有无相生 虚实互济——虚拟地理环境研究20周年综述

林 珲，朱 庆，陈 旻

1. 香港中文大学太空与地球信息科学研究所，香港 沙田； 2. 西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川 成都 611756； 3. 南京师范大学虚拟地理环境教育重点实验室，江苏 南京 210023； 4. 江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心，江苏 南京 210023

虚拟地理环境作为新一代地理学语言[1-2]，自1998年在一次学术会议上的非正式提出，发展至今已经经历整整20年。其间，从理念初现到架构明晰，从争议颇多到杂然相许，虽谈不上一路艰难，却也九转而成丹。

启发于陈述彭先生的地学信息图谱[3]及Michael Batty教授的虚拟地理学[4]，提出虚拟地理环境的初衷就是借助虚拟世界(信息世界)，增强对真实世界(物理世界、人文世界)的感知、理解与研究，从而帮助推动真实世界的改造与发展[35]。面向此需求，以地理数据库为核心的传统GIS系统在这方面显然力有未逮：仅有大量数据，没有深度分析手段，将无法及时消化数据，甚至消耗和浪费大量计算和存储资源；仅有系统操作工具，没有符合人类认知习惯的易感知手段，也难以催进认知，提升改造潜能与功效。虚拟地理环境的特征在于将人机物三元融合的地理环境作为天然的研究对象，借助由计算机生成的数字化地理环境，并通过多通道人机交互、分布式地理建模与模拟、网络空间地理协同等手段[4]，以实现对复杂地理系统的感知、认知和综合实验分析[5-6]。基于虚拟对象的种类，可以将虚拟地理环境分为相似与增强的现实地理环境、再现与复原的历史地理环境、预测与规划的未来地理环境[7]。值得强调的是，虚拟地理环境产生于地理环境与虚拟环境，但是其主体是地理环境，主要功能是辅助实现地理环境的感知、认知、理解与探索[8]。地理环境是自然要素(如土壤、水)与人文要素(如人类社会、经济活动)的综合体，承载着地理场景与地理现象，用于表达地理空间分异与格局、地理演化过程及地理要素之间的相互关系。地理环境具备时空局部静态、时空全局动态及系统性的特征；对地理环境的表达与分析，不能仅停留在对于空间分异的描述，而需要对要素及对象的演化过程、相互作用进行描述与分析，从而实现高级地理分析与探索[9-10]。而传统GIS多关注地理空间几何及位置信息，对于语义、要素关系及演化过程的抽象与表达有所欠缺，无法全面描述与解释地理环境。

发展虚拟地理环境，动态变化的地理环境是其必然研究对象，地理数据库与地理过程模型的融合是基本理念，虚拟与模拟成为必要手段，而表达、感知与协同则成为连接虚拟世界与真实世界的桥梁，辅助实现物理世界、人文世界及信息世界的协调与统一。这是虚拟地理环境区别于一般数字城市、虚拟城市，甚至于虚拟游戏的主要特征所在。在此设计理念指导下，同时针对传统GIS在数据支持、时空分析、表达与交互、支持协同工作等方面能力的不足，虚拟地理环境面向地理认知与地理感知，设计了4个功能组成部分，包括了数据环境、建模与模拟环境、表达环境、协同环境[11-12]:

(1) 地理数据是地理信息的载体，数据环境为虚拟地理环境的构建提供了数据及信息源。由于地理环境是物质迁移、能量转换、信息传递的发生介质，因此虚拟地理环境的构建不能仅仅停留在对几何数据进行收集与整理的阶段，而应全面考虑对地理环境中对象及现象相关的语义信息、位置信息、几何信息、属性信息、要素关系及演化过程信息进行收集、组织，以形成全息的虚拟地理场景，支持虚拟地理环境的构建[13]。这其中，难点在于面向地理环境构建的多源异构信息及数据整合、统一地理时空框架构建、支撑地理分析的场景数据组织等。

(2) 地理模型是地理规律的抽象与表达，地理建模与模拟是现代地理学研究的重要手段，建模与模拟环境为在虚拟地理环境中开展动态、综合地理分析提供基础工具和实现手段[14]。在地理数据急剧增长形成“地理(地球)大数据”[15]的今天，地理问题及环境分析所欠缺的不是数据，而是有效的地理分析手段；而复杂地理问题的求解，则必须借助多学科合作、协作式探索的模式，以求对综合地理环境的分析与预测。随着网络技术、云计算(边缘计算)等技术的快速发展，网络环境下协作式建模与模拟得到有效支撑，为虚拟地理环境的模拟与分析提供了新的求解模式[16-19]，其难点在于面向复杂问题求解的分布式异构模型的共享、集成与模拟控制等。

