙ３Ｄ制作了海上海下的主场景ꎬ利用Ｗｅｂｓｅｒｖｉｃｅ提供数据库和发布平台的支持[９]ꎮ赵艳坤则是利用Ｕｎｉｔｙ３Ｄ软件ꎬ完成了系统基本的空间量算和规划分析功能的构建[１０]ꎮ综上可见ꎬ使用各类不同软件开发的虚拟地理系统ꎬ实现了基本的场景浏览㊁简单的计量计算和用户面板显示等功能ꎮ但是ꎬ上述虚拟地理系统研发呈现出开发工程量大㊁开发软件学习难度大㊁开发困难等不足ꎬ场景渲染效果尚待提高ꎬ在虚拟地理教学软件研发上ꎬ亦无专业系统面世ꎬ无法很好地实现浸入式虚拟教学目标ꎻ用户交互性体验较差ꎮＵｎｉｔｙ３Ｄ是ＵｎｉｔｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ公司开发的一款专业化㊁跨平台的游戏引擎ꎬ简单轻便ꎬ容易上手ꎬ且因其学习和开发成本较低ꎬ适合教育者开发适合自己的教育平台ꎮ在场景搭建渲染和浏览控制上具有独特的优势ꎬ可以解决虚拟地理教学系统研发中的实际问题[１１]ꎮ本文以此为出发点ꎬ参考地理教学目的㊁内容和实践教学过程ꎬ通过比较各类软件在虚拟地理系统构建上的优缺点ꎬ利用Ｕ￣ｎｉｔｙ３Ｄ软件强大的游戏引擎基础ꎬ探索一种基于Ｕｎｉｔｙ平台下更加实用的场景快速构建模式ꎬ开发一套更加实用的教学虚拟系统ꎮ１ 功能需求分析与平台选择１.１㊀地理教学过程中的虚拟地理系统地理教学中的虚拟地理系统ꎬ由于主要使用者是地理专业教师ꎬ使得系统的专业性比较强ꎮ在教学使用中ꎬ通常对系统的强地理信息分析功能要求不高ꎬ而是要求系统能够具备对教学内容快速展示功能ꎬ并且能够根据教学进度而进行灵活调整ꎬ使得教育工作者能够应对不同类型教学任务ꎬ学生可以实现完全独立的学习[１２]ꎮ地理教育工作者寄期望于虚拟现实技术的应用能够为地理教学方式带来革命式的改变ꎬ由以往的文字和图片式的讲述式教学ꎬ转变为探索式㊁体验式学习ꎮ因此ꎬ地理教学虚拟平台应满足地理教学的各种功能需求ꎮ首先ꎬ要具备三维浸入式浏览功能ꎬ这也是区别于其他教学方式的最为特殊的功能ꎬ当前我们所见到的虚拟地理系统ꎬ基本实现了这个功能ꎻ其次ꎬ要有内容教学的三维展示功能ꎻ最后ꎬ是地理分析功能ꎬ地理教学者通常希望系统能够处理一些简单的地学数据分析ꎮ因此ꎬ正确地分析系统需求ꎬ选取合适的构建方式快速选择搭建虚拟地理教学平台ꎬ是当前开发所应面对的重要问题ꎮ１.２㊀虚拟地理系统相关软件选择对于地理教育工作者来说ꎬ虚拟教学系统绝大多数需要实现如地理景观快速建模㊁系统坐标转换㊁三维场景漫游㊁教学内容搭建(教学ＵＩ面板)ꎬ地理景观模拟㊁地理现象模拟㊁地理过程模拟展示等工作和功能ꎬ同时ꎬ也会根据教学目标和内容的不同ꎬ引入地理数据库管理项目㊁定制并使用地理分析的服务功能ꎮ我们将对主流软件比较分析ꎬ选择合适的虚拟地理系统软件平台ꎮ１.２.１㊀三维建模工具的选择根据三维建模的精细程度需求ꎬ考虑不同的三维建模软件ꎮ１)地物景观建模软件(１)３ＤＭＡＸ作为工业化精细建模的代表软件ꎬ其与ＣＡＤ软件的完美结合ꎬ使得建模效率大大增加ꎮ在大多数校园漫游系统和部分城市社区管理系统等小型场景的建模中ꎬ３ＤＭＡＸ软件的使用率较高ꎮ然而ꎬ在一些大型场景的使用中ꎬ由于缺乏合理的批量建模方式ꎬ过于精细而复杂的建模过程ꎬ过多的点线面导致渲染和计算缓慢ꎬ不适合大型场景中使用ꎮ(２)ＳｋｅｃｈＵｐ软件ꎬ被称作 草图大师 ꎬ与ＣＡＤ完美配合[１３]ꎬ适合用于场景的快速搭建ꎬ软件轻便小巧㊁简单易学ꎬ但是无法应对模型的精细处理ꎮ支持导入ＧｏｏｇｌｅＥａｒｔｈꎮ和３ＤＭＡＸ相同ꎬ配置有强大的模型库ꎬ对于大型城市的建模有着便利的优势[１４]ꎮ(３)ＣＡＤ软件ꎬ与３ＤＭＡＸ相同用于精细化建模中ꎬ但是其搭配的简单而强大的图形渲染器和优秀的灯光与材质系统ꎬ使得其在美工与后期之中占有一席之地ꎮ同样还有ＷｏｒｌｄＭａｃｈｉｎｅ这样的地形建模软件ꎮ但是ꎬ由于制作的目的不同ꎬ我们也应当选择不同的建模工具ꎮ(４)ＭｕｌｔｉｇｅｎＣｒｅａｔｏｒ软件ꎬ利用独特的ＯｐｅｎＦｌｉｇｈｔ数据格式ꎬ加之内置的渲染预览器和模型构建修改工具ꎬ可以方便地生成和记录相应地物三维数据库ꎬ实时查看当前物体状态ꎬ与后续的实时仿真软件紧密结合ꎮ其贴图储存格式类似于大型网络游戏中使用的.ＤＤＳ格式ꎬｄｄｓ文件中集成物体贴图ꎬ在使用ｍｆｍ文件确定每一个贴图的具体位置ꎮ２)专业化的地理地形建模软件(１)ＷｏｒｌｄＭａｃｈｉｎｅ等地形制作软件则常用于自然地理相关的地形与自然景观方面的三维建模制作ꎮ相较于城市中的建筑和独特的人文景观ꎬ自然景观更加模式化ꎬ利于批量化的建模ꎬ其拥有的ＤＥＭ数据转地形的功能ꎬ更是受到了很多开发者的青睐ꎮ(２)ＴｅｒｒａＶｉｓｔａ软件是一款强大的实时三维复杂地形数据库生成系统软件ꎬ专门应用于处理高精度和大面积的地形数据ꎬ以数据库编辑的形式ꎬ输出数据实时修改和预览ꎬ大大降低了开发者的劳动成本[１５]ꎮ选择合适的建模软件将大大减轻开发者㊁教师开发和维护修改系统的负担ꎬ将更多的精力放在内容与教学设计上来ꎮ目前ꎬ由于自然环境在不同比例尺下的研究尺度问题ꎬ使得不同的研究需要不同的系统框架和数据结构去解决ꎮ而对于教育者来说ꎬ相对简单的构造方式ꎬ更符合他们对系统设计开发的要求ꎮ１.