《Ecology and Evolution》：A Methodological Case Study for Integrating Virtual Reality and 3D Photogrammetry: A Pilot Digital Platform for Exploring Mangrove Environments
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红树林是生态上至关重要的生态系统，由于季节性潮汐波动、泥泞难行的地形以及访客安全考量，给基于野外的环境教育和研究带来独特的后勤挑战。平衡可持续保护与可及的就地探索需要创新方法。为应对这些限制，研究人员开发了一个试点多模态平台，以展示整合虚拟现实（VR）与三维摄
红树林是生态上至关重要的生态系统，由于季节性潮汐波动、泥泞难行的地形以及访客安全考量，给基于野外的环境教育和研究带来独特的后勤挑战。平衡可持续保护与可及的就地探索需要创新方法。为应对这些限制，研究人员开发了一个试点多模态平台，以展示整合虚拟现实（VR）与三维摄影测量（3D photogrammetry）作为环境表征核心方法学组成部分的技术可行性。该交互式平台在香港两个具有生态意义的红树林群落构建虚拟步行道，其中一个位于拉姆萨尔湿地（Ramsar Site）内，另一个位于具特殊科学价值地点（Site of Special Scientific Interest, SSSI）内。这些地点作为方法学试验台，用以展示沉浸式数字环境如何在不受地理或时间限制的情况下真实呈现复杂且受限的地形。虚拟步道纳入代表性红树林动植物（例如植物、螺类和蟹类）的高分辨率三维模型，使用户能够检查精细的形态细节。补充的物种与生境高分辨率视觉媒体被嵌入，以构建综合多模态环境。作为方法学案例研究，本工作建立了结合VR与3D photogrammetry的实用工作流程。由此产生的试点平台目前有待未来实证测试，以评估其在敏感生态系统中用于环境教育的潜在效力与价值。
论文解读
红树林是生态上重要的生态系统，也是环境教育与生态旅游的宝贵生境，可使访客就地观察丰富生物多样性、生态相互作用和海岸过程。然而，其教育利用存在固有困难。许多红树林区域生态敏感，受到进入限制或严格管理的参观约束；潮汐变化、不稳定泥质基底和天气相关安全风险进一步限制实地学习的可行性、频率和包容性。现有教育方式并未完全解决这些限制：红树林实地访问虽能提供第一手经验，但后勤要求高、受季节制约，且未必与地点保护相容；传统课堂材料如照片、视频和文本资源虽可介绍红树林生态系统，却仅提供有限空间沉浸感，不能充分复现探索生境结构或细致检查生物体的体验。因此，在保护红树林生态系统的需要与使其可用于教育的需要之间存在方法学空白。虚拟现实（Virtual Reality, VR）和三维摄影测量（3D Photogrammetry）是相对较新的工具，已在教育中日益流行；VR可创建类似真实环境的沉浸式三维环境，三维摄影测量可支持物理访问困难学科的经验教学。然而，VR与三维摄影测量在环境教育中的联合使用仍然有限。在此背景下，研究人员以香港Mai Po和Ting Kok红树林为示范点，开发了一个整合VR与三维摄影测量的试点多模态数字平台，旨在展示沉浸式虚拟步道和高分辨率三维模型如何为红树林探索提供替代且互补的方式。该研究目标不是对两个地点进行详细生态比较，而是说明该方法学在直接访问受限生态系统中的环境探索潜力。尤其Mai Po的参观受进入配额制度管理；香港红树林作为野外考察和公民科学项目的户外课堂，其可及性和安全性深受季节性潮汐与天气模式影响。因此，数字平台可能成为本地潮间带生境实地学习的有价值补充，并为可能因不稳定红树林基底而面临身体困难的学生提供包容性替代方案。
