有無相生 虛實互濟
——虛擬地理環(huán)境研究20周年綜述

林 琿，朱 慶，陳 旻

1. 香港中文大學太空與地球信息科學研究所，香港 沙田； 2. 西南交通大學地球科學與環(huán)境工程學院，四川 成都 611756； 3. 南京師范大學虛擬地理環(huán)境教育重點實驗室，江蘇 南京 210023； 4. 江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210023

虛擬地理環(huán)境作為新一代地理學語言[1-2]，自1998年在一次學術會議上的非正式提出，發(fā)展至今已經經歷整整20年。其間，從理念初現到架構明晰，從爭議頗多到雜然相許，雖談不上一路艱難，卻也九轉而成丹。

啟發(fā)于陳述彭先生的地學信息圖譜[3]及Michael Batty教授的虛擬地理學[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)，增強對真實世界(物理世界、人文世界)的感知、理解與研究，從而幫助推動真實世界的改造與發(fā)展[35]。面向此需求，以地理數據庫為核心的傳統(tǒng)GIS系統(tǒng)在這方面顯然力有未逮：僅有大量數據，沒有深度分析手段，將無法及時消化數據，甚至消耗和浪費大量計算和存儲資源；僅有系統(tǒng)操作工具，沒有符合人類認知習慣的易感知手段，也難以催進認知，提升改造潛能與功效。虛擬地理環(huán)境的特征在于將人機物三元融合的地理環(huán)境作為天然的研究對象，借助由計算機生成的數字化地理環(huán)境，并通過多通道人機交互、分布式地理建模與模擬、網絡空間地理協同等手段[4]，以實現對復雜地理系統(tǒng)的感知、認知和綜合實驗分析[5-6]?；谔摂M對象的種類，可以將虛擬地理環(huán)境分為相似與增強的現實地理環(huán)境、再現與復原的歷史地理環(huán)境、預測與規(guī)劃的未來地理環(huán)境[7]。值得強調的是，虛擬地理環(huán)境產生于地理環(huán)境與虛擬環(huán)境，但是其主體是地理環(huán)境，主要功能是輔助實現地理環(huán)境的感知、認知、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、經濟活動)的綜合體，承載著地理場景與地理現象，用于表達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系。地理環(huán)境具備時空局部靜態(tài)、時空全局動態(tài)及系統(tǒng)性的特征；對地理環(huán)境的表達與分析，不能僅停留在對于空間分異的描述，而需要對要素及對象的演化過程、相互作用進行描述與分析，從而實現高級地理分析與探索[9-10]。而傳統(tǒng)GIS多關注地理空間幾何及位置信息，對于語義、要素關系及演化過程的抽象與表達有所欠缺，無法全面描述與解釋地理環(huán)境。

發(fā)展虛擬地理環(huán)境，動態(tài)變化的地理環(huán)境是其必然研究對象，地理數據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、感知與協同則成為連接虛擬世界與真實世界的橋梁，輔助實現物理世界、人文世界及信息世界的協調與統(tǒng)一。這是虛擬地理環(huán)境區(qū)別于一般數字城市、虛擬城市，甚至于虛擬游戲的主要特征所在。在此設計理念指導下，同時針對傳統(tǒng)GIS在數據支持、時空分析、表達與交互、支持協同工作等方面能力的不足，虛擬地理環(huán)境面向地理認知與地理感知，設計了4個功能組成部分，包括了數據環(huán)境、建模與模擬環(huán)境、表達環(huán)境、協同環(huán)境[11-12]:

(1) 地理數據是地理信息的載體，數據環(huán)境為虛擬地理環(huán)境的構建提供了數據及信息源。由于地理環(huán)境是物質遷移、能量轉換、信息傳遞的發(fā)生介質，因此虛擬地理環(huán)境的構建不能僅僅停留在對幾何數據進行收集與整理的階段，而應全面考慮對地理環(huán)境中對象及現象相關的語義信息、位置信息、幾何信息、屬性信息、要素關系及演化過程信息進行收集、組織，以形成全息的虛擬地理場景，支持虛擬地理環(huán)境的構建[13]。這其中，難點在于面向地理環(huán)境構建的多源異構信息及數據整合、統(tǒng)一地理時空框架構建、支撐地理分析的場景數據組織等。

(2) 地理模型是地理規(guī)律的抽象與表達，地理建模與模擬是現代地理學研究的重要手段，建模與模擬環(huán)境為在虛擬地理環(huán)境中開展動態(tài)、綜合地理分析提供基礎工具和實現手段[14]。在地理數據急劇增長形成“地理(地球)大數據”[15]的今天，地理問題及環(huán)境分析所欠缺的不是數據，而是有效的地理分析手段；而復雜地理問題的求解，則必須借助多學科合作、協作式探索的模式，以求對綜合地理環(huán)境的分析與預測。隨著網絡技術、云計算(邊緣計算)等技術的快速發(fā)展，網絡環(huán)境下協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]，其難點在于面向復雜問題求解的分布式異構模型的共享、集成與模擬控制等。

