史瑋玥 張春曉

( 中國地質(zhì)大學(北京)信息工程學院，100083，北京 )

1 前 言

自人類文明誕生開始，人類就開始探索、了解地理環(huán)境[1].在這一過程中，用于表達、描述地理環(huán)境的工具隨著人類科技的進步也在不斷進化，從文字表達到傳統(tǒng)地圖，再到現(xiàn)階段地理信息系統(tǒng)(GIS)與遙感技術[2]，人類對地理環(huán)境的表達越來越接近真實環(huán)境，對地理知識的理解也越來越全面.但隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展與普及，人們對地理知識的需求量明顯增加，對知識表現(xiàn)方式的逼真程度有了更高的要求[3].虛擬地理環(huán)境(virtual geographic environment, VGE)是在這一環(huán)境下發(fā)展出的支持地學工作者分析與共享地理過程與空間現(xiàn)象、進行數(shù)據(jù)的三維可視化表達、多用戶協(xié)同的分布式虛擬環(huán)境系統(tǒng)[4]，是實現(xiàn)現(xiàn)實世界模擬分析、讓地理數(shù)據(jù)更好的應用于互聯(lián)網(wǎng)時代的重要手段.

“虛擬地理環(huán)境”的概念自1998年提出至今[5]，相關理論體系逐步完善，相關研究文獻與應用實例也逐年增多.中國學者作為虛擬地理環(huán)境這一研究方向的提出者積極開展相關研究，不斷推動這一研究方向的發(fā)展，為完善虛擬地理環(huán)境學科體系做出貢獻，使得該研究方向越來越得到國際學者的關注和認可[6，7].因此，對中國學者已有成果進行總結(jié)歸納，對本研究方向的發(fā)展有很好的參考性.本研究采用文獻計量學理論和信息可視化技術，基于1999-2019年我國學者對于虛擬地理環(huán)境研究的論文，對該研究的發(fā)展過程與熱點前沿進行可視化分析，以期系統(tǒng)全面地掌握虛擬地理環(huán)境的研究狀況和研究熱點，為該領域的相關學者提供參考.

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1數(shù)據(jù)來源本研究通過主題詞檢索的方式確定數(shù)據(jù)源，數(shù)據(jù)庫源自“中國學術期刊網(wǎng)絡出版總庫”， 檢索主題為“虛擬地理環(huán)境”，時間跨度為1999-2019年，檢索時間為2019年4月13日，檢索類型為期刊，檢索范圍分為全文和主題，共檢索到1 482篇虛擬地理環(huán)境相關文獻 (表1).本文對文獻中主題詞或關鍵詞中的近義詞、泛義詞進行了適當刪減，以避免影響分析效度.

2.2研究方法本研究運用知識圖譜分析法對檢索出的1 482篇文獻進行分析.知識圖譜分析法是內(nèi)容分析方法的一種，它結(jié)合應用數(shù)學、信息科學、信息可視化技術、計量學引文分析等學科或技術，利用可視化圖譜，把復雜的知識領域通過數(shù)據(jù)挖掘、信息處理、知識計量和圖形繪制顯示出來，從而可以形象展示學科的發(fā)

表1 相關文獻統(tǒng)計

展歷史、核心結(jié)構、前沿領域、整體知識架構以及它們之間的相互聯(lián)系[8].CiteSpace是一款基于分析和可視共現(xiàn)網(wǎng)絡的程序，可用于探討科學文獻可視化的模式和發(fā)展趨勢[9],該軟件能夠顯示特定研究領域在一定時期發(fā)展的趨勢與動向，是近年來在科學計量學中最具特色和影響力的可視化軟件之一[10].本研究運用CiteSpace 軟件對國內(nèi)虛擬地理環(huán)境研究的相關文獻進行科學計量，繪制知識圖譜，并從虛擬地理環(huán)境的發(fā)展過程和當下的研究熱點兩個方面，對虛擬地理環(huán)境相關文獻的發(fā)文量、主題、高被引文獻及關鍵詞進行統(tǒng)計和分析.

3 虛擬地理環(huán)境研究的文獻計量分析

本文基于文獻計量分析方法，首先從時間維度上，就研究規(guī)模和研究主題進行分析，探究虛擬地理環(huán)境這一方向的發(fā)展演變過程；進而進行高被引文獻和關鍵詞分析，探討虛擬地理環(huán)境當前研究的熱點和前沿，指出研究的熱點問題與發(fā)展方向.

