虚拟地理环境研究概况

杨秀英 韩晨

摘 要：虚拟地理环境的基础是虚拟现实技术和混合现实技术，虚拟地理环境是人类探索自然过程中，形成的一种用于认识自然、模拟自然的科学方法和技术。文中介绍了虚拟现实、混合现实和虚拟地理环境的概念，阐述其差异与区别，论述其发展趋势。

关键词：虚拟现实;混合现实;虚拟地理环境

虚拟现实是人们通过计算机对复杂数据进行可视化与交互操作的一种全新方式，与传统的视窗操作相比，虚拟现实在技术上有了质的飞跃。如果将虚拟现实的三维显示和交互操作能力应用到虚拟地理环境中，将为地上地下统一建模、三维空间分析以及三维动态过程模拟等研究提供新的研究手段，同时也为不可见地理现象的三维立体表达、地理数据可视化开辟了一个新的研究方向。

1 概念

1.1 虚拟现实

虚拟现实（VR：Virtual Reality）是对现实或虚幻现实的仿真模拟，它可以追溯到20世纪50年代，当时人们设想把数字信息以直观的图形表示在计算机屏幕上。到60至70年代，工程师试图为飞行员和宇航员设计仿真模拟环境，让他们进行类似真实情景的模拟操作。到80年代，虚拟现实技术大量应用在电子游戏上。到90年代，大容量存储器CDROM的出现和桌面系统性能的提高，为虚拟现实提供了广阔的应用前景。目前，虚拟现实已逐渐成为主流。虚拟现实可定义为：软件、硬件（头盔、数据手套、三维鼠标、数据库等）和参与者共同组成的一个计算机环境。在硬件方面，需要以下几类设备的支持，即：跟踪系统、触觉系统、音频系统、图像生成与显示系统和高性能计算机处理系统。软件方面，主要是提供一个能产生和管理虚拟信息空间的工具集。这样在高性能计算机软硬件和各类传感器的支持下，创建一个能让参与者具有身临其境感，且具有完善的交互能力的虚拟现实系统。

1.2 混合现实

若将现实世界和虚拟世界分别作为两端，位于它们中间的被称为混合现实（MR：Mixed Reality）。混合现实同时考虑真实的现实世界与计算机图形构模的虚拟世界，并将现实世界和虚拟世界进行无缝合成。其中，靠近现实世界的是扩展现实（增强现实、扩张实境，AR：Augmented Reality），靠近虚拟世界的则是扩展虚拟（扩增虚境，AV：Augmented Virtuality）。

扩展现实，是一种利用计算机虚拟的三维图像对真实场景进行信息增强显示的技术，由于虚拟景物与真实景物无缝地融为一体，所以用户体验与原本真实的物理环境相比，是一致的、自然的，它是对人类感知能力的一种极大拓展。

1.3 虚拟地理环境

虛拟地理环境（VGE：Virtual Geographic Environment）是现实世界的一个概括，是区域自然环境和社会经济环境的虚拟模型，包含数字化的真实地理环境、恢复与复原的过去的地理环境、预测与预报的未来的地理环境，它是虚拟现实和混合现实在地学领域中的应用。

2 差异与区别

虚拟现实，一般是戴上立体显示头盔、数据手套、数据衣等设备，具备沉浸性，追求的是尽可能将人的五官感觉置于计算机系统的控制之下，切断了人们与现实世界的联系。

虚拟环境与虚拟现实的概念，其含义极其相近，在实际使用中没有明显的差别，并经常互相通用，由于虚拟现实的概念涉及哲学本体论，所以计算机科学家采用虚拟环境的概念，以避免哲学上的讨论。

混合现实可以同时保持自身与现实世界和虚拟世界的联系，并根据自身的需要和情境调整上述联系。扩展现实是混合现实中最常见的方面，人们在真实景物和虚拟景物上都可以相互交互。通过交互，可以使真实客观世界原本隐性的信息显性化，这有助于理解和体验到客观世界原来隐藏的、深奥的，甚至根本不存在的信息。

虚拟现实和虚拟地理环境的区别源于观察和研究视角的不同。虚拟现实是从哲学、宗教、文学层面上描述;虚拟地理环境是从地理学、社会学层面上描述，它孕育并存在于虚拟现实中，既强调身临其境之感，但又追求超越现实的理解。

3 发展趋势

3.1 建模技术

虚拟地理环境的建模，不仅是地理事物的表达，还应有地理分析。包含：实体对象建模（树、房屋、桥梁、道路、地形模型等）、地理过程建模（风场、温度场、污染扩散、水流等）、行为建模（城市发展模型、人群疏散、行走模型等）。模型既包括离散模型，也包括连续模型;既有静态的，也有动态的。

3.2 数据的存储、传输、显示技术

面对庞大而复杂的数据量，须加强数据的存储、传输和显示的研究。这些方面将着重研究一体化数据模型、分布式运行环境、无线网络传输、三维多模式多感知的显现与表达等内容。近年来显示方面突出的技术有智能手机和视网膜显示技术等。

3.3 交互与协同

一方面注重人与虚拟地理环境的交互，指人通过语音、文本、鼠标指针等方式与地理事物的交互，增加体验感。另一方面加强人与人之间的交流与互动，内含人的社会活动。

参考文献：

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[3]任秋凌.2015十大科技预言[N].南京日报，2015-1-11（A6）.

[4]谢传节.虚拟地理信息系统数据模型研究[D].中国科学院，2000：20-34.

基金项目：陕西省教育厅科研计划项目 （12JK0485）;陕西省河流湿地生态与环境重点实验室开放基金项目（SXSD1401）;渭南师范学院科研计划育苗项目（14YKP005）;渭南师范学院科研计划育苗项目（15YKP008）;渭南师范学院特色学科建设项目（14TSXK02）。

作者简介：

杨秀英（1982-），女，山西原平人，硕士，讲师，主要从事水文水资源与GIS研究。