林 琿，朱 慶，陳 旻

1. 香港中文大學(xué)太空與地球信息科學(xué)研究所，香港 沙田； 2. 西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 611756； 3. 南京師范大學(xué)虛擬地理環(huán)境教育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210023； 4. 江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210023

虛擬地理環(huán)境作為新一代地理學(xué)語言[1-2]，自1998年在一次學(xué)術(shù)會(huì)議上的非正式提出，發(fā)展至今已經(jīng)經(jīng)歷整整20年。其間，從理念初現(xiàn)到架構(gòu)明晰，從爭議頗多到雜然相許，雖談不上一路艱難，卻也九轉(zhuǎn)而成丹。

啟發(fā)于陳述彭先生的地學(xué)信息圖譜[3]及Michael Batty教授的虛擬地理學(xué)[4]，提出虛擬地理環(huán)境的初衷就是借助虛擬世界(信息世界)，增強(qiáng)對(duì)真實(shí)世界(物理世界、人文世界)的感知、理解與研究，從而幫助推動(dòng)真實(shí)世界的改造與發(fā)展[35]。面向此需求，以地理數(shù)據(jù)庫為核心的傳統(tǒng)GIS系統(tǒng)在這方面顯然力有未逮：僅有大量數(shù)據(jù)，沒有深度分析手段，將無法及時(shí)消化數(shù)據(jù)，甚至消耗和浪費(fèi)大量計(jì)算和存儲(chǔ)資源；僅有系統(tǒng)操作工具，沒有符合人類認(rèn)知習(xí)慣的易感知手段，也難以催進(jìn)認(rèn)知，提升改造潛能與功效。虛擬地理環(huán)境的特征在于將人機(jī)物三元融合的地理環(huán)境作為天然的研究對(duì)象，借助由計(jì)算機(jī)生成的數(shù)字化地理環(huán)境，并通過多通道人機(jī)交互、分布式地理建模與模擬、網(wǎng)絡(luò)空間地理協(xié)同等手段[4]，以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜地理系統(tǒng)的感知、認(rèn)知和綜合實(shí)驗(yàn)分析[5-6]?；谔摂M對(duì)象的種類，可以將虛擬地理環(huán)境分為相似與增強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)地理環(huán)境、再現(xiàn)與復(fù)原的歷史地理環(huán)境、預(yù)測與規(guī)劃的未來地理環(huán)境[7]。值得強(qiáng)調(diào)的是，虛擬地理環(huán)境產(chǎn)生于地理環(huán)境與虛擬環(huán)境，但是其主體是地理環(huán)境，主要功能是輔助實(shí)現(xiàn)地理環(huán)境的感知、認(rèn)知、理解與探索[8]。地理環(huán)境是自然要素(如土壤、水)與人文要素(如人類社會(huì)、經(jīng)濟(jì)活動(dòng))的綜合體，承載著地理場景與地理現(xiàn)象，用于表達(dá)地理空間分異與格局、地理演化過程及地理要素之間的相互關(guān)系。地理環(huán)境具備時(shí)空局部靜態(tài)、時(shí)空全局動(dòng)態(tài)及系統(tǒng)性的特征；對(duì)地理環(huán)境的表達(dá)與分析，不能僅停留在對(duì)于空間分異的描述，而需要對(duì)要素及對(duì)象的演化過程、相互作用進(jìn)行描述與分析，從而實(shí)現(xiàn)高級(jí)地理分析與探索[9-10]。而傳統(tǒng)GIS多關(guān)注地理空間幾何及位置信息，對(duì)于語義、要素關(guān)系及演化過程的抽象與表達(dá)有所欠缺，無法全面描述與解釋地理環(huán)境。

發(fā)展虛擬地理環(huán)境，動(dòng)態(tài)變化的地理環(huán)境是其必然研究對(duì)象，地理數(shù)據(jù)庫與地理過程模型的融合是基本理念，虛擬與模擬成為必要手段，而表達(dá)、感知與協(xié)同則成為連接虛擬世界與真實(shí)世界的橋梁，輔助實(shí)現(xiàn)物理世界、人文世界及信息世界的協(xié)調(diào)與統(tǒng)一。這是虛擬地理環(huán)境區(qū)別于一般數(shù)字城市、虛擬城市，甚至于虛擬游戲的主要特征所在。在此設(shè)計(jì)理念指導(dǎo)下，同時(shí)針對(duì)傳統(tǒng)GIS在數(shù)據(jù)支持、時(shí)空分析、表達(dá)與交互、支持協(xié)同工作等方面能力的不足，虛擬地理環(huán)境面向地理認(rèn)知與地理感知，設(shè)計(jì)了4個(gè)功能組成部分，包括了數(shù)據(jù)環(huán)境、建模與模擬環(huán)境、表達(dá)環(huán)境、協(xié)同環(huán)境[11-12]:

