國(guó)內(nèi)虛擬地理環(huán)境研究綜述

史瑋玥 張春曉

( 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)信息工程學(xué)院，100083，北京 )

1 前 言

自人類文明誕生開(kāi)始，人類就開(kāi)始探索、了解地理環(huán)境[1].在這一過(guò)程中，用于表達(dá)、描述地理環(huán)境的工具隨著人類科技的進(jìn)步也在不斷進(jìn)化，從文字表達(dá)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(shù)[2]，人類對(duì)地理環(huán)境的表達(dá)越來(lái)越接近真實(shí)環(huán)境，對(duì)地理知識(shí)的理解也越來(lái)越全面.但隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展與普及，人們對(duì)地理知識(shí)的需求量明顯增加，對(duì)知識(shí)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(xué)工作者分析與共享地理過(guò)程與空間現(xiàn)象、進(jìn)行數(shù)據(jù)的三維可視化表達(dá)、多用戶協(xié)同的分布式虛擬環(huán)境系統(tǒng)[4]，是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界模擬分析、讓地理數(shù)據(jù)更好的應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)時(shí)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(guān)理論體系逐步完善，相關(guān)研究文獻(xiàn)與應(yīng)用實(shí)例也逐年增多.中國(guó)學(xué)者作為虛擬地理環(huán)境這一研究方向的提出者積極開(kāi)展相關(guān)研究，不斷推動(dòng)這一研究方向的發(fā)展，為完善虛擬地理環(huán)境學(xué)科體系做出貢獻(xiàn)，使得該研究方向越來(lái)越得到國(guó)際學(xué)者的關(guān)注和認(rèn)可[6，7].因此，對(duì)中國(guó)學(xué)者已有成果進(jìn)行總結(jié)歸納，對(duì)本研究方向的發(fā)展有很好的參考性.本研究采用文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)理論和信息可視化技術(shù)，基于1999-2019年我國(guó)學(xué)者對(duì)于虛擬地理環(huán)境研究的論文，對(duì)該研究的發(fā)展過(guò)程與熱點(diǎn)前沿進(jìn)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(diǎn)，為該領(lǐng)域的相關(guān)學(xué)者提供參考.

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1數(shù)據(jù)來(lái)源本研究通過(guò)主題詞檢索的方式確定數(shù)據(jù)源，數(shù)據(jù)庫(kù)源自“中國(guó)學(xué)術(shù)期刊網(wǎng)絡(luò)出版總庫(kù)”， 檢索主題為“虛擬地理環(huán)境”，時(shí)間跨度為1999-2019年，檢索時(shí)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(guān)文獻(xiàn) (表1).本文對(duì)文獻(xiàn)中主題詞或關(guān)鍵詞中的近義詞、泛義詞進(jìn)行了適當(dāng)刪減，以避免影響分析效度.

2.2研究方法本研究運(yùn)用知識(shí)圖譜分析法對(duì)檢索出的1 482篇文獻(xiàn)進(jìn)行分析.知識(shí)圖譜分析法是內(nèi)容分析方法的一種，它結(jié)合應(yīng)用數(shù)學(xué)、信息科學(xué)、信息可視化技術(shù)、計(jì)量學(xué)引文分析等學(xué)科或技術(shù)，利用可視化圖譜，把復(fù)雜的知識(shí)領(lǐng)域通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘、信息處理、知識(shí)計(jì)量和圖形繪制顯示出來(lái)，從而可以形象展示學(xué)科的發(fā)

表1 相關(guān)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)

展歷史、核心結(jié)構(gòu)、前沿領(lǐng)域、整體知識(shí)架構(gòu)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(luò)的程序，可用于探討科學(xué)文獻(xiàn)可視化的模式和發(fā)展趨勢(shì)[9],該軟件能夠顯示特定研究領(lǐng)域在一定時(shí)期發(fā)展的趨勢(shì)與動(dòng)向，是近年來(lái)在科學(xué)計(jì)量學(xué)中最具特色和影響力的可視化軟件之一[10].本研究運(yùn)用CiteSpace 軟件對(duì)國(guó)內(nèi)虛擬地理環(huán)境研究的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行科學(xué)計(jì)量，繪制知識(shí)圖譜，并從虛擬地理環(huán)境的發(fā)展過(guò)程和當(dāng)下的研究熱點(diǎn)兩個(gè)方面，對(duì)虛擬地理環(huán)境相關(guān)文獻(xiàn)的發(fā)文量、主題、高被引文獻(xiàn)及關(guān)鍵詞進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析.