２.２㊀综合开发平台的选择１)ＣｉｔｙＥｎｇｉｎｅ软件ꎬ可以根据ＧＩＳ二维数据中的属性数据ꎬ进行自动化的批量建模ꎬ是一种高度参数化的建模７２第３期王珏璠等:基于Ｕｎｉｔｙ３Ｄ的三维虚拟地理教学系统初探方式ꎬ适合于大规模智慧城市的建模ꎮ其基于一定规则的批量建模ꎬ不再精细化地处理每一个单独的物体ꎬ统一构建三维数据模型和数据结构ꎬ建立了良好的信息查询与浏览㊁属性查询㊁量算统计的服务功能ꎮ２)Ｓｋｙｌｉｎｅ软件ꎬＳｋｙｌｉｎｅ软件自有一套独特的技术体系和空间数据结构框架ꎬ在其基础上可以轻松编辑制作其软件能力范围内的系统软件ꎮ同时期配合软件建设的地理信息共享平台ꎬ之中包含大量软件完成的预制示例和成品ꎬ可供开发人员参照和使用[９]ꎮ３)Ｕｎｉｔｙ３Ｄ软件ꎬ主要用于游戏开发平台ꎮ没有特殊设定和构建三维数据模型和数据结构ꎬ以每一个游戏物体(ＧａｍｅＯｂｊｅｃｔ)加载控制组件(Ｃｏｍｐｅｍｅｎｔ)的方式进行需求(Ｑｕｅｓｔ)的响应ꎮ对于数据库的连接需要特别在Ａｓｓｅｔ文件夹中加入 Ｓｙｓｔｅｍ.Ｄａｔａ.ｄｌｌ文件 ꎬ来实现数据的读取与储存ꎬ因此ꎬ如果以Ｕｎｉｔｙ平台实现大中型地理信息系统ꎬ需要重新构建系统和数据结构框架ꎬ出现基础工程量很高㊁技术难度难以预料的问题ꎮ但是Ｕｎｉｔｙ３Ｄ软件配置ＶＲ项目非常的方便简单㊁效果强大ꎬ对于开发基础教育类项目十分有利ꎮ另一方面ꎬＵｎｉｔｙ３Ｄ软件相较于其他游戏引擎软件ꎬ优势在于拥有完备的用户手册和用户社区基础ꎬ并且Ｕｎｉｔｙ３Ｄ对于一般的开发者是免费的ꎬ这就更好地迎合了普通地理教育者的开发需求ꎮ２㊀Ｕｎｉｔｙ３Ｄ平台下虚拟地理系统功能探索和实现２.１㊀Ｕｎｉｔｙ３Ｄ开发模式特点Ｕｎｉｔｙ３Ｄ应用于虚拟地理教学相较于其他软件有以下优势:１)交互式的教学体验ꎮＵｎｉｔｙ３Ｄ软件作为一款整合完好的游戏引擎ꎬ有许多游戏巨作问世ꎬ游戏化的教学体验使得很多教育者希望其能够尽快应用于地理环境的仿真教育中ꎮ这一点ꎬ很多前期的开发者ꎬ已经通过Ｕｎｉｔｙ３Ｄ软件ꎬ实现了校园或是城市的漫游模拟ꎮ２)良好的兼容性和扩展性ꎮ通过在Ｕｎｉｔｙ３Ｄ工程文件的 ａｓｓｅｔ 文件夹中引入各种ＤＬＬ文件ꎬ可以将其他包装好的功能以插件的形式导入自己所创建的系统中ꎬ之前的开发者已经验证了ꎬ将数据库服务导入Ｕｎｉｔｙꎬ从而进行数据管理的可行性ꎬ也有将ｗｅｂｓｅｒｖｉｃｅ导入结合开发ꎬ并发布成为相应格式的服务[１６]ꎮ３)多感知开发和优化能力ꎮ相较于其他地理分析软件ꎬＵｎｉｔｙ拥有更多视觉㊁听觉开发能力ꎬ和其他交互式功能上的便利之处ꎮ其图形渲染ꎬ游戏物体的命令和响应处理都有自己独特的完整系统ꎬ开发者不必自己再编写代码ꎬ极大地提高了开发者的效率ꎮ４)Ｕｎｉｔｙ对于初级开发者是完全免费的ꎬ且有丰富的用户手册ꎬ帮助初学者快速入门ꎬ并制作出属于自己的系统ꎮ相较于其他游戏引擎ꎬ这一点受到许多用户支持ꎮ然而ꎬ使用Ｕｎｉｔｙ３Ｄ软件进行开发ꎬ也有以下不足ꎮ首先ꎬＵｎｉｔｙ没有固定的数据结构和系统逻辑框架ꎮ虽然这样可以让开发者不局限于软件自身的限制而开发出更加灵活㊁更加多样的内容来ꎬ但是ꎬ对于初级开发者而言ꎬ要从最基本的系统架构开始设计ꎬ十分的费时费力ꎬ不能很好地完成目标ꎮ其次ꎬＵｎｉｔｙ没有丰富的地理系统相关的预设库和功能库ꎮ对于基础开发者来说ꎬ需要快速建立起自己的系统和内容ꎬ则会需要预设库和他人共享的一些功能样例来提供帮助[１７]ꎮ仅仅靠个人进行底层编写ꎬ会花费很大的人力物力[１８]ꎻ如要引用其他软件的功能ꎬ则经常在插件接口的设计中㊁ＤＬＬ文件类型和.ＮＥＴＦｒａｍｅｗｏｒｋ框架的版本上出现问题ꎬ而且Ｕｎｉｔｙ编译外部ＤＬＬ库时ꎬ也会出现很多其他错误ꎬ使得引用失败ꎮ最后ꎬ是设备运行问题ꎬＵｎｉｔｙ在同一场景中加载过多的资源ꎬ会导致设备运行出现内存占用大㊁渲染速度慢等问题ꎮ所以ꎬ需要有一个切实有效的系统架构ꎬ来解决这样的问题[１９]ꎮ因此ꎬ在开发过程中ꎬ应尽量地避免Ｕｎｉｔｙ平台下的开发瓶颈ꎬ突出Ｕｎｉｔｙ的开发优势ꎬ找到一条合适的功能开发路径ꎮ２.