关键技术方法概括：以香港Mai Po和Ting Kok红树林为样本队列来源，研究人员于低潮期开展7次实地考察，各设5个检查点；用Insta360 X3在高动态范围（High Dynamic Range, HDR）模式拍摄全景，用ANAFI无人机航拍景观。采集代表性动植物凭证标本，每物种不超过3份，由农业、渔业及保育署（Agriculture, Fisheries and Conservation Department, AFCD）湿地专家工作组和Shiu-Ying Hu Herbarium鉴定并保存。用Canon EOS R5与EF 100 mm微距镜头，在旋转平台和三灯5600 K下每标本至少拍摄96张照片，经3DF Zephyr Lite完成点云、网格与纹理重建，Blender精修。以3DVista Virtual Tour构建虚拟步道并发布至Amazon S3。
研究结果
3.1 用户界面（User Interface）
研究人员基于VR和三维摄影测量开发了两条展示Mai Po和Ting Kok红树林生物多样性的试点虚拟步道，所有相关生物多样性数据与操作软件存储于定制的Amazon S3云服务器。两条虚拟步道可通过在线对象URL链接访问，并在测试过的移动和桌面设备上使用；用户也可使用VR眼镜获得更沉浸体验。问卷也置于虚拟步道最终检查点，以供未来评估用户体验和学习成果。通过平台界面构建，研究人员得出用户界面包含介绍视频、物种组选择按钮、用户指南、语言切换按钮、互动地图缩略图、计分板、导航箭头以及由放大镜图标表示的互动热点。主要覆盖的红树林生物类群包括植物、蟹、弹涂鱼、螺和水鸟，表明界面可支持对本地红树林生物多样性的综合探索。
3.2 多模态平台与生物多样性清单（Multimodal Platform and Biodiversity Inventory）
通过多模态平台构建，Mai Po和Ting Kok红树林虚拟步道分别展示14种和19种代表性动植物。其中为4种植物、9种蟹和9种螺构建了三维模型。每个热点呈现物种特定内容，包括描述、高分辨率照片、视频、三维模型和/或数字化标本。例如，Mai Po红树林中的Tubuca arcuata展示物种信息、三维模型和视频；Ting Kok红树林中的Excoecaria agallocha展示物种信息、数字化标本和果实三维模型。三维模型分辨率足以区分物种，也可区分同一物种内的性别，如Metaplax tredecim雌雄个体可通过眶下脊等特征区分。所有物种特定内容和数字化材料均经验证，带有三维模型的凭证标本永久存档于Shiu-Ying Hu Herbarium。因此，两条虚拟步道呈现的生物多样性信息和材料经过严格验证与保存，形成可支持进一步研究和教育的科学可靠清单。
讨论
4.1 虚拟技术促进可持续自然欣赏（Virtual Technology for Sustainable Nature Appreciation）
传统实地学习和生态旅游虽能促进对自然的欣赏，但可能对敏感野生动物产生负面影响，极端情况下导致栖息地质量下降。数字时代计算和信息技术的快速发展为室内沉浸式学习和虚拟观光提供了新机会。VR工具可使用户无需实际进入生态敏感区域，如珊瑚礁、原始森林和濒危野生动物生境，即可进行探索。以香港两个生态重要红树林为方法学试验台，本研究表明VR结合三维摄影测量可构成一种技术上可行的方法，用于在沉浸式数字环境中表征物理困难、环境敏感和访问受限的生态系统。所得试点多模态平台提供丰富互动内容，包括可导航虚拟场景、物种热点和多格式媒体资产，为该整合方法在复杂自然地形中的应用提供了功能性概念验证。通过将地点探索与地理限制解耦，在线平台架构展示了服务地理分布用户群的技术能力，为表征香港红树林等生物多样性丰富环境提供了可扩展框架。用户可在不同场景间导航、与物种热点互动，并获取多种红树林动植物信息，包括描述、照片、视频和高分辨率数字三维模型。