虚拟现实技术在环境管理中的应用

第１５卷第２期　江苏环境科技　２ＯＯ２年６月　虚拟现实技术在环境管理中的应用　杜培军　唐宏盛业华（中国矿业大学研究生部徐州２２１００８）　摘要简介虚拟现实技术的发展及其应用概况，对虚拟现实技术应用于环境管理的可行性及优越性进行了分析，并从区域　环境规划、环境治理、环境决策、环境预测、环境教学与科研等方面对具体的应用进行了探讨。　关键词虚拟现实技术环境管理仿真　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｆｉｃｔｉｔｉｏｕｓ　Ａｃｔｕａｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　Ｄｕ　Ｐｅｉｊ￣，Ｔａｎｇ　Ｈｏｎｇ，Ｓｈｅｎｇ　Ｙｅｈｕａ　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｇｅｎｅｒａｌ　ａｐｐｌｉｃａｉｔｏｎ　ｃｏｎｄｉｉｔｏｎ　ｏｆ　ｉｆｃｉｔｉｔｏｕｓ　ａｃｔｕａｌ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ａｐｐｄｊｃａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｐｒｉｏｒｉｔｙ　ｏｆ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｔｉｌｅ　ａｒ　ｌｙｚｅｄ　ａｎｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆｄｉｓｔｒｉｃｔ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｐｒｏｊｅｃｔ，ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｐｏａ￣，ｐｒｅｃａｓｔ　ｅｄｕｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｃｉｅｎ曲Ｃ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｅｔｃ　ｔｉｌｅ　ｄｉｓｅｕｓｓｅｄ．　Ｋｅｙ　ＷＯｌｄＳ　Ｆｉｃｔｉｔｉｏｕｓ　ａｃｔｕａｌ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　Ｉｍｉｔａｔｉｏｎ　随着可持续发展战略的实施和环境保护、治理　工作的深化，要求能提供三维立体、可视化、能进行　交互的实景模拟环境来提供环境科学研究与管理应　用。多媒体技术、三维动画技术在其中发挥着积极　的作用。随着虚拟现实（Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｒｅａｌｉｔｙ：ＶＲ）技术的　发展和应用，将其应用于环境管理具有明显的优越　性，本文将对此问题进行探讨。　２虚拟现实技术简介　虚拟现实技术（后文称ＶＩＩ技术）亦称灵境技术、　虚拟环境技术，是一门由应用驱动的、具有很强的人　图１虚拟现实技术系统示意　机交互能力的现实情境模拟技术，它以仿真技术为基　ＶＩＩ技术两个最突出的特点就在于：（１）人与环　础，综合了计算机图形图像处理及显示技术、传感技　境的一体化；（２）人与环境的交互性。其技术构成主　术、位置跟踪技术、人一机交互及控制、通信等高技术　要有图形图像处理技术、音频处理技术、空间方位跟　手段，是一种新颖的三维空间环境再现技术。ＶＩＩ技　踪技术、传感技术及建模等。如果在网络系统上运　术的实现过程是：将要再现的虚拟景物转换成一系列　行ｖｉｉ系统，还要用到网络技术和通讯技术。　描述其特征的数据，然后通过计算机处理，创建一个　通过构建ＶＲ技术系统，可由过去只能在计算　三维视觉、听觉和触觉的环境，在显示屏及音响装置　机系统的外部去观测处理结果转变到置身计算机系　中构造出一种有声有画的特殊环境，使用户有一种沉　统所创建的环境之中，由过去只能通过键盘、鼠标与　浸于其中并有能力漫游世界、操纵世界的感觉，给人　计算机环境中的单维数字化信息发生交互作用，到　感觉到这个所营造的环境的真实存在并能与之相互　能用多传感器与化信息的环境发生交互作用；　作用，达到一种境界虚拟、但感觉真实的效果。