(3) 虚拟环境表达是人类感知、认知及理解环境的窗口，表达环境为研究者、普通公众等提供具备不同认知习惯的表达工具集，从而实现环境信息与用户的正向传输。然而，人类感知信息、认知信息的渠道，除了依靠眼睛的视觉之外，还包括了触觉、嗅觉、听觉等多种感知途径。虚拟现实(VR)/增强现实(AR)/混合现实(MR)的快速发展，推动了面向多种感知通道表达技术的发展，但是面向地理环境的特殊性，也就是动态性、综合性、感知有限性(地理环境中有一些信息不可被感知，但确实存在，特定场合下需要被表达与感知，如磁场、电场等)，相关技术还有待完善。其虚拟地理环境表达环境构建的难点在于面向动态地理环境的多尺度、多维度、多感知通道表达策略的设计与实现。

(4) 协同用于实现真实环境及其人、物与虚拟环境及其人、物的相互作用与共同演进，包含了人与人、人与机器、机器与机器的协同。虚拟地理环境并不是独立存在的环境，而是来源于真实地理环境、与真实地理环境协同发展的环境，这其中，真实与虚拟的融合、人与机器的交互、人与人的协作，都是虚拟地理环境协同的一部分[20-21]，有助于虚拟地理环境对于真实地理环境的刻画与交替演进，从而最终达到“有无相生、虚实共济”。显而易见，虚拟地理环境协同环境的构建，其难点在于虚实融合的协同模式及其实现手段。

基于以上概念框架及功能组件的设计，面向地理认知、地理规律发现和虚实融合与协同的基本需求，构建虚拟地理环境至少具有如下几点优势：①促进地理学研究向着综合性与复杂性方向发展。新时代地理学的发展特征就是需要以综合性、系统性视角，通过学科交叉、定量模拟等手段，加深对复杂人地系统全面理解[22]。与现实世界相对应的虚拟地理空间构建过程本身就是对地球系统认识、建模与解释的过程，二者存在必然的依赖性与共生性，相互促进。②提供时空统一的虚拟空间以支撑数字地球与智慧社会建设所需的资源整合。虚拟地理环境是真实地理环境的共存体，面向真实地理环境的时空观将为虚拟地理环境统一时空框架提供参考。针对不同尺度的地理问题，将海量资源整合到统一的虚拟时空框架下，构建相应的虚拟场景，开展动态模拟分析，并实现统一时空下的尺度转换，从而为地理问题求解过程中的信息挖掘与可视化分析打下基础。③支撑超越现实的协同探索。当下，复杂问题的求解越来越对协作式工作提出需求，复杂地理问题的协作式求解与探索也迫在眉睫。基于虚拟空间开展基于网络的地理问题研究，突破时空约束，其开放性为多学科、多领域的全球变化研究者乃至决策者提供了分布式协同合作的机会。

经历了萌芽期(1998—2002年)、持续发展期(2002—2008年)、研究爆发期(2009—2015年)、持续平稳期(2016—)，虚拟地理环境已经逐步得到认可。例如：①国内外诸多大学和研究机构都已经设立了相关的专业，如英国的伦敦大学学院，美国的加州大学圣芭芭拉分校、宾州州立大学等，国内如中国科学院遥感与数字地球研究所、武汉大学、南京师范大学、西南交通大学、解放军信息工程大学、福州大学等。②虚拟地理环境已经被收录进国内外诸多词典，如《国际地理大辞典》、《现代地理科学词典》、《中国大百科全书》等。③国家自然基金委已经将“虚拟地理环境与增强现实”列为研究方向，每年直接以虚拟地理环境为题的基金申请均达到7—8项左右。④据不完全统计，目前国内外期刊上，与虚拟地理环境直接相关的论文已经有300多篇，特别是2010年后，越来越多的国外著名专家与学者(如Michael Goodchild[23],Milan Konecny[24]，Paul Torrens[25]等)，都开始发表虚拟地理环境相关文章，体现了虚拟地理环境在国际范围越来越得到认可；直接以虚拟地理环境命名的中英文专著(编著)2部(其中1部被翻译成繁体中文在台湾省发行，另一部被翻译为俄文、捷克文)，相关专著近10部，《虚拟地理环境导论》一书几易其稿，也即将面世。⑤自2001年起，已经举办了6次虚拟地理环境中文学术研讨会，3次国际会议，10多次国际会议专题讨论。

可以看到，进入到地理大数据时代，或者可以称之为大地图时代的今天，人机物三元世界融合的地理环境理解需要更为直观的手段，而地理知识共享、地理规律挖掘则代表了当前时代的新追求。虚拟地理环境的发展，一方面需要坚持地理本征与地理特色，围绕地理环境及其特点展开研究；另一方面需要快速接入及吸收地理大数据、人工智能(AI)、虚拟现实(VR)/增强现实(AR)/混合现实(MR)等技术，结合地理模拟与分析手段，以支持面向地理环境的高级地理感知与探索[26]。当下，以地理知识共享为核心的地理知识工程正在从以“地图数据库为核心”的模式转变为以“地图数据库和地理过程模型库为双核心”的新模式[27]，以这个“双核心”为特征的虚拟地理环境将极大地增加人脑与电脑之间联系的“带宽”，使得地理知识的共享更加便利，地理规律的探索更加深入，从而展示了虚实互济、协同发展的时代新特征。