平台还纳入两个地点生态介绍视频和无人机航拍视图，以拓宽表征范围。虚拟步道界面仍处原型阶段，该试点研究主要旨在建立将VR和三维摄影测量整合到多模态数字平台中的方法学可行性，并以红树林作为模式生境。该平台现定位为试验台，以供未来对其在生态关键但不易访问环境中的效用和有效性进行实证评估。尽管一些研究提示实地环境中的亲身学习在环境教育中可能仍比虚拟替代更有效，虚拟学习工具可作为有价值的补充，提供更安全、更可及且往往更具成本效益的经验学习机会。此外，高分辨率三维模型可通过多角度可视化关键形态识别特征，作为传统摄影野外图鉴之外的物种鉴定辅助学习手段。从保护角度看，必须在环境教育与生境保护之间取得平衡，尤其是在生态敏感保护区内，如本研究涉及的拉姆萨尔湿地内红树林群落。
4.2 数字平台及其相关清单的技术新颖性（Technological Novelty of the Digital Platform and Its Associated Inventory）
过去数十年VR快速发展。当与人工智能（Artificial Intelligence, AI）等其他新兴技术整合时，其应用已扩展至教育、农业、交通、医疗、远程会议和旅游等不同领域。尽管VR和三维摄影测量在教育中的采用正在增加，其在环境教育中的联合使用仍相对未充分探索。本研究通过利用摄影测量技术进展弥补该空白，该技术能够生成植物结构的高分辨率数字三维模型，细节足以支持物种鉴定。研究进一步表明，该技术还可能允许区分种内形态差异。该方法有效克服传统二维照片指南的关键限制，后者难以传达学生识别物种关键形态特征所需的三维性和精细细节。此外，平台与Shiu-Ying Hu Herbarium保存的凭证标本共同引入了一个稳健且多功能的生物多样性清单模式，整合数字数据和实物材料。这种混合方法可能服务于双重目的：支持科学研究和增强教育体验。与三维模型对应的凭证标本不仅提供权威科学参考，也为学生和访客在标本馆提供宝贵动手学习机会。事实上，三维摄影测量正成为数字化自然历史标本和其他博物馆物品的高效且成本有效方法。整合多种科学组成部分反映了本研究的核心哲学和价值：将经验证的科学信息与先进技术结合，创建全面且动态的清单。
4.3 局限与未来潜力（Limitations and Future Potentials）
本研究主要聚焦于整合VR和三维摄影测量的平台技术开发。数字平台的用户体验和学习成果需要进一步评估，例如通过本研究设计的问卷和其他系统可用性测试。短期内，VR兼容虚拟步道将通过Shiu-Ying Hu Herbarium网站和香港生物多样性信息中心（Hong Kong Biodiversity Information Hub）网站公开，以促进公众使用和参与，并收集反馈以改进。因此，该平台应被理解为技术原型和研究基础设施，可支持未来对其在环境学习以及敏感自然地点生物多样性信息传播中潜在作用的调查。未来发展可纳入更多红树林地点和生物多样性数据集，并开发更具吸引力且用户友好的界面。AI引导导览等功能可提供机会，检验不同形式的引导如何影响可用性、参与和学习。更广泛地说，该研究为后续研究数字技术如何促进自然欣赏和环境教育，同时减少对敏感生境物理访问需求，提供了基础。
结论翻译：本研究作为方法学案例研究，证明将VR和三维摄影测量整合到多模态数字平台中，用于香港红树林生态系统虚拟探索的技术可行性。该平台通过提供可导航虚拟场景和与标本关联的数字媒体，回应了访问与地点敏感性方面的实际挑战。它还建立了一个连接在线资产与植物标本馆凭证标本的混合数字-实物清单。本研究未评估虚拟平台是否改善环境学习、改变保护相关行为或促进保护管理。这些结果应被视为未来研究问题，而非已证实的成效。随着持续技术开发和实证评估，类似平台可能具有补充基于野外的解说、拓宽生物多样性信息获取途径，并支持关于敏感生态系统价值传播的潜力。