一个　由过去只能从定量计算结果中得到启发和加深对事　简单的虚拟现实技术系统如图１所示。　物的认识，到有可能从定性和定量综合集成的环境　中得到感性和理性的认识，从而深化对概念的认识　＊杜培军，男，１９７５年出生，中国矿业大学博士研究生，已发表论文２０余篇。　一２６—　第１５卷第２期　杜培军等／虚拟现实技术在环境管理中的应用　２ＯＯ２年６月　和萌发新意。一个ｖＲ技术系统，正是通过虚拟世　界对真实世界的代替，从而使人达到一种境界虚拟，　确定可能出现的问题，从而指导城市环境管理工作　的进行。尤其是在污染物总量控制、城市大气污染　防治等方面进行规划时，利用ＶＩＩ技术系统可以进　行有效的规划工作，从而指导实际工作的开展。　４．２应用于环境治理　但感觉却是真实的效果。　３　ｖＲ技术应用于环境管理的可行性及优越性　ＶＩＩ技术应用于环境的可行性主要体现在两方　面：（１）ｖＲ技术的发展和应用已积累了一定的经验，　环境治理是一项复杂的系统工程，环境治理的基　础是对基础现状全面、准确了解。通过环境调查可以　可以为各领域的应用提供技术支持；（２）环境管理的　涉及到空问、地表、地下三维实体，根据其特性构建　虚拟环境，在其中进行相关的研究，是可行的。　ＶＩＩ技术应用于环境管理的优越性则主要体现　在：（１）改变以往环境管理研究缺乏直观、可视化、三　维环境支持状况，以全新的概念和技术来为环境管理　提供全新的基础，实现研究技术支持的革新；（２）以模　获取相关的信息，但书面、文本、二维信息缺乏直观、　形象感，尤其是在多种环境要素相互影响、综合作用　情况下，需要对大气、土壤、植被、水、噪声等多种环境　要素进行全面、综合、集成、三维、可视的分析，这正是　ＶＩＩ技术所具有的优势。根据相关的数据建立区域环　境现状虚拟环境，模拟生产、生活影响下环境状况及　演变趋势，根据相应的治理方案对生产系统进行调节　（在ＶＩＩ技术系统中就是对部分数据的改变，对用户　来说仿佛就是进行了真正的调节），对治理方案的结　果进行模拟与仿真，及时对治理方案进行调整与完　善，从而指导城市环境治理工作的开展。　４．３应用于环境决策　拟实地场景虚拟环境中进行各项工作，保证了可靠　性、真实性、精确性；（３）以交互式、仿真的环境进行管　理，方法简单，效率高，尤其是对于动态模拟、规划等　工作，一旦建成ＶＩＩ技术系统，就可以以其为基础进　行区域的各项研究工作，效果好，效益高，应用广泛。　４应用体系与内容　环境问题的决策是环境管理的重要环节，也是　切实保护环境、实现可持续发展的支持、行政手　ＶＩＩ技术在航空、航天、地学、采矿等领域的应用　正在逐渐开展，在部分领域尤其是在模拟训练、危险　区规划等方面都取得了较大的成果。ＶＩＩ技术在环　境管理中的应用，可以其他领域的应用为借鉴，根据　环境管理的目标进行研究。　４．１应用于环境规划　段。环境决策必须实现科学化、信息化，其基本要求　就是提供基于全面、科学的信息的决策支持手段，　ＶＩＩ技术系统是一个具有良好应用前景的决策支持　系统。根据不同期环境监测的数据、区域发展的现　状、区域总体规划的要求、专门的环境分析模型，在　ＶＩＩ技术系统的支持下，决策者可在虚拟环境中获取　将区域环境现状研究的各要素、各指标结合相　应的地形图、交通图等进行数字化，以此为基础，采　集多源信息建立数据库，以该数据库为基础建立虚　拟现实技术系统。在具体的规划过程中，可以此系　统为基本平台，在交互、三维可视化的环境中进行环　所需的各种信息，并在其支持下进行信息的综合处　理和全面分析，从而实现对决策的支持。　４．４应用于环境预测　对环境演变规律进行分析研究进而研究其演变　趋势、预测未来一段时间内环境的状况，是实现环境　监测、管理、规划的必然要求。环境预测需要计算机　技术系统、数理模型的支持。最简单的预测方法是　境规划，特别是对环境现状及其存在的问题进行综　合分析和考虑，在ＶＩＩ技术系统中，以宏观的视角、　全面的观察对区域环境进行综合分析。在发现问题　的基础上，根据城市可持续发展的要求，对区域环境　治理、环境保护等方面的内容进行综合集成的研究，　提出对生态环境的要求，并通过相应的数值信息进　行表达。