２㊀瓦片地图金字塔模型瓦片地图金字塔模型是对虚拟地理系统中基础的地图和地形场景进行搭建的一个技术框架ꎮ在构建虚拟地理环境的过程中ꎬ通常会遇见创建场景十分的巨大㊁使用高精度贴图或是模型精细程度高多边形面数巨大等问题ꎮ这就会导致系统在导入和加载资源的时候加载时间过长ꎬ在进行分析运算和景观浏览时ꎬ存在内存压力和处理区压力大的问题ꎮ另外ꎬ这样的系统无法移植和发布于移动端ꎬ使得系统的应用和使用范围受到极大的限制ꎮ对于这种问题通常使用分多场景(Ｓｃｅｎｅ)异步加载的方法ꎮ其中ꎬ对于每种不同的分辨率要求的教学需求ꎬ各建立相对应的场景ꎬ在Ｕｎｉｔｙ中使用加载场景的方法ꎬ分别加载ꎬ并通过过场动画㊁进度条㊁场景引导等方式减少用户心理等待时间ꎮ这样做有十分明显的劣势:分不同场景分别制作ꎬ意味着要比普通的单一场景中放进所有教学要素的方式ꎬ多做很多的工作ꎬ对于多任务量的系统来说ꎬ工作量将会增加很多ꎮ另一种方式是利用瓦片地图金字塔模型架构ꎬ规划出该地区不同等级尺度的范围ꎬ在各个等级内显示不同分辨率程度的信息[２０]ꎮ瓦片地图金字塔模型所设置的每一个瓦片大小相同ꎬ从最顶层到最底层ꎬ地图的比例尺越来越大ꎬ地图分辨率越来越高ꎬ每一片瓦片所实际显示的地理范围越来越集中ꎮ并为每一个瓦片进行该等级下的编号ꎬ从而实现保存和调用ꎬ如图１所示ꎮ图１㊀瓦片地图金字塔模型Ｆｉｇ.１㊀Ｔｈｅｔｉｌｅｍａｐｐｙｒａｍｉｄｍｏｄｅｌ８２㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀测绘与空间地理信息㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０２０年第一步ꎬ要先确定好各个教育模块所需要的地图比例尺大小ꎬ以此确定所要设置的缩放级别和范围[２１]ꎮ如在全览整个地区时ꎬ摄像机的画面范围应捕捉到整个地区的全部ꎮ这时ꎬ如果不使用分级制度ꎬ则会出现两个问题ꎬ一是画面要同时渲染真实面积过大的区域内所有游戏物体ꎬ如果使用的地形数据分辨率高ꎬ则会造成和系统加载时的卡顿和预览时渲染极大占用计算机资源ꎬ直至宕机或是系统崩溃ꎬ如果使用的分辨率低则会无法满足很多教学目的的需求ꎮ二是摄像机位置和移动将会出现很大的问题ꎬ从某一个具体的教学点的预览回到整个全局浏览的时候ꎬ摄像机在ｚ轴移动的距离过大ꎬ就会造成一系列的卡顿㊁计算量大占用资源的问题ꎮ而使用瓦片金字塔模型ꎬ能够保证摄像机的ｚ轴距离不变ꎬ也就是画面里同时出现的瓦片数量保持不变ꎬ根据需求ꎬ改变所显示的瓦片地图的等级ꎬ以此达到地图缩放的效果ꎬ使得资源占用率大大降低ꎮ当前ꎬ大多数网络地图的服务商ꎬ都是使用瓦片地图提供服务ꎮ一般来讲ꎬ街道图㊁卫星图和专题图是在相应的缩放比例尺度下ꎬ对整体的一张大地图进行分割ꎮ常用的是２５６像素ˑ２５６像素的图片格式的瓦片ꎬ因此ꎬ在确定缩放比例和瓦片编号的情况下ꎬ瓦片的中心坐标和经纬度的关系如下关系式:ｐｕｂｌｉｃｓｔａｔｉｃｖｏｉｄＬａｔ(ＬａｔＬｎｇｌａｔｌｎｇꎬｉｎｔｚｏｏｍꎬｏｕｔｉｎｔｔｉｌｅＸꎬｏｕｔｉｎｔｔｉｌｅＹꎬｏｕｔｉｎｔｐｉｘｅｌＸꎬｏｕｔｉｎｔｐｉｘｅｌＹ){ｄｏｕｂｌｅｓｉｚｅ＝Ｍａｔｈ.Ｐｏｗ(２ꎬｚｏｏｍ)ꎻｄｏｕｂｌｅｘ＝((ｌａｔｌｎｇ.Ｌｏｎｇｉｔｕｄｅ＋１８０)/３６０)∗ｓｉｚｅꎻｄｏｕｂｌｅｌａｔ＿ｒａｄ＝ｌａｔｌｎｇ.Ｌａｔｉｔｕｄｅ∗Ｍａｔｈ.ＰＩ/１８０ꎻｄｏｕｂｌｅｙ＝(１－Ｍａｔｈ.Ｌｏｇ(Ｍａｔｈ.Ｔａｎ(ｌａｔ＿ｒａｄ)＋１/Ｍａｔｈ.Ｃｏｓ(ｌａｔ＿ｒａｄ))/Ｍａｔｈ.ＰＩ)/２ꎻｙ＝ｙ∗ｓｉｚｅꎻｔｉｌｅＸ＝(ｉｎｔ)ｘꎻｔｉｌｅＹ＝(ｉｎｔ)ｙꎻｐｉｘｅｌＸ＝(ｉｎｔ)((ｘ－ｔｉｌｅＸ)∗２５６)ꎻｐｉｘｅｌＹ＝(ｉｎｔ)((ｙ－ｔｉｌｅＹ)∗２５６)ꎻ}有了瓦片和经纬度的对应转换方式ꎬ把只要用经纬度计算出屏幕中间点对应瓦片编号ꎬ其四周的瓦片编号也都可以计算出来ꎬ只要显示这几张地图铺满当前屏幕ꎬ移动时不断刷新重新计算位置ꎬ一个瓦片地图的基本表达就呈现出来ꎮ这样做不仅可以提高计算机硬件效率ꎬ也可以减少系统内存压力ꎬ每一次移动刷新只是几个简单的术式计算ꎬ而不用消耗大量的资源ꎬ反复计算内存中缓存的整个地图场景ꎮ同时ꎬ可以直接放弃片瓦地图的本地缓存ꎬ直接查询网络服务商所提供的地图图片的地址ꎬ或是使用其提供的ＡＰＩ接口ꎬ导入地图服务数据ꎬ可以极大地减轻系统初次运行同时读取大量图片内容的缓存压力ꎮ这样做使得将整个系统移植到移动端成为可能ꎬ不用消耗大量的内存去储存相应的地理数据ꎬ采用即时的网络连接ꎬ需要显示哪些瓦片地图就随时下载缓存ꎬ不需要的时候可以及时清理掉ꎬ来保证移动端的储存空间ꎮ２.３㊀地理教学视频贴图２.３.