3.1發(fā)展過程

3.1.1 研究規(guī)模不斷增長 發(fā)文量的變化情況是衡量學科發(fā)展的重要指標，可以反映學科領域所處的研究階段，并幫助預測其發(fā)展趨勢[11].我們統(tǒng)計了從1999年至2019年年發(fā)文量并進行曲線擬合(R2=0.92)(圖1)，可以看出，虛擬地理環(huán)境相關研究的發(fā)文量隨著時間推移呈增長趨勢，發(fā)文量由1999年的4篇遞增到2019年的97篇.我們將整體發(fā)展趨勢分為兩個階段：1999-2008年，發(fā)文量逐步上升且上升幅度大，這一時期是虛擬地理環(huán)境概念誕生和理論體系形成的時期，因此各種思路想法較為活躍[12-14]，相關理論快速發(fā)展并受到廣泛關注；2009-2019年，發(fā)文量呈波動趨勢，上升幅度較前一階段明顯下降，在2008-2012年間，發(fā)文量短暫下降，但很快回到原水準且有緩慢上升的趨勢，該階段虛擬地理環(huán)境的研究主要集中在實現(xiàn)方法[15，16]以及與其它行業(yè)相結(jié)合的應用實例[17-19]方面.這一時間上的發(fā)展歷程與林琿等[5]的萌芽期、持續(xù)發(fā)展期、研究爆發(fā)期和持續(xù)平穩(wěn)期的認知基本一致.

圖1 相關文獻數(shù)量逐年變化趨勢

3.1.2 研究主題不斷演變 在CiteSpace軟件中，通過時區(qū)視圖(timezone)可以直觀展現(xiàn)領域文獻的更新與相互影響傳承關系，突出一段時間內(nèi)的研究熱點，進而反映領域研究熱點的變化[20].結(jié)合上一節(jié)對發(fā)文量的研究與圖2，本文發(fā)現(xiàn)虛擬地理環(huán)境領域在研究初期階段(1999-2008)主要研究方向為虛擬地理環(huán)境的認知、概念與理論方法，這一時期的關鍵詞如地理信息系統(tǒng)、DEM、虛擬現(xiàn)實等，其特點在于詞頻高且應用時間跨度大，是虛擬地理環(huán)境理論的基礎.隨著技術的不斷突破，虛擬地理環(huán)境開始由理論向?qū)嶋H運用過渡(2009至今)，已有一定成果產(chǎn)生，也伴生出高速鐵路、杉木等較為具體的研究對象關鍵詞；同時，隨著智能感知、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等新興信息技術的迅速發(fā)展，虛擬地理環(huán)境研究也充分吸收利用云計算、大數(shù)據(jù)處理等技術，發(fā)揮自身可視化方面的優(yōu)勢，助力信息分析提取，因而大數(shù)據(jù)等技術逐漸成為研究主題[3,21].

圖2 國內(nèi)虛擬地理環(huán)境研究趨勢知識圖譜

3.1.3 發(fā)展進程分析 在對虛擬地理環(huán)境研究規(guī)模與研究主題變化進行計量分析后，我們對虛擬地理環(huán)境發(fā)展過程進行進一步梳理，發(fā)現(xiàn)虛擬地理環(huán)境相關文章的發(fā)文量的擬合曲線(圖1)與“技術成熟度曲線”趨勢[22]高度契合.技術成熟度曲線將技術發(fā)展分為技術萌芽、期望膨脹、泡沫破裂低谷、穩(wěn)步爬升恢復、生產(chǎn)成熟五個時期，可以幫助人們整體把握技術發(fā)展態(tài)勢，客觀評估技術成熟度[23].結(jié)合“技術成熟度曲線”相關理論[24]，我們對虛擬地理環(huán)境發(fā)展的兩個階段進行了進一步分析：1999-2008年，研究規(guī)?？焖贁U大，這一時期對應著技術成熟度曲線的第一、二階段，虛擬地理環(huán)境理論快速發(fā)展并受到廣泛關注，公眾對其抱有較大期望，這一時期的研究主題主要集中在虛擬地理環(huán)境理論上，通過不斷融合、吸收其他學科的理論和技術，虛擬地理環(huán)境概念逐步明確，基本理論、結(jié)構功能也初具輪廓[25-27]，但由于受多源、多尺度、異構數(shù)據(jù)的局限性和不兼容性，真三維表達的真實感和分布式協(xié)同交互性等方面的限制[28]，虛擬地理環(huán)境難以從概念界定階段向系統(tǒng)研究實現(xiàn)階段邁進，導致公眾對技術的關注度下降、期望值降低，因而在2008-2012年間出現(xiàn)研究規(guī)?？s小現(xiàn)象.這一階段對應著技術成熟度曲線的“泡沫破裂低谷期”，但隨著技術的發(fā)展，VGE獲得更成熟的研究，被保留下來的技術與理念也逐步投入到實踐應用中，從而產(chǎn)生了一定數(shù)量的實例應用，如易思蓉等學者[29]設計了基于虛擬地理環(huán)境的鐵路數(shù)字化選線設計系統(tǒng)，借助建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)技術構建了鐵路構造物基元，從而能方便、快捷地實現(xiàn)線路設計；楊玉蓮等[30]基于OpenSim和SketchUp軟件構建了云南師范大學虛擬校園.虛擬地理環(huán)境研究再次受到廣大學者與社會的重視，面向各個領域的產(chǎn)品開始逐漸涌現(xiàn)[31-33].我們認為，虛擬地理環(huán)境現(xiàn)在還處在技術成熟度曲線的第四階段，實踐成果相對較少，且其重要支撐技術如智能感知、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等仍在快速發(fā)展階段[26,34，35]，但可以預測虛擬地理環(huán)境領域?qū)⒅鸩阶呦虺墒?，更多的參與到數(shù)據(jù)分析與決策輔助過程中，成為人類生活的重要組成部分[3].

