虚拟仿真技术在城乡土地规划实验教学中的应用

ＩＳＳＮ１０　０２４９５６　．．．—实验技术与管理　第３５卷第２期２０１８年２月　ＣＮ１］一２０３４／Ｔ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ＶｏＩ｜３５　Ｎｏ．２　Ｆｅｂ．２０１８　ＤＯＩ：１０．１６７９１／ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｊｇ．２０１８．０２．０３１　虚拟仿真技术在城乡土地规划实验教学中的应用　王克平　（中国人民大学信息技术中心，公共实验室，北京１００８７２）　摘要：分析了虚拟仿真技术在城乡土地规划教学中应用的必要性，介绍了虚拟仿真技术在土地利用调查与　评价、山水林田湖生命共同体模拟演化、城乡规划实验教学项目中的典型应用，总结了中国人民大学将虚拟　仿真技术引人城乡土地规划实验教学的成果和特色。在将虚拟仿真技术引入实验教学后，提高了实验教学　的质量，培养了学生的实践能力。　关键词：虚拟仿真实验；城乡土地规划；实验教学　中图分类号：ＴＰ３７　文献标识码：Ａ　文章编号：１００２—４９５６（２０１８）０２—０１３０—０４　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｌａ　ｔｅａｃｈｉｎｇ　ｆｏｒ　ｕｒｂａｎ　ａｎｄ　ｒｕｒａｌ　ｌａｎｄ　ｐｌａｎｎｉｎｇ　Ｗａｎｇ　Ｋｅｐｉｎｇ　（Ｐｕｂｌｉｃ　Ｐｏｌｉｃｙ　ａｎｄ　Ｄｅｃｉｓｉｏｎ－ｍａｋｉｎｇ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｅｎｔｅｒ，　Ｒｅｎｍｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１００８７２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｎｅｃｅｓｓｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｔｅａｃｈｉｎｇ　ｏｆ　ｕｒｂａｎ　ａｎｄ　ｒｕｒａｌ　ｌａｎｄ　ｐｌａｎｎｉｎｇ　ｉｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ，ｔｈｅ　ｔｙｐｉｃａｌ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｌａｎｄ　ｕｓｅ　ｓｕｒｖｅｙ　ａｎｄ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｉｒｅ　ｃｏｍｍｕｎｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｕｎｔａｉｎ，ｒｉｖｅｒ，ｆｏｒｅｓｔ，ｆｉｅｌｄ　ａｎｄ　Ｉａｋｅ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｔｅａｃｈｉｎｇ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｏｆ　ｕｒｂａｎ　ａｎｄ　ｒｕｒａｌ　ｐｌａｎｎｉｎｇ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓ　ａｎｄ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎｔｏ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｔｅａｃｈｉｎｇ　ｆｏｒ　ｕｒｂａｎ　ａｎｄ　ｒｕｒａ１　ｌａｎｄ　ｐｌａｎｎｉｎｇ　ｉｎ　Ｒｅｎｍｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ　ａｒｅ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ａｆｔｅｒ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｉｎｔｏ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｔｅａｃｈｉｎｇ，ｔｈｅ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｏｆ　ｓｕｃｈ　ｔｅａｃｈｉｎｇ　ｉｓ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｔｕｄｅｎｔｓ’ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ａｂｉｌｉｔｙ　ｉｓ　ｃｕｌｔｉｖａｔｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｖｉｒｔｕａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ；ｕｒｂａｎ　ａｎｄ　ｒｕｒａｌ　ｌａｎｄ　ｐｌａｎｎｉｎｇ；ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｔｅａｃｈｉｎｇ　虚拟仿真（ＶＲ）技术是一种用虚拟系统模拟真实　系统的技术。虚拟系统是由计算机硬件、软件以及各　种传感器构成的一个集三维视觉、听觉和触觉于一体　地规划虚拟仿真实验教学依托虚拟现实、多媒体、人机　交互、数据库和网络通信等信息技术，构建高度仿真的　虚拟实验环境和实验对象，让学生在虚拟环境中利用　的全方位人工环境＿１］。随着计算机技术的快速发展和　高新技术的开发应用，虚拟仿真技术正逐步成为除数　学推理、科学实验以外人类认识自然界的第三类基本　方法，而且正在发展成为人类认识、改造和创造客观世　界的一项通用性、战略性技术［２］。　虚拟系统实现城乡土地规划实践情境的仿真［３］。　１虚拟仿真技术应用的必要性　将虚拟仿真技术应用于城乡土地规划实验教学　中，不仅是时代发展的要求，还是实验教学的需要。　（１）大数据、云计算等信息技术发展推动规划演　进的时代要求。大数据、云计算、３Ｓ（ＲＳ、ＧＩＳ和　ＧＰＳ）、物联网等ＩＴ技术深刻地影响了城乡土地规划　技术的发展。利用多因素和网络集成的虚拟系统，能　土地利用规划学是一门既包含社会经济学内容，　又包含自然科学内容的应用性综合学科，实验环节在　其教学中占有举足轻重的地位。中国人民大学城乡土　收稿日期：２０１７－０９—０８　作者简介：王克平（１９７３～），男，山东惠民，硕士，工程师，主要从事基于　够实现规划实践情境“再现过去、替代现实和模拟未　ＧＩＳ大数据、虚拟仿真和社会学多学科交叉的公共理论　和技术研究．　Ｅ－ｍａｉｌ：ｗａｎｇｋｅｐｉｎｇ＠ｒｕｅ．ｅｄｕ．ｃｎ　来”的虚拟仿真，是对大数据、云计算、３Ｓ、物联网等ＩＴ　技术的充分应用和响应　］。　（２）城乡土地规划实验教学的内在需求。其一，　Ｅ克半：虚拟仿真技术在城乡上地规划文验教学中的应川　城乡土地规划的未来学性质使得很多规划情境无法真　实体验，而需基于历史和现状，在一定约束条件下对未　来进行预判，这使得城乡土地规划的很多实验难以进　行真实实验。其二，规划通常是对于一个区域的系统　工程，规划对象的复杂性使得规划的真实实验具有风　险大、成本高、效率低等局限性。因此，采用虚实结合、　相互辅助的虚拟仿真实验教学形式，不但能够解决规　划实验教学受限的问题，而且可以激发学生的学习　兴趣。　（３）切实提升学生实践和创新能力的需要。虚拟　世界由计算机生成，可以是现实世界的再现，亦可以是　构想中的世界。