１㊀地理教学视频的应用视频作为我们最为熟知的一种媒体类型ꎬ与我们的生活息息相关ꎮ无论从手机摄像机拍摄的视频ꎬ还是从事动画制作出的视频ꎬ不同类型内容的视频有着不同的作用ꎮ而在地理教学环境下ꎬ视频资源的使用更是尤为重要的环节ꎮ地理视频资源包括拍摄的自然实景视频ꎬ也包括自己制作的微课教学视频ꎮ将这些视频资源放在虚拟场景的教学系统中ꎬ有以下好处:１)加强对学生的引导ꎮ学生漫无目的地在系统中漫游ꎬ一开始会觉得十分新鲜有趣ꎬ但久了不仅降低学生对系统的探索兴趣ꎬ还会浪费宝贵的教学时间ꎮ应适当地加入引导性的视频和语言ꎬ让学生每发现一处现象和问题ꎬ就有相应的视频或是动画讲解ꎬ提高学生主动探索的兴趣[２２]ꎮ２)根据学生自身兴趣因材施教ꎬ并根据不同学生的学习能力ꎬ制定不同的教学进度ꎮ知识点视频(微课视频)的放入ꎬ可以让学生自主选择多看一遍ꎬ加上自身所处的虚拟环境打开想象的空间ꎬ从而彻底明白知识点ꎬ而老师则可以有更多的时间调整每个学生的学习进度ꎮ３)配合自然景观视频ꎬ在虚拟空间的系统中加入可控的时间维度ꎬ用来模拟难以仿真的大范围的时间变化ꎮ如在森林的演替中通过贴图视频的方式ꎬ将森林演化的过程表述出来ꎬ通过ｌｏｏｐ循环功能ꎬ让视频重复播放ꎮ在河流的章节ꎬ可以在河流多点引入实拍的河流影像ꎬ同学们在模拟的系统中也能沿着河流的走向ꎬ 亲眼 见证河水从源头到入海的所有变化[２３]ꎮ２.３.２㊀地理模型视频贴图的设计和制作常见的贴图素材有ＪＰＧ㊁ＰＮＧ㊁ＢＰＭ或是ＰＳＤ格式的图片ꎬ其中ꎬＰＮＧ和ＰＳＤ格式因为支持Ａｌｐｈａ通道ꎬ而更多地应用于高精度或是工业级的三维建模当中ꎮ然而将三维模型(山的模型㊁丛林地区的模型㊁河流的模型)的静态纹理贴图改变为动态的视频ꎬ需要不同的处理方式ꎮ首先ꎬ要将视频修建处理变形ꎬ使视频形状和三维模型匹配ꎮ这一点ꎬ需要使用Ａｄｏｂｅ公司下的ＡｆｔｅｒＡｆｆｅｃｔ软件处理视频ꎬ使用凡赛尔曲线和边角网格变形ꎬ拉伸扭曲视频ꎬ将因拉伸变形而损失掉的部分ꎬ用Ａｌｐｈａ通道代替ꎮＡｌｐｈａ通道是透明通道ꎬ不包含像素ꎬ只记录视频和图片的透明信息ꎮ将视频输出为ＡＶＩ或是ＭＯＶ格式ꎬ因为这两种格式保留Ａｌｐｈａ通道ꎮ其次ꎬ确定视频贴图坐标和视频编译器ꎮ通常模型贴图通过对应物体上的二维坐标(Ｖｅｃｔｏｒ２)ꎬ由渲染器来调整贴图在模型上的位置ꎮ但是视频因为拥有不同的格式和不同的压制编译规则ꎬ系统自带的图片渲染器不能正常工作ꎮ如要让视频以贴图和纹理的运作方式运作ꎬ９２第３期王珏璠等:基于Ｕｎｉｔｙ３Ｄ的三维虚拟地理教学系统初探则需要选用合适的编译器ꎮ我们选用ＡＶＰｒｏＶｉｄｅｏ插件中的ＨａｐＣｏｄｅｃ视频编译器ꎬ并写入脚本使用视频文件直接代替模型中材质组件ꎬ重新定义材质组件(Ｍａｔｅｒｉａｌｓ和Ｔｅｘｔｕｒｅｓ)ꎬ并在最后确定材质组件偏移和缩放的基本功能ꎮ最后ꎬ渲染调试与色彩调节ꎮ在系统中具体调节ꎬ使视频贴图能够近似地融入大环境当中ꎮ一般ꎬ视频会出现主色调㊁色阶㊁对比度与大环境不匹配的情况ꎬ使得视频贴图看起来相当突兀而十分难看ꎮ这时ꎬ需要返回第一步ꎬ在视频后期处理软件当中ꎬ仔细的调整色调和对比度ꎬ使之能够与环境相匹配ꎮ在ＡｆｔｅｒＥｆｆｅｃｔ软件强大的处理功能中ꎬ使用简单特效ꎬ快速完成这个工作ꎬＡｆｔｅｒＥｆｆｅｃｔ软件会自动识别你提供的图片的色调搭配和对比度信息ꎬ从而改变目标视频的色调ꎬ使二者相匹配ꎬ流程如图２所示ꎮ图２㊀模型视频贴图设计流程Ｆｉｇ.２㊀Ｔｈｅｆｌｏｗｃｈａｒｔｆｏｒｇｅｏｇｒａｐｈｉｃｖｉｄｅｏｔｅｘｔｕｒｉｎｇ３㊀结束语１)不同地理系统构建平台ꎬ依靠其自身提供和使用的空间三维模型数据框架和开发模式ꎬ提供给开发者相应的功能预设和开发材料的预设库ꎮ其中ꎬＵｎｉｔｙ３Ｄ在平台构建的开放性㊁角色控制㊁场景渲染等方面都有着出色的发挥ꎬ教学展示等方面的应用上具有独特优势ꎮＵｎｉｔｙ３Ｄ软件提供的一套完整的游戏创建和整合发布工具ꎬ加上其强大的游戏开发引擎ꎬ使得在教学和模拟展示方面胜过其他综合地理信息平台ꎮ另外ꎬＵｎｉｔｙ有高效的并行处理功能和强大的物理引擎ꎬ可用来开发和模拟各种地理时间㊁地理时空过程ꎬ提高教学质量ꎬ完善教学内容ꎬ提升系统的教学价值ꎮ２)本文在Ｕｎｉｔｙ平台下实现分级制瓦片地图架构的搭建ꎬ使得构建地图场景更加轻松简单ꎬ极大地减少了使用复杂的建模软件的建模流程ꎬ避免了不同功能和场景下对模型精度要求不同ꎬ而出现大量冗杂内容的情况ꎬ提升了系统开发效率ꎮ同时ꎬ结合Ｕｎｉｔｙ自身优点ꎬ本文使用Ｕｎｉｔｙ提供的开发引擎和渲染功能ꎬ给出一种模型视频贴图的开发方法ꎬ极大丰富教学素材的使用范围ꎬ简化教师教学和修改的操作ꎬ更验证了Ｕｎｉｔｙ软件自身优秀的开发能力ꎬ在视觉效果和多感官联动等方面有良好的开发前景ꎬ是区别于其他软件的优势所在ꎮ３)通过本文的探索ꎬ使三维虚拟地理教学系统集成了多元的源数据ꎬ如视频贴图㊁金字塔地图等ꎬ让教师等使用者和开发者更加容易应用虚拟技术㊁系统功能ꎬ完成教学内容ꎬ实现教学目标ꎬ使得三维教学系统更具有实用性和推广价值ꎮ４)Ｕｎｉｔｙ３Ｄ软件为地理教学提供了更便利的开发环境ꎬ但因其共享机制与预设库建设不完善ꎬ关于地理方面应用较少ꎬ尚需进一步探索其开发和应用模式ꎬ不断完善虚拟教学系统的各项功能ꎬ让教师更便捷地使用虚拟技术完成地理教学目标ꎮ参考文献:[１]㊀丁楠ꎬ汪亚珉.