3 虛擬地理環(huán)境研究的文獻(xiàn)計(jì)量分析

本文基于文獻(xiàn)計(jì)量分析方法，首先從時(shí)間維度上，就研究規(guī)模和研究主題進(jìn)行分析，探究虛擬地理環(huán)境這一方向的發(fā)展演變過(guò)程；進(jìn)而進(jìn)行高被引文獻(xiàn)和關(guān)鍵詞分析，探討虛擬地理環(huán)境當(dāng)前研究的熱點(diǎn)和前沿，指出研究的熱點(diǎn)問(wèn)題與發(fā)展方向.

3.1發(fā)展過(guò)程

3.1.1 研究規(guī)模不斷增長(zhǎng) 發(fā)文量的變化情況是衡量學(xué)科發(fā)展的重要指標(biāo)，可以反映學(xué)科領(lǐng)域所處的研究階段，并幫助預(yù)測(cè)其發(fā)展趨勢(shì)[11].我們統(tǒng)計(jì)了從1999年至2019年年發(fā)文量并進(jìn)行曲線擬合(R2=0.92)(圖1)，可以看出，虛擬地理環(huán)境相關(guān)研究的發(fā)文量隨著時(shí)間推移呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，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(shì)分為兩個(gè)階段：1999-2008年，發(fā)文量逐步上升且上升幅度大，這一時(shí)期是虛擬地理環(huán)境概念誕生和理論體系形成的時(shí)期，因此各種思路想法較為活躍[12-14]，相關(guān)理論快速發(fā)展并受到廣泛關(guān)注；2009-2019年，發(fā)文量呈波動(dòng)趨勢(shì)，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(zhǔn)且有緩慢上升的趨勢(shì)，該階段虛擬地理環(huán)境的研究主要集中在實(shí)現(xiàn)方法[15，16]以及與其它行業(yè)相結(jié)合的應(yīng)用實(shí)例[17-19]方面.這一時(shí)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(rèn)知基本一致.

圖1 相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)量逐年變化趨勢(shì)

3.1.2 研究主題不斷演變 在CiteSpace軟件中，通過(guò)時(shí)區(qū)視圖(timezone)可以直觀展現(xiàn)領(lǐng)域文獻(xiàn)的更新與相互影響傳承關(guān)系，突出一段時(shí)間內(nèi)的研究熱點(diǎn)，進(jìn)而反映領(lǐng)域研究熱點(diǎn)的變化[20].結(jié)合上一節(jié)對(duì)發(fā)文量的研究與圖2，本文發(fā)現(xiàn)虛擬地理環(huán)境領(lǐng)域在研究初期階段(1999-2008)主要研究方向?yàn)樘摂M地理環(huán)境的認(rèn)知、概念與理論方法，這一時(shí)期的關(guān)鍵詞如地理信息系統(tǒng)、DEM、虛擬現(xiàn)實(shí)等，其特點(diǎn)在于詞頻高且應(yīng)用時(shí)間跨度大，是虛擬地理環(huán)境理論的基礎(chǔ).隨著技術(shù)的不斷突破，虛擬地理環(huán)境開(kāi)始由理論向?qū)嶋H運(yùn)用過(guò)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(duì)象關(guān)鍵詞；同時(shí)，隨著智能感知、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等新興信息技術(shù)的迅速發(fā)展，虛擬地理環(huán)境研究也充分吸收利用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)處理等技術(shù)，發(fā)揮自身可視化方面的優(yōu)勢(shì)，助力信息分析提取，因而大數(shù)據(jù)等技術(shù)逐漸成為研究主題[3,21].