用户可借助视觉、听觉及触觉等多种　传感通道与虚拟世界进行自然的交互，将部分单纯演　示性、验证性的实验教学内容改变为以虚拟实验为主、　基本技能训练和基础实验项目以虚拟实验辅助实体实　验的形式开展，让学生有更多的动手实践机会　。同　时，通过城乡土地利用规划虚拟仿真软件的开发与应　用，满足学生实习的需要，从而使学生的实践能力和创　新能力提升到一个新的水平。　图Ｉ　开发区土地利用调查与监测虚拟仿真效果图　２城乡土地规划实验教学中的ＶＲ技术应用　２．１　土地利用调查与评价虚拟仿真实验教学项目　土地利用调查与评价虚拟仿真实验教学项目是利　用虚拟仿真实验教学平台开展土地资源模拟调查和土　地利用评价模拟分析的虚拟仿真实验。其中，土地利　图２　基于城市热岛效应的土地综合承载力评价实验　２．２　山水林田湖生命共同体模拟演化实验　用调查虚拟仿真实验基于城乡土地利用发展的现实需　求，要求分析现有的土地基础信息，并选择典型区域开　展区域、核心城市、产业开发区、线性工程等不同维度　的土地承载力调查实验。土地利用评价模拟实验是对　第二次土地调查数据、城镇地籍数据、土地利用规划数　山水林田湖生命共同体模拟演化实验教学项目是　以土地利用覆盖变化模拟为主，兼顾人口、经济社会等　人文因素，对土地利用供需分析、未来土地利用发展结　构和格局进行预测的虚拟仿真实验。其中包括国土空　间重大情景要素模拟实验、国土空间演变驱动力模型　仿真实验、国土空间情景演变分析与动态模拟实验。　现阶段，土地利用／覆被变化研究已经从驱动力分析和　据、分等定级成果、地价数据等土地基础数据的整合研　究，对人口、产业、环境、土地资源等多源数据的集成　研究。　变化驱动机制研究，转向空间模拟研究；从单一方法模　城乡土地利用规划虚拟仿真实验教学中心以皖江　城市带典型区域土地承载力Ｐ～Ｉ—Ｅ—Ｒ数据库为基础，　设置多项虚拟仿真实验供学生进行实操练习。图１为　在土地利用调查实验教学中，开发区土地利用调查与　拟研究转向多种方法结合的模拟研究；从重视自然因　素的驱动力到更加重视社会经济因素对土地利用／覆　被变化的影响，以及研究土地利用方式乃至管理的响　应对策。　监测虚拟仿真效果图；图２为基于城市热岛效应的土　城乡土地利用规划虚拟仿真实验教学中心利用　ＭＡＰＧＩＳ软件进行虚拟仿真实验，采用面向服务的设　计思想和多层体系结构，实现了面向空间实体及其关　系的数据组织、高效海量空间数据的存储与索引、大尺　地综合承载力评价实验。　将虚拟仿真技术应用于土地利用调查评价实验教　学项目中，让学生掌握利用航片或卫片进行土地利用　现状调查的技术方法，增强学生对已学过专业知识的　感性认识，培养学生在土地资源调查、评价方面的基本　度动态空间信息数据库、三维实体建模和分析。　ＭＡＰＧＩＳ支持真三维建模与可视化，能进行三维海量　数据的有效存储和管理、三维专业模型的快速建立、三　维数据的综合可视化和融合分析　。图３为北京颐和　园以西西山山水林田湖综合整治情景仿真图。　技能，巩固和加深对基础理论的理解，培养专业兴趣，　为后续课程的学习和职业生涯打下良好的专业　基础　。　世界中学习规划理论、践行规划实践，更直观地了解土　地利用规划方案的实施要点。结合仿真模拟结果能够　更直接地掌握土地利用计划管理的含义、任务、指标体　系、实施等，对土地利用动态监测有感观认识，对遥感　技术、土地调查与统计技术、土地信息系统技术等在土　地利用动态监测中的应用有进一步了解，最终达到培　养多层次、复合型、创新型管理人才的培养日标。　图３　北京西山山水林田湖综合整治情景仿真　将虚拟仿真技术应用于山水林田湖生命共同体模　拟演化实验教学项目中，使学生了解耕地减少与建设　用地扩张的驱动力、土地利用变化与全球环境变化仿　真、ＬＵＣＣ建模方法和技术，掌握了国土空间重大情景　要素模拟、国土空间演变驱动力模型、国土空间情景演　变分析与动态模拟等知识要点，增加了对影响国土空　间开发强度和格局的重大要素、国土空间变化驱动力、　国土空问情景演变对国土空间格局影响的感性认识。　