虚拟现实在教育中的应用:优势与挑战[Ｊ].现代教育技术ꎬ２０１７ꎬ２７(２):１９－２５.[２]㊀贾奋励ꎬ张威巍ꎬ游雄.虚拟地理环境的认知研究框架初探[Ｊ].遥感学报ꎬ２０１５ꎬ１９(２):１７９－１８７.[３]㊀李建华ꎬ高立功ꎬ崔玉妮ꎬ等.ＶＲ技术在地理课堂教学中的实践应用[Ｊ].中学地理教学参考ꎬ２０１８(１):３６－３７.[４]㊀ＣＨＥＮＧꎬＭＡＦꎬＪＩＡＮＧＹꎬｅｔａｌ.Ｖｉｒｔｕａｌｒｅａｌｉｔｙｉｎｔｅｒ￣ａｃｔｉｖｅｔｅａｃｈｉｎｇｆｏｒＣｈｉｎｅｓｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌＴｉｂｅｔａｎｃｌｏｔｈｉｎｇ[Ｊ].ＡｒｔＤｅｓｉｇｎ＆ＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｉｎＨｉｇｈｅｒＥｄｕｃａｔｉｏｎꎬ２０１８ꎬ１７(１):５１－５９.[５]㊀谢潇ꎬ朱庆ꎬ张叶廷ꎬ等.多层次地理视频语义模型[Ｊ].测绘学报ꎬ２０１５ꎬ４４(５):５５５－５６２.[６]㊀林珲ꎬ黄凤茹ꎬ鲁学军ꎬ等.虚拟地理环境认知与表达研究初步[Ｊ].遥感学报ꎬ２０１０ꎬ１４(４):８２２－８３８.[７]㊀杨肖肖ꎬ吴红波ꎬ郑伟ꎬ等.基于ＡｒｃＧＩＳ和ＣｉｔｙＥｎｇｉｎｅ的三维虚拟数字校园设计与实现[Ｊ].北京测绘ꎬ２０１７ꎬ３１(４):１２１－１２４.[８]㊀苏飞.基于Ｓｋｙｌｉｎｅ的大理海东新区地上地下三维可视化研究[Ｄ].昆明:云南师范大学ꎬ２０１６.[９]㊀支雄飞.海底管道监测三维动态显示技术研究[Ｄ].合肥:安徽大学ꎬ２０１５.[１０]㊀赵艳坤.基于Ｕｎｉｔｙ３Ｄ的栾川三维城市地理信息系统研究[Ｄ].郑州:郑州大学ꎬ２０１４.[１１]㊀胡香ꎬ巩保胜ꎬ胡建磊ꎬ等.面向军事指挥人员空间认知规律的虚拟地理环境设计研究[Ｊ].测绘与空间地理信息ꎬ２０１７ꎬ４０(１０):１２９－１３１ꎬ１３４.[１２]㊀崔冠男.基于Ｕｎｉｔｙ３Ｄ的初中地理教育游戏设计与应用研究[Ｄ].银川:宁夏大学ꎬ２０１４.[１３]㊀李冠男ꎬ万小飞ꎬ张驰ꎬ等.基于天正ＣＡＤ的三维建筑构件信息抽取方法[Ｊ].地理空间信息ꎬ２０１７ꎬ１５(７):１０９－１１１.[１４]㊀王明山ꎬ张波.基于ＧｏｏｇｌｅＳｋｅｃｈＵｐ校园三维虚拟建模方法及应用[Ｊ].电子世界ꎬ２０１２(２４):１６４－１６５.(下转第３３页)０３㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀测绘与空间地理信息㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０２０年。
VR教学在地理教育中的应用
VR教学在地理教育中的应用地理教育一直是学生们学习和理解地球和环境的重要科目之一。
传统的地理教学主要通过教科书和幻灯片展示来传达地理知识和概念。
然而，随着科技的发展，虚拟现实（VR）教学在地理课堂中扮演着越来越重要的角色。
本文将探讨VR教学在地理教育中的应用，并分析其优势和挑战。
一、VR教学理论基础虚拟现实技术通过模拟真实环境提供身临其境的体验。
在地理教育中，VR教学可以将学生带入远离教室的地理景观，让他们亲身体验地理场景，加深对地理概念的理解。
二、VR教学在地理教育中的应用1. 三维地球模拟：VR可以提供逼真的三维地球模拟，让学生在虚拟空间中探索不同地区的地形、气候和自然景观，加深他们对地球的认识。
通过模拟海洋和大陆的交互作用，学生可以更好地理解地理过程和自然灾害的形成。
2. 虚拟考察旅行：传统的地理考察经常受到时间和经济的限制。
而VR技术可以让学生虚拟参观远离学校的地理景点，比如世界著名的自然保护区或地质奇观。
学生可以通过虚拟旅行来了解各个地区的地理特征和文化背景，丰富他们的视野。
3. 交互式学习体验：VR教学还可以提供交互式学习体验，让学生参与到地理现象的模拟和分析中。
例如，学生可以通过VR设备模拟不同地区的气候变化，观察不同植被和动物的适应能力，加深对生态系统和地理环境的理解。
三、VR教学的优势1. 激发学生的学习兴趣：通过VR教学，学生可以身临其境地参与地理学习，激发他们的学习兴趣和好奇心，提高学习效果。
2. 增强学习体验：VR教学为学生提供逼真的感官体验，增强他们的观察、听觉和触觉等感官，帮助他们更好地理解地理概念。
3. 提供个性化学习：VR教学可以根据学生的兴趣和能力提供个性化的学习体验。
学生可以根据自己的喜好选择参观的地理景点，探索自己感兴趣的地理问题。
四、VR教学的挑战1. 设备成本高：VR教学设备的价格较高，这可能限制了一部分学校的应用。
解决这个问题需要政府和学校提供资金支持，并积极寻找合适的VR设备供应商。