(3) 虛擬環(huán)境表達是人類感知、認知及理解環(huán)境的窗口，表達環(huán)境為研究者、普通公眾等提供具備不同認知習慣的表達工具集，從而實現環(huán)境信息與用戶的正向傳輸。然而，人類感知信息、認知信息的渠道，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。虛擬現實(VR)/增強現實(AR)/混合現實(MR)的快速發(fā)展，推動了面向多種感知通道表達技術的發(fā)展，但是面向地理環(huán)境的特殊性，也就是動態(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，但確實存在，特定場合下需要被表達與感知，如磁場、電場等)，相關技術還有待完善。其虛擬地理環(huán)境表達環(huán)境構建的難點在于面向動態(tài)地理環(huán)境的多尺度、多維度、多感知通道表達策略的設計與實現。

(4) 協同用于實現真實環(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，包含了人與人、人與機器、機器與機器的協同。虛擬地理環(huán)境并不是獨立存在的環(huán)境，而是來源于真實地理環(huán)境、與真實地理環(huán)境協同發(fā)展的環(huán)境，這其中，真實與虛擬的融合、人與機器的交互、人與人的協作，都是虛擬地理環(huán)境協同的一部分[20-21]，有助于虛擬地理環(huán)境對于真實地理環(huán)境的刻畫與交替演進，從而最終達到“有無相生、虛實共濟”。顯而易見，虛擬地理環(huán)境協同環(huán)境的構建，其難點在于虛實融合的協同模式及其實現手段。

基于以上概念框架及功能組件的設計，面向地理認知、地理規(guī)律發(fā)現和虛實融合與協同的基本需求，構建虛擬地理環(huán)境至少具有如下幾點優(yōu)勢：①促進地理學研究向著綜合性與復雜性方向發(fā)展。新時代地理學的發(fā)展特征就是需要以綜合性、系統(tǒng)性視角，通過學科交叉、定量模擬等手段，加深對復雜人地系統(tǒng)全面理解[22]。與現實世界相對應的虛擬地理空間構建過程本身就是對地球系統(tǒng)認識、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。②提供時空統(tǒng)一的虛擬空間以支撐數字地球與智慧社會建設所需的資源整合。虛擬地理環(huán)境是真實地理環(huán)境的共存體，面向真實地理環(huán)境的時空觀將為虛擬地理環(huán)境統(tǒng)一時空框架提供參考。針對不同尺度的地理問題，將海量資源整合到統(tǒng)一的虛擬時空框架下，構建相應的虛擬場景，開展動態(tài)模擬分析，并實現統(tǒng)一時空下的尺度轉換，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。③支撐超越現實的協同探索。當下，復雜問題的求解越來越對協作式工作提出需求，復雜地理問題的協作式求解與探索也迫在眉睫?；谔摂M空間開展基于網絡的地理問題研究，突破時空約束，其開放性為多學科、多領域的全球變化研究者乃至決策者提供了分布式協同合作的機會。

經歷了萌芽期(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)境已經逐步得到認可。例如：①國內外諸多大學和研究機構都已經設立了相關的專業(yè)，如英國的倫敦大學學院，美國的加州大學圣芭芭拉分校、賓州州立大學等，國內如中國科學院遙感與數字地球研究所、武漢大學、南京師范大學、西南交通大學、解放軍信息工程大學、福州大學等。②虛擬地理環(huán)境已經被收錄進國內外諸多詞典，如《國際地理大辭典》、《現代地理科學詞典》、《中國大百科全書》等。③國家自然基金委已經將“虛擬地理環(huán)境與增強現實”列為研究方向，每年直接以虛擬地理環(huán)境為題的基金申請均達到7—8項左右。④據不完全統(tǒng)計，目前國內外期刊上，與虛擬地理環(huán)境直接相關的論文已經有300多篇，特別是2010年后，越來越多的國外著名專家與學者(如Michael Goodchild[23],Milan Konecny[24]，Paul Torrens[25]等)，都開始發(fā)表虛擬地理環(huán)境相關文章，體現了虛擬地理環(huán)境在國際范圍越來越得到認可；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灣省發(fā)行，另一部被翻譯為俄文、捷克文)，相關專著近10部，《虛擬地理環(huán)境導論》一書幾易其稿，也即將面世。⑤自2001年起，已經舉辦了6次虛擬地理環(huán)境中文學術研討會，3次國際會議，10多次國際會議專題討論。

可以看到，進入到地理大數據時代，或者可以稱之為大地圖時代的今天，人機物三元世界融合的地理環(huán)境理解需要更為直觀的手段，而地理知識共享、地理規(guī)律挖掘則代表了當前時代的新追求。虛擬地理環(huán)境的發(fā)展，一方面需要堅持地理本征與地理特色，圍繞地理環(huán)境及其特點展開研究；另一方面需要快速接入及吸收地理大數據、人工智能(AI)、虛擬現實(VR)/增強現實(AR)/混合現實(MR)等技術，結合地理模擬與分析手段，以支持面向地理環(huán)境的高級地理感知與探索[26]。當下，以地理知識共享為核心的地理知識工程正在從以“地圖數據庫為核心”的模式轉變?yōu)橐浴暗貓D數據庫和地理過程模型庫為雙核心”的新模式[27]，以這個“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系的“帶寬”，使得地理知識的共享更加便利，地理規(guī)律的探索更加深入，從而展示了虛實互濟、協同發(fā)展的時代新特征。