２．３城乡规划虚拟仿真实验教学项目　城乡规划仿真实验教学项目是根据土地利用现状　图４城乡土地利用动态变化模拟仿真效果图　和规划，对土地利用的实施情况进行仿真，通过对土地　利用规划效果模拟达到土地利用规划后评价的效果。　土地利用总体规划实施评估仿真实验是通过选取　地域相连的示范点，对示范区进行现场调研，利用收集　到的资料建立ＧＩＳ的基础信息图层和相应的空间属　性数据库，同时利用ＧＩＳ强大的空间分析功能进行图　层数据的叠加分析，得到土地利用总体规划实施情况　的空间信息。并针对已有土地利用总体规划的近期实　施情况做出评价。　区域土地利用总体规划实施跟踪预警模拟实验是　将不同时期的土地类型、土地利用现状和土地质量等　图５城乡规划实施仿真违规建筑管理查询效果图　３实验教学成果与特色　城乡土地利用规划虚拟仿真实验教学中心引入虚　基本信息进行对比，从空间和数量上分析其动态变化　特征和未来发展趋势，并在历史和现状数据的定性分　析与定量评价的基础上，构建区域土地利用总体规划　实施跟踪预警模型。　拟仿真技术，通过对土地管理、城乡规划与管理的实验　教学资源进行整合，建立集沉浸、交互和构想于一体的　城乡土地利用规划虚拟仿真实验平台．提升了学生的　科研能力　。　我校城乡土地利用规划虚拟仿真实验教学中心依　托土地管理系、城市规划与管理系和土地规划研究中　实验教学中心依托本校土地规划研究中心，将科　心平台，结合当前土地利用规划及其存在的问题，建立　“产、学、研、用”综合机制。图４为城乡土地利用动态　变化模拟仿真效果图，图５为城乡规划实施仿真违规　建筑管理查询效果图。　将虚拟仿真技术应用到城乡规划实施仿真实验教　学项目中，突ｍ多因素与网络的有效集成，将实验任　务、规则和信息有机结合起来，进而构筑一个集真实世　界与虚拟世界于一体的仿真实验环境，让学生在虚拟　研和教学相结合、理论和实践相结合、资源整合与发挥　优势相结合，尤其注重发挥实验和实践教学在科学研　究、人才培养和社会服务方面的支撑作用，构建了实体　实验环境（规划中心）与虚拟实验环境（虚拟仿真）虚实　互动、相互补充的建设体系，为学生营造了认识规划、　体验规划、感悟规划、享受规划的实验环境　。　开放型的城乡土地利用规划虚拟仿真实验教学中　心注重培养学生掌握理论联系实际的方，全面提　王克平：虚拟仿真技术在城乡土地规划实验教学中的应用　升在新型城镇化、城乡规划、土地利用、城市管理、基层　治理等方面的问题意识和分析问题、解决问题的能力。　学生在２Ｏｌ１—２０１４年共发表了３５篇学术论文，在大　学生创新实验计划项目中立项１８项，在大学生创新创　业大赛、本校“创新杯”课外学术科技作品竞赛、全国　“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛等方面屡获奖　项。获得“创新杯”课外学术科技作品奖项３Ｏ余项，获　得北京市“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛奖项　３项，获得国家级“挑战杯”大学生课外学术科技作品　竞赛奖项１项。　虚拟仿真实验教学中心注重对学生基础知识、实　践动手能力和创新思维等全方位的培养，逐渐形成了　具有特色的教学体系。　３．１采用引探式虚拟仿真教学方法　虚拟仿真实验中心顺应现代城乡土地利用规划管　理学科发展的需要，通过引入现代信息技术，满足多媒　体、信息化和网络化的虚拟仿真实验教学要求，既保持　城乡土地利用规划中传统、经典的内容，又反映当今城　乡土地利用规划领域的新进展。结合跨专业综合仿真　实习实训平台、省域国土空间评价系统、区域土地承载　力Ｐ—Ｉ—Ｅ—Ｒ数据库系统、城乡边缘控制系统等覆盖多　个专业的虚拟仿真教学软件，基于跨专业综合仿真实　习实训平台构建出虚拟城乡土地利用环境，引导学生　完成实验设计，提高实验技能。