“沉浸式教学法”初探
“沉浸式教学法”初探沉浸式教学法是一个相对较新的教学方法，它强调学生的参与和体验，让学生在学习过程中完全沉浸在所学的内容中。
这种教学方法通常结合了现代科技，并使用虚拟现实（VR）和增强现实（AR）等工具，使学生能够更好地融入到学习场景中，提高他们的学习效果。
在这篇文章中，我们将对沉浸式教学法进行初探，探讨它的优势、应用和发展前景。
一、沉浸式教学法的优势1. 提供更真实的学习体验沉浸式教学法可以提供更真实的学习体验，通过使用虚拟现实（VR）和增强现实（AR）等技术，学生可以身临其境地体验特定的学习场景，比如历史事件、地理环境、科学实验等。
这种真实的学习体验会更容易引起学生的兴趣，帮助他们更快地理解和掌握知识。
2. 增强学生的参与和专注度沉浸式教学法可以增强学生的参与和专注度，通过互动式的学习方式，学生可以更深入地参与到学习过程中，动手操作、探索和发现。
这种参与度和专注度的提高可以促进学生的学习兴趣，激发他们的学习动力。
3. 提高学习效果沉浸式教学法可以提高学习效果，通过更加直观和生动的学习方式，帮助学生更好地理解和记忆知识。
研究表明，沉浸式学习可以提高学生的学习成绩和记忆能力，使学习效果更加显著。
1. 虚拟实验室在科学教育中，虚拟实验室可以为学生提供更安全、便捷的实验操作体验，通过虚拟现实技术，学生可以进行各种实验操作，观察实验现象，从而更好地理解科学原理。
2. 虚拟历史场景在历史教育中，通过虚拟现实技术，可以再现历史场景，让学生身临其境地体验历史事件，这样可以更好地激发学生对历史的兴趣，提高学习效果。
3. 虚拟实地考察在地理教育中，可以利用虚拟现实技术，让学生“走遍全球”，通过虚拟实地考察，帮助学生更深入地理解各种地理环境和地貌特征，从而更好地掌握地理知识。
4. 虚拟语言学习在语言教学中，虚拟现实技术可以提供更真实的语言学习环境，通过与虚拟化身的交流，学生可以更快地提高语言能力。
5. 虚拟职业体验在职业教育中，可以利用虚拟现实技术，让学生体验各种职业环境，从而更好地了解各种职业特点和要求。
地理学科中的地理模拟和模型建立
地理学科中的地理模拟和模型建立地理学科中的地理模拟和模型建立是一门综合性学科，它旨在通过对地球上自然环境和人文环境的模拟和建模，更好地理解地球的现象和变化。
地理模拟和模型建立在地理学研究中发挥着重要的作用，它可以帮助我们预测和解释自然和人文系统的复杂性。
一、地理模拟的概念和意义地理模拟是指通过计算机技术和数据处理方法，模拟和重建地球自然和人文环境的过程和特征。
地理模拟可以帮助我们在实验室环境下模拟真实的地理环境，以便更好地理解和解释地理现象。
通过模拟分析，我们可以更好地预测自然和人文环境的变化趋势，为政府决策和资源管理提供科学依据。
二、地理模型的建立和应用领域地理模型是指对自然和人文环境进行抽象和简化，建立数学或逻辑关系来描述其运行和发展的方法。
地理模型的建立需要收集和分析大量的数据，并结合地理理论进行构建。
地理模型在气候模拟、水资源管理、城市规划等领域都有重要的应用。
例如，气候模型可以帮助我们预测未来的气候变化，并制定应对策略。
三、地理模拟与模型建立的案例分析1. 气候模拟与预测：通过建立气候模型，科学家可以模拟地球上的气候系统，了解全球气候变化的规律和趋势，并预测未来的气候变化情况。
这对于应对气候变化和制定相关政策具有重要意义。
2. 城市规划与交通优化：通过建立城市模型和交通模型，可以模拟城市发展和交通拥堵情况，并提出优化方案。
这有助于减少交通拥堵，提高城市规划和交通效率。
3. 生态保护与自然灾害预警：通过建立生态模型和自然灾害模型，可以模拟自然生态系统的演化过程和自然灾害的发生概率，提前预警并采取相应的保护措施，减少灾害损失。
四、地理模拟与模型建立面临的挑战与展望1. 数据获取和处理：地理模拟和模型建立需要大量的数据支持，而数据的获取和处理是一个巨大的挑战。
未来，我们需要更加高效和精确地收集数据，并开发更好的数据处理和分析方法。
2. 模型精度和可靠性：地理模拟和模型建立的精度和可靠性直接影响到结果的准确性。
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目前地理信息科学与技术是以观测与测量为主 导的地理观测科学与技术的应用，虽然已是地理科学 方法与技术体系中的重要组成部分［５］，但尚未形成 以“地理问题”及“探索地理新知识、发现地理规律” 为视角、起点与核心的地理实验科学体系。要发展 现代地理科学的基础理论，需要实验科学的视角与 具体实践，需结合实验地理学与地理信息科学／技 术，发展虚拟地理实验［６］（笔者于２００３年亚运村地 理学术沙龙第一次会议上提出“虚拟地理实验”和 “虚拟地理实验室”的概念［７］）。本文结合空间信息 与虚拟地理环境技术［８］以及实验科学与实验地理学 方法，以自然地理实验的模型实验和数字实验为例， 研究虚拟地理实验的基本问题。