3.2研究熱點與前沿

3.2.1 高被引文獻分析 通過分析本領域高被引論文，可以探討該研究領域的發(fā)展態(tài)勢和研究熱點[20].表2列出了我國虛擬地理環(huán)境研究領域被引頻次排名前十的文獻.從表中可以看出，文章研究內(nèi)容主要集中在理論探討和分析，是典型的早期經(jīng)典文獻模式[20]，該類文獻對虛擬地理環(huán)境領域理論的提出和傳播有著重要作用，也為后期其他研究提供參考與借鑒.其中三篇文獻均刊登在《測繪學報》上，說明該期刊較早關注虛擬地理環(huán)境研究領域.此外，高被引文獻發(fā)表年份基本處于2000-2005年間，這一時間段是虛擬地理環(huán)境理論高速發(fā)展、完善的階段.

表2 國內(nèi)虛擬地理環(huán)境研究高被引文獻

3.2.2 關鍵詞分析 關鍵詞是作者對文章內(nèi)容的凝練，高頻關鍵詞常被認為該領域的研究熱點[36].本文統(tǒng)計了高頻關鍵詞及其出現(xiàn)頻率與出現(xiàn)年份(表3)，并利用CiteSpace軟件的關鍵詞分析功能，繪制虛擬地理環(huán)境研究的關鍵詞分布圖譜(圖3).圖中每個方型節(jié)點代表一個關鍵詞，節(jié)點的大小代表該關鍵詞出現(xiàn)的頻率，節(jié)點越大，則說明該方向是虛擬地理環(huán)境研究領域的熱點.由圖3、表3可以看出，虛擬現(xiàn)實、地理信息(Geographic Information, GI)、可視化、地理信息系統(tǒng)等在虛擬地理環(huán)境研究中占有重要位置.其中虛擬現(xiàn)實是虛擬地理環(huán)境區(qū)別與過去信息表達方式的重要特點，它決定了虛擬地理環(huán)境的研究不局限于地理過程模擬，還支持嘗試構建一個完整的虛擬世界、給人以現(xiàn)實生活中無法體驗的真實感受的環(huán)境[37]；地理信息是虛擬地理環(huán)境的數(shù)據(jù)基礎；可視化是虛擬地理環(huán)境功能實現(xiàn)的決定性因素[38]；地理信息系統(tǒng)是虛擬地理環(huán)境理論在提出、完善過程中重要的對比對象[2,39]，也是虛擬地理環(huán)境功能思想的重要來源之一[40].