同时，实验中心利　用已有的虚拟仿真专业实验项目，通过科学整合与配　置，组建和开发出了针对不同专业的综合性虚拟仿真　实验，从而可以开展跨专业综合实习实训。　３．２构建“五化一体”开放型规划虚拟仿真实验环境　虚拟仿真实验中心从城乡土地利用规划资源建设　模块化、教学培养体系柔性化、管理职能协同化、过程　管理信息化、人才培养开放化等５方面进行实验室建　设，全面整合人文社会科学实验教学的优势资源，建成　了“五化一体”的管理学科虚拟仿真实验教学互联网共　享平台。　３．３　以“三库四平台多基地”为特色构建规划虚拟仿　真实验教学管理体系　城乡土地利用规划虚拟仿真实验教学中心以虚拟　要素资源库、实验教学项目库、科研成果转化库为基　础，以土地管理、城市规划与管理两大教学平台和土地　规划研究中心、公共实验室（８通道２４０。三维立体　仿真）两大实验平台为依托，针对管理学研究对象系统　性强、复杂的特点，创新性地采用“三库四平台”思路构　建了结构化的虚拟仿真实验教学体系，解决了城乡土　地利用划规划虚拟仿真实验中虚拟对象复杂、多变的　难题。由多因素和网络集成的虚拟系统实现了规划情　境“再现过去、替代现实和模拟未来”仿真环境。　４总结与展望　将虚拟仿真技术运用于城乡土地规划实验教学　中，带动了学校实验室的建设和发展，提升了学校的核　心竞争力。城乡土地利用规划虚拟仿真实验教学中心　根据社会发展对人才需求的新变化，在虚拟仿真实验　教学中心的建设中与有关部门、相关学院、软件企业、　任课教师分工合作、协同创新，进一步完善网络、平台、　师资等软硬件环境，在以下２方面进行重点发展。　（１）扩大虚拟仿真实验平台的共享范围。逐渐将　中国人民大学社会管理大数据中心、中国调查数据中　心、人文社会科学案例中心的数据库、案例库、相关学　院的关联课程和实验统一到城乡土地利用规划虚拟仿　真实验教学中心的平台上，实现数据的一次采集、多系　统共享，快速实现不同机构、不同应用系统、不同数据　库之间基于不同传输协议的数据交换与信息共享，为　各种应用和决策支持提供良好的数据环境ｌ】　。　（２）进一步加强校一校、校一企合作。以虚拟仿真实　验教学中心为资源共享平台与枢纽，与其他高校的土　地管理、城乡规划等专业在城乡土地利用规划虚拟仿　真实验教学方面进行合作交流，建立长效机制，拓展　校～企合作的深度与广度，快速推进虚拟仿真技术在城　乡土地规划实验教学中的应用。　参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）　Ｅｌｉ王宁，高军军，常莹，等．浅谈虚拟仿真技术［Ｊ］．大观周刊，２０１１　（３８）：２００．　Ｅ２３　马红霞，薛金华．浅谈虚拟仿真技术在课堂教学中的应用ＥＪ］．商　情，２０１３（１５）：２３７．　Ｅ３］裴惹华．浅谈运用虚拟仿真技术提高高校实验教学效果ＥＪ］．计算　机光盘软件与应用，２０１４（９）：２３７—２３８．　［４］蔡卫国．虚拟仿真技术在机械工程实验教学中的应用ＥＪ］．实验技　术与管理，２０１１，２８（８）：７６—７８，８２．　Ｅ５］　张晓东．虚拟仿真技术的应用［Ｊ］．数字技术与应用，２０１３　（４）：１１１．　［６］彭小建．高等教育新常态下虚拟仿真实验教学中心建设探索［Ｊ］．　实验技术与管理，２０１６，３３（ＩＯ）：２３７—２４０．　［７］张敬南，张铿钟．实验教学中虚拟仿真技术应用的研究［Ｊ］．实验　技术与管理，２０１３，３０（１２）：１０１—１０４．　Ｅ８］王旭．地方性本科高校虚拟仿真实验教学模式研究ＥＪ］．教育观察　（上旬刊），２０１５（６）：６２—６３．　Ｅ９］纪芳，于伟．论虚拟仿真技术在文科实验教学中的社会意义ＥＪ］．　实验技术与管理，２０１５，３２（５）：１８４—１８６．　Ｅ１ｏ３郭亮，梁宏，刘京，等．基于虚拟仿真技术的市政环境类实验教学　ＥＪ］．实验室研究与探索，２０１５，３４（７）：１０７—１１０，１２１．