(1) 地理數(shù)據(jù)是地理信息的載體，數(shù)據(jù)環(huán)境為虛擬地理環(huán)境的構(gòu)建提供了數(shù)據(jù)及信息源。由于地理環(huán)境是物質(zhì)遷移、能量轉(zhuǎn)換、信息傳遞的發(fā)生介質(zhì)，因此虛擬地理環(huán)境的構(gòu)建不能僅僅停留在對(duì)幾何數(shù)據(jù)進(jìn)行收集與整理的階段，而應(yīng)全面考慮對(duì)地理環(huán)境中對(duì)象及現(xiàn)象相關(guān)的語義信息、位置信息、幾何信息、屬性信息、要素關(guān)系及演化過程信息進(jìn)行收集、組織，以形成全息的虛擬地理場景，支持虛擬地理環(huán)境的構(gòu)建[13]。這其中，難點(diǎn)在于面向地理環(huán)境構(gòu)建的多源異構(gòu)信息及數(shù)據(jù)整合、統(tǒng)一地理時(shí)空框架構(gòu)建、支撐地理分析的場景數(shù)據(jù)組織等。

(2) 地理模型是地理規(guī)律的抽象與表達(dá)，地理建模與模擬是現(xiàn)代地理學(xué)研究的重要手段，建模與模擬環(huán)境為在虛擬地理環(huán)境中開展動(dòng)態(tài)、綜合地理分析提供基礎(chǔ)工具和實(shí)現(xiàn)手段[14]。在地理數(shù)據(jù)急劇增長形成“地理(地球)大數(shù)據(jù)”[15]的今天，地理問題及環(huán)境分析所欠缺的不是數(shù)據(jù)，而是有效的地理分析手段；而復(fù)雜地理問題的求解，則必須借助多學(xué)科合作、協(xié)作式探索的模式，以求對(duì)綜合地理環(huán)境的分析與預(yù)測。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、云計(jì)算(邊緣計(jì)算)等技術(shù)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下協(xié)作式建模與模擬得到有效支撐，為虛擬地理環(huán)境的模擬與分析提供了新的求解模式[16-19]，其難點(diǎn)在于面向復(fù)雜問題求解的分布式異構(gòu)模型的共享、集成與模擬控制等。

(3) 虛擬環(huán)境表達(dá)是人類感知、認(rèn)知及理解環(huán)境的窗口，表達(dá)環(huán)境為研究者、普通公眾等提供具備不同認(rèn)知習(xí)慣的表達(dá)工具集，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)境信息與用戶的正向傳輸。然而，人類感知信息、認(rèn)知信息的渠道，除了依靠眼睛的視覺之外，還包括了觸覺、嗅覺、聽覺等多種感知途徑。虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)/混合現(xiàn)實(shí)(MR)的快速發(fā)展，推動(dòng)了面向多種感知通道表達(dá)技術(shù)的發(fā)展，但是面向地理環(huán)境的特殊性，也就是動(dòng)態(tài)性、綜合性、感知有限性(地理環(huán)境中有一些信息不可被感知，但確實(shí)存在，特定場合下需要被表達(dá)與感知，如磁場、電場等)，相關(guān)技術(shù)還有待完善。其虛擬地理環(huán)境表達(dá)環(huán)境構(gòu)建的難點(diǎn)在于面向動(dòng)態(tài)地理環(huán)境的多尺度、多維度、多感知通道表達(dá)策略的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

(4) 協(xié)同用于實(shí)現(xiàn)真實(shí)環(huán)境及其人、物與虛擬環(huán)境及其人、物的相互作用與共同演進(jìn)，包含了人與人、人與機(jī)器、機(jī)器與機(jī)器的協(xié)同。虛擬地理環(huán)境并不是獨(dú)立存在的環(huán)境，而是來源于真實(shí)地理環(huán)境、與真實(shí)地理環(huán)境協(xié)同發(fā)展的環(huán)境，這其中，真實(shí)與虛擬的融合、人與機(jī)器的交互、人與人的協(xié)作，都是虛擬地理環(huán)境協(xié)同的一部分[20-21]，有助于虛擬地理環(huán)境對(duì)于真實(shí)地理環(huán)境的刻畫與交替演進(jìn)，從而最終達(dá)到“有無相生、虛實(shí)共濟(jì)”。顯而易見，虛擬地理環(huán)境協(xié)同環(huán)境的構(gòu)建，其難點(diǎn)在于虛實(shí)融合的協(xié)同模式及其實(shí)現(xiàn)手段。