圖2 國(guó)內(nèi)虛擬地理環(huán)境研究趨勢(shì)知識(shí)圖譜

3.1.3 發(fā)展進(jìn)程分析 在對(duì)虛擬地理環(huán)境研究規(guī)模與研究主題變化進(jìn)行計(jì)量分析后，我們對(duì)虛擬地理環(huán)境發(fā)展過(guò)程進(jìn)行進(jìn)一步梳理，發(fā)現(xiàn)虛擬地理環(huán)境相關(guān)文章的發(fā)文量的擬合曲線(圖1)與“技術(shù)成熟度曲線”趨勢(shì)[22]高度契合.技術(shù)成熟度曲線將技術(shù)發(fā)展分為技術(shù)萌芽、期望膨脹、泡沫破裂低谷、穩(wěn)步爬升恢復(fù)、生產(chǎn)成熟五個(gè)時(shí)期，可以幫助人們整體把握技術(shù)發(fā)展態(tài)勢(shì)，客觀評(píng)估技術(shù)成熟度[23].結(jié)合“技術(shù)成熟度曲線”相關(guān)理論[24]，我們對(duì)虛擬地理環(huán)境發(fā)展的兩個(gè)階段進(jìn)行了進(jìn)一步分析：1999-2008年，研究規(guī)?？焖贁U(kuò)大，這一時(shí)期對(duì)應(yīng)著技術(shù)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(guān)注，公眾對(duì)其抱有較大期望，這一時(shí)期的研究主題主要集中在虛擬地理環(huán)境理論上，通過(guò)不斷融合、吸收其他學(xué)科的理論和技術(shù)，虛擬地理環(huán)境概念逐步明確，基本理論、結(jié)構(gòu)功能也初具輪廓[25-27]，但由于受多源、多尺度、異構(gòu)數(shù)據(jù)的局限性和不兼容性，真三維表達(dá)的真實(shí)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(shí)現(xiàn)階段邁進(jìn)，導(dǎo)致公眾對(duì)技術(shù)的關(guān)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(duì)應(yīng)著技術(shù)成熟度曲線的“泡沫破裂低谷期”，但隨著技術(shù)的發(fā)展，VGE獲得更成熟的研究，被保留下來(lái)的技術(shù)與理念也逐步投入到實(shí)踐應(yīng)用中，從而產(chǎn)生了一定數(shù)量的實(shí)例應(yīng)用，如易思蓉等學(xué)者[29]設(shè)計(jì)了基于虛擬地理環(huán)境的鐵路數(shù)字化選線設(shè)計(jì)系統(tǒng)，借助建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)技術(shù)構(gòu)建了鐵路構(gòu)造物基元，從而能方便、快捷地實(shí)現(xiàn)線路設(shè)計(jì)；楊玉蓮等[30]基于OpenSim和SketchUp軟件構(gòu)建了云南師范大學(xué)虛擬校園.虛擬地理環(huán)境研究再次受到廣大學(xué)者與社會(huì)的重視，面向各個(gè)領(lǐng)域的產(chǎn)品開(kāi)始逐漸涌現(xiàn)[31-33].我們認(rèn)為，虛擬地理環(huán)境現(xiàn)在還處在技術(shù)成熟度曲線的第四階段，實(shí)踐成果相對(duì)較少，且其重要支撐技術(shù)如智能感知、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等仍在快速發(fā)展階段[26,34，35]，但可以預(yù)測(cè)虛擬地理環(huán)境領(lǐng)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(guò)程中，成為人類生活的重要組成部分[3].

3.2研究熱點(diǎn)與前沿

3.2.1 高被引文獻(xiàn)分析 通過(guò)分析本領(lǐng)域高被引論文，可以探討該研究領(lǐng)域的發(fā)展態(tài)勢(shì)和研究熱點(diǎn)[20].表2列出了我國(guó)虛擬地理環(huán)境研究領(lǐng)域被引頻次排名前十的文獻(xiàn).從表中可以看出，文章研究?jī)?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(xiàn)模式[20]，該類文獻(xiàn)對(duì)虛擬地理環(huán)境領(lǐng)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(xiàn)均刊登在《測(cè)繪學(xué)報(bào)》上，說(shuō)明該期刊較早關(guān)注虛擬地理環(huán)境研究領(lǐng)域.此外，高被引文獻(xiàn)發(fā)表年份基本處于2000-2005年間，這一時(shí)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(guó)內(nèi)虛擬地理環(huán)境研究高被引文獻(xiàn)

3.2.2 關(guān)鍵詞分析 關(guān)鍵詞是作者對(duì)文章內(nèi)容的凝練，高頻關(guān)鍵詞常被認(rèn)為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[36].本文統(tǒng)計(jì)了高頻關(guān)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(guān)鍵詞分析功能，繪制虛擬地理環(huán)境研究的關(guān)鍵詞分布圖譜(圖3).圖中每個(gè)方型節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)關(guān)鍵詞，節(jié)點(diǎn)的大小代表該關(guān)鍵詞出現(xiàn)的頻率，節(jié)點(diǎn)越大，則說(shuō)明該方向是虛擬地理環(huán)境研究領(lǐng)域的熱點(diǎn).由圖3、表3可以看出，虛擬現(xiàn)實(shí)、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(shí)是虛擬地理環(huán)境區(qū)別與過(guò)去信息表達(dá)方式的重要特點(diǎn)，它決定了虛擬地理環(huán)境的研究不局限于地理過(guò)程模擬，還支持嘗試構(gòu)建一個(gè)完整的虛擬世界、給人以現(xiàn)實(shí)生活中無(wú)法體驗(yàn)的真實(shí)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(chǔ)；可視化是虛擬地理環(huán)境功能實(shí)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(guò)程中重要的對(duì)比對(duì)象[2,39]，也是虛擬地理環(huán)境功能思想的重要來(lái)源之一[40].