然后在ＶＲ技术系统中，可以此为基础进　基于线性回归的方法，以此代表的数值预测方法缺　乏直观性、可视性，而ＶＩＩ技术系统为基础则可方便　地进行环境观测。充分利用虚拟环境中对现实生产　系统的模拟，按照动态发展的规律和趋势，建立与区　域生产、生活、经济发展相适应的环境演变模型，实　现对任一时段的环境预测。这种预测由于给用户以　置身于其中的感觉，且是在区域大系统中进行的综　（下转第３０页）　一行规划工作，根据目标、任务、要求、方案等进行规划　方案的实景模拟，从多个方案中选择综合效益最好　的一个，并可根据对该方案在实际执行过程的虚拟，　２７—　第１５卷第２期　王￣／ＧＩＳ在城市垃圾收运规划研究中的应用　２ＯＯ２年６月　现阶段　匦　燃　收运车辆　一Ｉ　一一一一一一一一一一　　＇垃圾产量Ｉ－－　’　塑卜啤　圆Ｉ　Ｉｍ　卜　●　Ｉ　背景状况　甲。　图层卜　分类收运车辆分布图　ＧＩｓ　－——　图２分类收运车辆分布模型举例　行、资金、环境等进行分析，结合收动模型ｌａｎｄ　Ｐｅｒｍｉｔ　Ａｎａｌｙｓｉｓ，ＧＩＳ／ＬＩＳ（１９９４），４７１—４７６　进行的一系列研究，有助于我们实现由实际垃圾收　３　ＪｏＡｎｎａ，Ｒｕｔｈ　Ｗｈｅｒｒｅｔｔ，Ｄｅｃｉｓｉｏｎ　Ｓｕｐｐｏｒｔ　Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｅｎｖｉｒｏｎ・　动系统到对收运信息系统的认识，有助于由信息系　ｍｅｎｔａｌ　Ｍｏｄｅｌｓ，Ｖｉｓｕａｌｉｓａｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ＧＩＳ，Ｉ．ａｎｄ　Ｕｓｅ　Ｄｉｉｖ＿　统返回客观垃圾收运系统的利用改造过程的发展和　ｓｉｏｎ，ＭＬＵＲＩ・　６　ｔｈ　ｂｒｕａｒｙ　９９６　转化，建立可持续发展的城市垃圾管理系统。　４冀　：　声预　规划系统・环境科　参考文献　５徐富春等．ＧＩＳ—ＭＩＳ在重点流域环境管理中的应用．环境　１张剑平．地理信息系统与Ｍａｐｉｎｆｏ应用．北京：科学出版　科学动态，２ＯＯＯ，１．１６　社，１９９９，４　（收稿日期：２００１—０７—１６）　２　Ｗｅｉ　Ｊｉ　Ｐｈ．Ｄ．，ＧＩＳ—ＢＡＳＥＤ　Ｄｅｃｉｓｉｏｎ　Ｓｕｐｐｏｒｔ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　Ｗｅｔ．　（上接第２７页）　合分析结果，在预测效果、时间、表达形式方面都具　的技术系统，在环境管理中具有广泛地应用。而且　有明显的优越性。　由于该系统的特点，决定了其一次建成、重复使用的　４．５应用于环境教学与科研　特点，只要在系统分析的基础上，建立相应的技术系　环境科学作为一门完整的学科体系，应由基础　统，就可以用于环境管理、环境科学研究的各项工　学科、技术学科、工程技术三个层次组成，与此相适　作，具有良好的效益。尤其是随着虚拟现实技术和　应，环境科学的教学与科研工作也必须从这三个层　地理信息系统（ＧＩＳ）集成的技术系统——虚拟ＧＩＳ　次进行综合考虑。作为一门应用性极强的学科、工　（ＶＧＩＳ）的发展，建立集ＧＩＣ、ＶＲ技术、环境信息系　程技术手段，在相关的研究与教学中必然要求结合　统、空间分析模型、人工智能专家系统等于一体的虚　实例进行，传统的现场实习、实物实验等费用大、周　拟环境决策支持系统（ＶＥＤＳＳ），将是环境管理实现　期长，而采用现代化的ＶＲ技术系统，以典型地区的　自动化、信息化、可视化的有力保证，必将极大地推　实际资料、多源信息、专业模型为基础，建立虚似环　动环境科学地发展。　境科学模型，在进行教学与科研时，用户直接在该模　型中进行相应的活动，仿佛身临其境，得到与实景一　参考文献　致的结果，具有较高的效率，也是适应信息时代教学　１杨余旺，丘光中．虚拟现实系统应用综述．微型机与应用，　与科研发展的有力手段。　１９９７．６　２江亚东．临境技术及其应用．微型机与应用，１９９７．２　５结束语　３朱晓华，阊国年，王建．虚拟现实技术在地理学中的应　随着现代科学技术的发展，环境科学的研究技　用．地理学与国土研究，１９９８．３　．　（收稿日期：２００１—１１—２０）　术手段日趋广泛，虚拟现实技术作为实景虚拟建模　一３０一