基于以上概念框架及功能組件的設(shè)計(jì)，面向地理認(rèn)知、地理規(guī)律發(fā)現(xiàn)和虛實(shí)融合與協(xié)同的基本需求，構(gòu)建虛擬地理環(huán)境至少具有如下幾點(diǎn)優(yōu)勢：①促進(jìn)地理學(xué)研究向著綜合性與復(fù)雜性方向發(fā)展。新時(shí)代地理學(xué)的發(fā)展特征就是需要以綜合性、系統(tǒng)性視角，通過學(xué)科交叉、定量模擬等手段，加深對(duì)復(fù)雜人地系統(tǒng)全面理解[22]。與現(xiàn)實(shí)世界相對(duì)應(yīng)的虛擬地理空間構(gòu)建過程本身就是對(duì)地球系統(tǒng)認(rèn)識(shí)、建模與解釋的過程，二者存在必然的依賴性與共生性，相互促進(jìn)。②提供時(shí)空統(tǒng)一的虛擬空間以支撐數(shù)字地球與智慧社會(huì)建設(shè)所需的資源整合。虛擬地理環(huán)境是真實(shí)地理環(huán)境的共存體，面向真實(shí)地理環(huán)境的時(shí)空觀將為虛擬地理環(huán)境統(tǒng)一時(shí)空框架提供參考。針對(duì)不同尺度的地理問題，將海量資源整合到統(tǒng)一的虛擬時(shí)空框架下，構(gòu)建相應(yīng)的虛擬場景，開展動(dòng)態(tài)模擬分析，并實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一時(shí)空下的尺度轉(zhuǎn)換，從而為地理問題求解過程中的信息挖掘與可視化分析打下基礎(chǔ)。③支撐超越現(xiàn)實(shí)的協(xié)同探索。當(dāng)下，復(fù)雜問題的求解越來越對(duì)協(xié)作式工作提出需求，復(fù)雜地理問題的協(xié)作式求解與探索也迫在眉睫?；谔摂M空間開展基于網(wǎng)絡(luò)的地理問題研究，突破時(shí)空約束，其開放性為多學(xué)科、多領(lǐng)域的全球變化研究者乃至決策者提供了分布式協(xié)同合作的機(jī)會(huì)。

經(jīng)歷了萌芽期(1998—2002年)、持續(xù)發(fā)展期(2002—2008年)、研究爆發(fā)期(2009—2015年)、持續(xù)平穩(wěn)期(2016—)，虛擬地理環(huán)境已經(jīng)逐步得到認(rèn)可。例如：①國內(nèi)外諸多大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)都已經(jīng)設(shè)立了相關(guān)的專業(yè)，如英國的倫敦大學(xué)學(xué)院，美國的加州大學(xué)圣芭芭拉分校、賓州州立大學(xué)等，國內(nèi)如中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所、武漢大學(xué)、南京師范大學(xué)、西南交通大學(xué)、解放軍信息工程大學(xué)、福州大學(xué)等。②虛擬地理環(huán)境已經(jīng)被收錄進(jìn)國內(nèi)外諸多詞典，如《國際地理大辭典》、《現(xiàn)代地理科學(xué)詞典》、《中國大百科全書》等。③國家自然基金委已經(jīng)將“虛擬地理環(huán)境與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)”列為研究方向，每年直接以虛擬地理環(huán)境為題的基金申請(qǐng)均達(dá)到7—8項(xiàng)左右。④據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前國內(nèi)外期刊上，與虛擬地理環(huán)境直接相關(guān)的論文已經(jīng)有300多篇，特別是2010年后，越來越多的國外著名專家與學(xué)者(如Michael Goodchild[23],Milan Konecny[24]，Paul Torrens[25]等)，都開始發(fā)表虛擬地理環(huán)境相關(guān)文章，體現(xiàn)了虛擬地理環(huán)境在國際范圍越來越得到認(rèn)可；直接以虛擬地理環(huán)境命名的中英文專著(編著)2部(其中1部被翻譯成繁體中文在臺(tái)灣省發(fā)行，另一部被翻譯為俄文、捷克文)，相關(guān)專著近10部，《虛擬地理環(huán)境導(dǎo)論》一書幾易其稿，也即將面世。⑤自2001年起，已經(jīng)舉辦了6次虛擬地理環(huán)境中文學(xué)術(shù)研討會(huì)，3次國際會(huì)議，10多次國際會(huì)議專題討論。

可以看到，進(jìn)入到地理大數(shù)據(jù)時(shí)代，或者可以稱之為大地圖時(shí)代的今天，人機(jī)物三元世界融合的地理環(huán)境理解需要更為直觀的手段，而地理知識(shí)共享、地理規(guī)律挖掘則代表了當(dāng)前時(shí)代的新追求。虛擬地理環(huán)境的發(fā)展，一方面需要堅(jiān)持地理本征與地理特色，圍繞地理環(huán)境及其特點(diǎn)展開研究；另一方面需要快速接入及吸收地理大數(shù)據(jù)、人工智能(AI)、虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)/混合現(xiàn)實(shí)(MR)等技術(shù)，結(jié)合地理模擬與分析手段，以支持面向地理環(huán)境的高級(jí)地理感知與探索[26]。當(dāng)下，以地理知識(shí)共享為核心的地理知識(shí)工程正在從以“地圖數(shù)據(jù)庫為核心”的模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐浴暗貓D數(shù)據(jù)庫和地理過程模型庫為雙核心”的新模式[27]，以這個(gè)“雙核心”為特征的虛擬地理環(huán)境將極大地增加人腦與電腦之間聯(lián)系的“帶寬”，使得地理知識(shí)的共享更加便利，地理規(guī)律的探索更加深入，從而展示了虛實(shí)互濟(jì)、協(xié)同發(fā)展的時(shí)代新特征。