圖3 VGE研究關(guān)鍵詞分布圖譜

3.2.3 研究熱點(diǎn)分析 為對(duì)研究熱點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)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(guān)鍵詞進(jìn)行細(xì)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(lái)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?jī)?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(diǎn)之一[27,41,42].值得強(qiáng)調(diào)的是，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方式與數(shù)據(jù)中的信息挖掘、地理問(wèn)題分析密切相關(guān)，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(chǔ)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(shí)現(xiàn)也是研究熱點(diǎn)之一[43].虛擬地理環(huán)境建設(shè)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(yù)測(cè)地理環(huán)境變化[12]，因此地理模型的構(gòu)建至關(guān)重要[43]，針對(duì)建模的方法理論、開(kāi)發(fā)工具也在快速更新[44,45,46].表達(dá)環(huán)境是用戶與系統(tǒng)交互的窗口，實(shí)現(xiàn)了虛擬地理環(huán)境超越現(xiàn)實(shí)的目標(biāo)，讓用戶通過(guò)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(shí)、不人為割裂人地關(guān)系[47]，從而實(shí)現(xiàn)更自然的體驗(yàn)；虛擬環(huán)境的搭建工作量較大，已有研究主要針對(duì)特定對(duì)象或環(huán)境進(jìn)行，如虛擬環(huán)境的地標(biāo)[48]、陰影[49]以及災(zāi)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(shí)間或不同時(shí)間內(nèi)對(duì)地理空間現(xiàn)象的協(xié)作探索與認(rèn)知過(guò)程[52]，是在人與虛擬環(huán)境實(shí)現(xiàn)交互的前提下，不同用戶之間的協(xié)同，需要系統(tǒng)對(duì)地理分析任務(wù)進(jìn)行分解、分派與傳輸，構(gòu)建分布式虛擬地理環(huán)境協(xié)同平臺(tái)[53].

表3 VGE研究高頻詞

表4 VGE研究熱點(diǎn)領(lǐng)域

4 結(jié)論與展望

虛擬地理環(huán)境自提出以來(lái)得到學(xué)者們的廣泛關(guān)注，隨著技術(shù)的發(fā)展，該領(lǐng)域也逐漸產(chǎn)出大量成果.本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)虛擬地理環(huán)境相關(guān)研究文獻(xiàn)的歸納和分析，探討這一研究領(lǐng)域的發(fā)展歷程、研究熱點(diǎn)等問(wèn)題，為這一方向的進(jìn)一步發(fā)展提供參考.

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

從研究?jī)?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(shù)框架等.這表明虛擬地理環(huán)境研究是基于地理科學(xué)理論發(fā)展提出的，有其理論基礎(chǔ)和方法體系，這是虛擬地理環(huán)境研究方向生命力的基礎(chǔ).在理論方法研究的基礎(chǔ)上，當(dāng)下的研究熱點(diǎn)主要集中在技術(shù)層面上的突破，包括數(shù)據(jù)層面上數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、共享，建模方面三維模型建立、三維可視化方法、動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)建模與交互式、分布式虛擬環(huán)境的研究等.同時(shí)，與新興技術(shù)如物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)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(dāng)前研究熱點(diǎn)，可以發(fā)現(xiàn)虛擬地理環(huán)境研究是理論與技術(shù)并進(jìn)，方法體系與實(shí)例應(yīng)用共同發(fā)展、互相促進(jìn)的發(fā)展現(xiàn)狀.但是兩者的結(jié)合有待進(jìn)一步加強(qiáng)，即理論指導(dǎo)應(yīng)用研究，應(yīng)用研究實(shí)踐和驗(yàn)證理論方法，以推動(dòng)這一方向的發(fā)展.

綜上所述，虛擬地理環(huán)境領(lǐng)域未來(lái)將進(jìn)入一個(gè)平穩(wěn)較快的發(fā)展時(shí)期，預(yù)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(shí)，將更關(guān)注虛擬地理環(huán)境在地理過(guò)程多領(lǐng)域的系統(tǒng)平臺(tái)搭建與應(yīng)用，增強(qiáng)系統(tǒng)平臺(tái)的專業(yè)性和實(shí)用性；針對(duì)復(fù)雜地理問(wèn)題求解，模型和系統(tǒng)集成方法與技術(shù)也會(huì)緊跟時(shí)代發(fā)展，愈加豐富多樣，其應(yīng)用會(huì)更貼近人類生活，服務(wù)人類生活.