第２５卷第１期 ２００９年１月
地理与地理信息科学 Ｇｅｏｇｒａｐｈｙ ａｎｄ Ｇｅｏ－Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ
ＶｏＬ ２５ Ｎｏ．１ Ｊａｎｕａｒｙ ２００９
虚拟地理实验概念框架与应用初探
龚建华１，李文航ｈｓ，周洁萍１，李毅１，赵琳２，庞毅２
（１．中国科学院遥感应用研究所遥感科学国家重点实验室．北京１００１０１；２．辽宁省水利水电科学研究院，辽宁沈阳１１０００３， ３．北京大学信息科学技术学院，北京１００８７１）
环境）以及开展洪水模拟实验，同时可供多用户参与 者使用计算机网络相互联系，以化身的形式参与，并 通过视频、音频、文字等途径进行实时交流与协同实 验分析‘９３（图３）。
ｌ自然地理实验ｌ经济地理实验１人文地理实验｜
虚拟地理实验应用
ｆｔ
室￥内—一现￥场
室内＋—一现场
广义协同
·系统体系结构·地理问题蓖构 ·控制体系研究·数据挖掘工具 ·知识表达模式·坐标体系构建
以“三条黄河”为例，从实验环境、实验可控度、 实验媒介、实验性质、实验尺度、人与实验环境的交 互性方面进行虚拟地理实验与（传统）地理实验的特 征比较（表１）。虚拟地理实验与实际的现场野外实 验以及室内的物理实验密切相关；虚拟地理实验建 立在虚拟世界／实际世界实时（或非实时）数据相连 通的基础上，以信息为工具和媒介。
不抛弃现有地理实验场所和地理实验条件的基础 上，对现实地理实验进行融合和更高层次改造，是目 前较为可行且用途较广的一种虚拟地理实验方式。 ２）完全虚拟地理实验完全使用虚拟现实技术对地理 实验进行模拟，是虚拟地理实验发展的高级阶段；或 是无法同现实相关联、进行同步实验，或无法重现的 地理现象的实验，如２００３年的ＳＡＲＳ时空传播模拟 等。 ２．４虚拟地理实验研究框架
（４）复杂性问题理论。地理系统是一个开放的 复杂巨系统，把地理系统作为研究对象的虚拟地理 实验需要具备研究复杂巨系统的相关理论，如钱学 森院士提倡的“从定性到定量的综合研讨厅体系”、 西方基于还原论和形式逻辑的“粒子系统”、“元胞自 动机”、“神经网络”等。
（５）地理智能模拟原理。虚拟地理实验以信息 为媒介，信息世界的过程演化来自于建立的过程模 型，或来自于信息世界本身的智能性。虚拟地理实 验要真正模拟现实地理环境和地理机理过程，离不 开计算智能性。 ２．２虚拟地理实验原则
虚拟地理实验是以客观现实世界的感知、量测
收稿日期：２００８—－１２—２０ 基金项目：国家９７３计划项目（２００７ＣＢ７１４４０２）；水利部黄河泥沙重点实验窜开放课题（２００７００９）；国家８６３计划项目（２００７ＡＡｌ２２２４０） 作者简介：龚建华（１９６５－－）。男，研究员，博士生导师，从事健康ＧＩＳ、虚拟地理环境与区域可持续发展等研究。Ｅ一“ｌａｉｌ：ｊｈｇｏｎｇ国ｉｒｓａ．ａｃ饥
图２虚拟地理环境实验平台
Ｆｉｇ．２ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｏｆ ｖｉｒｔｕａｌ ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ
３原型系统与初步实验
本文以浑河洪水模拟和城市防洪为案例，介绍 虚拟地理实验在城市防洪方面的初步应用。辽宁 省水利厅为研究浑河沈阳市段的洪水影响和防洪 工程规划等，建造了一个与现实相似的洪水模拟物 理模型，主要模拟已建、拟建的堤防、桥梁、拦河坝、 隧洞、水闸和丁坝等建筑物，观测在宣泄各设计频 率洪水时沿程水位、水流流速、流态、淹没范围等水 力要素，为确定合理的工程设计参数、河道工程治 理方案及近期、远景规划方案提供技术支撑。物理 模型的规划施工过程严格按照实验的相似性准则， 如建筑物模型高程误差控制在士０．３ ｍｍ，地形高 程误差控制在±２ ｎ＇ｆｉｎ等。根据天然河道的糙率情 况，按照糙率比模拟河道糙率，并在完成加糙后的模 型上施放相应的洪水，通过加糙情况调整，使模型实 测水位与洪痕吻合，以确保物理模型的准确性。
虚拟地理实验室的组成一般包括实验者、实验 对象、实验环境、实验工具等要素。实验者是虚拟地
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地理与地理信息科学
第２５卷
理实验的设计与实施者，一人或多人协同开展，具有 多感知互动与地理创造性思维特征；实验对象指虚 拟地理环境及地理问题；实验环境包括三维虚拟空 间、虚拟桌子等工具；实验工具指虚拟测量仪器、空 间分析工具箱等。