圖3 VGE研究關鍵詞分布圖譜

3.2.3 研究熱點分析 為對研究熱點進行進一步的系統(tǒng)分析，我們結(jié)合虛擬地理環(huán)境的功能組成[28]與CiteSpace中的聚類功能，將關鍵詞進行細化分類(表4).本文發(fā)現(xiàn)，虛擬地理環(huán)境注重多源數(shù)據(jù)整合、共享、集成，因此多種多樣的數(shù)據(jù)來源(如衛(wèi)星數(shù)據(jù)、航空數(shù)據(jù)等)是虛擬地理環(huán)境的重要研究內(nèi)容，并且各類數(shù)據(jù)間的融合、數(shù)據(jù)的發(fā)布也是虛擬地理環(huán)境研究的重點之一[27,41,42].值得強調(diào)的是，數(shù)據(jù)的存儲方式與數(shù)據(jù)中的信息挖掘、地理問題分析密切相關，而有別于傳統(tǒng)GIS中的二維數(shù)據(jù)，虛擬地理環(huán)境中存儲的是三維數(shù)據(jù)[27]，因此數(shù)據(jù)模型及其空間分析功能的實現(xiàn)也是研究熱點之一[43].虛擬地理環(huán)境建設的根本目的是探究地理規(guī)律、模擬地理現(xiàn)象、再現(xiàn)與預測地理環(huán)境變化[12]，因此地理模型的構建至關重要[43]，針對建模的方法理論、開發(fā)工具也在快速更新[44,45,46].表達環(huán)境是用戶與系統(tǒng)交互的窗口，實現(xiàn)了虛擬地理環(huán)境超越現(xiàn)實的目標，讓用戶通過各種方法(如頭盔、手套)參與到虛擬環(huán)境中，也讓虛擬環(huán)境不局限于模擬現(xiàn)實、不人為割裂人地關系[47]，從而實現(xiàn)更自然的體驗；虛擬環(huán)境的搭建工作量較大，已有研究主要針對特定對象或環(huán)境進行，如虛擬環(huán)境的地標[48]、陰影[49]以及災害環(huán)境模擬[50，51]等.最后協(xié)同環(huán)境是指本地或異地人員在同一時間或不同時間內(nèi)對地理空間現(xiàn)象的協(xié)作探索與認知過程[52]，是在人與虛擬環(huán)境實現(xiàn)交互的前提下，不同用戶之間的協(xié)同，需要系統(tǒng)對地理分析任務進行分解、分派與傳輸，構建分布式虛擬地理環(huán)境協(xié)同平臺[53].

表3 VGE研究高頻詞

表4 VGE研究熱點領域

4 結(jié)論與展望

虛擬地理環(huán)境自提出以來得到學者們的廣泛關注，隨著技術的發(fā)展，該領域也逐漸產(chǎn)出大量成果.本文通過對國內(nèi)虛擬地理環(huán)境相關研究文獻的歸納和分析，探討這一研究領域的發(fā)展歷程、研究熱點等問題，為這一方向的進一步發(fā)展提供參考.

基于文獻量分析，本文發(fā)現(xiàn)從研究規(guī)模變化的角度來看，虛擬地理環(huán)境研究經(jīng)歷了快速擴大、短暫縮小，當前進入平穩(wěn)發(fā)展的階段.同時，文獻量的規(guī)模變化曲線與技術成熟度發(fā)展曲線相一致，可以預測該研究方向有快速發(fā)展，規(guī)模不斷壯大的前景.

從研究內(nèi)容上看，現(xiàn)有研究成果主要圍繞概念方法、理論體系等層面，建立和完善虛擬地理環(huán)境的理論體系、技術框架等.這表明虛擬地理環(huán)境研究是基于地理科學理論發(fā)展提出的，有其理論基礎和方法體系，這是虛擬地理環(huán)境研究方向生命力的基礎.在理論方法研究的基礎上，當下的研究熱點主要集中在技術層面上的突破，包括數(shù)據(jù)層面上數(shù)據(jù)儲存、共享，建模方面三維模型建立、三維可視化方法、動態(tài)實時建模與交互式、分布式虛擬環(huán)境的研究等.同時，與新興技術如物聯(lián)網(wǎng)、云計算等的結(jié)合也是虛擬地理環(huán)境發(fā)展的重要方向之一.結(jié)合現(xiàn)有研究成果和當前研究熱點，可以發(fā)現(xiàn)虛擬地理環(huán)境研究是理論與技術并進，方法體系與實例應用共同發(fā)展、互相促進的發(fā)展現(xiàn)狀.但是兩者的結(jié)合有待進一步加強，即理論指導應用研究，應用研究實踐和驗證理論方法，以推動這一方向的發(fā)展.

綜上所述，虛擬地理環(huán)境領域未來將進入一個平穩(wěn)較快的發(fā)展時期，預期大量研究成果將不斷涌現(xiàn).下一階段的虛擬地理環(huán)境研究在理論方法研究的同時，將更關注虛擬地理環(huán)境在地理過程多領域的系統(tǒng)平臺搭建與應用，增強系統(tǒng)平臺的專業(yè)性和實用性；針對復雜地理問題求解，模型和系統(tǒng)集成方法與技術也會緊跟時代發(fā)展，愈加豐富多樣，其應用會更貼近人類生活，服務人類生活.