摘要：从实验科学与实验地理学的角度，结合空间信息与虚拟地理环境技术，讨论“虚拟地理实验”概念、特征及研 究理论与框架。以辽宁浑河沈阳城市段防洪为案例，介绍虚拟地理实验在城市洪水模拟和防洪工程规划中的应 用。 关键词：地理科学；实验地理学；虚拟地理实验；虚拟地理环境；城市防洪模拟实验 中图分类号：Ｐ２０８；Ｋ９０ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２－－０５０４（２００９）０１－－００１８－－０４
和地理问题的相似性模拟表达，在理论假设的基础 上，通过模型构建、参数与条件调控计算以及可视化 分析反馈，在虚拟地理环境信息世界中“查考自然， 逼迫自然自露真相”，以获取新的地理经验与知识。 虚拟地理实验是在计算机与网络支持下的数字与虚 拟环境中开展的地理实验，它既可以与野外定位地 理实验、室内物理模型实验相对应、关联与互补，也 可以依据某些地理特征、现象与规律虚拟构建地理 实验。虚拟地理实验可以全部或者部分涉及现实世 界的地理模型、现实世界的虚拟模型、室内物理模型 以及室内物理模型的虚拟模型。
万方数据
第１期
龚建华等：虚拟地理实验概念框架与应用初探
第１９页
与信息联系为基础，以数据为载体，以虚拟场景为实 验平台，通过人的协同感知和能动思维，最终发现地 理规律或形成地理决策的过程。虚拟地理实验的重 要目标是从地理数据获得新地理知识并可支持地理 决策。 ２．１虚拟地理实验研究的基本理论
（１）地理认知理论。虚拟地理实验是以人（实验 者）为核心，是实验者开展假设、实验、观测、分析与 验证等的具体科研创新过程。首先需要研究人如何 观察、思考、理解与认识现实地理世界。然后进行测 量与表达；并且地理新知识的获取离不开人的创造 性思维与实践，离不开集体讨论与知识、智慧；另外， 复杂性的地理问题需要感性、定性与定量的结合，需 要跨学科的群体科学家的协同研讨等。上述都需要 研究地理空间认知与地理信息认知。
表１虚拟地理实验与（传统）地理实验的特征比较
Ｔａｂｌｅ １ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉ髑ｏｆ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ａｎｄ ｖｉｒｔｕａｌ ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ
１虚拟地理实验概念与特征
Hale Waihona Puke ２虚拟地理实验研究的理论与框架
虚拟地理实验是指通过地球表层系统地理环境
Ｉ
ｉ
协同虚拟地理实验室
ｌ
虚拟地理实验室平台构建
百｝
。研究对象’组成———尘尺度问题。相拟性Ｊ’口ｌ题
·分类 ·目的０——上毓测体系·知识发现
·人的作用·学科地位Ｉ ｝·虚拟实验实现流程
虚拟地理实验理论（实验地理学与地理信息科芍钓
图１虚拟地理实验研究框架
Ｆｉｇ．１ Ｓｔｕｄｙ ｆｒａｍｅｗｏｒｋ ｏｆ ｖｉｒｔｕａｌ ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ
实验与逻辑一直是所有学科的两大支柱，实验是 现代科学发展的重要特征与标志。中国地理学家在 ２０世纪５０一６０年代已认识到实验对于地理科学理论 与方法发展的重要性［１－３］，建立了大量野外地理观测 台站、实验基地和室内用于地理实验的物理模型。 “三条黄河”（即“原型黄河”、“模型黄河”和“数字黄 河”）是黄河水利委员会以“数字地球”［４］为基础提出的 治理黄河的理念与框架，其中“模型黄河”与实验地理 学相关，“数字黄河”则涉及地理信息科学与空间信息 技术。“三条黄河”提出了实验地理学与现代空间信 息技术的相互关系问题，对于现代地理科学的发展 （尤其是方法论的研究）有着重要的学术与应用价值， 但尚未在地理学界得到足够的关注与重视。
为了研究虚拟地理实验的基本原理与方法，根 据虚拟地理实验室的设计和构想，笔者初步研发了 虚拟地理实验室的系统原型，主要包括虚拟地理环 境实验平台与分布式协同实验研讨室。虚拟地理环 境实验平台主要用于多尺度现实浑河流域地理环境 的构建以及洪水模拟的实验与情景分析（图２）；分布 式协同实验研讨室主要在虚拟空间中的电子沙盘上 表达浑河城市段的三维物理模型（或现实浑河地理
虚拟地理实验的实施需要考虑或遵循以下原 则：虚拟地理实验与现实地理实验（野外实验、模型 实验）相结合原则；虚拟地理环境及地理问题与现实 地理环境及地理问题的相似原则；群体科学家的协 同地理实验原则；虚拟地理实验室的实验平台与实
万方数据
验流程建设的规范化与标准化等。 ２．３虚拟地理实验类型