国内虚拟地理环境研究综述

史玮玥 张春晓

( 中国地质大学(北京)信息工程学院，100083，北京 )

1 前 言

自人类文明诞生开始，人类就开始探索、了解地理环境[1].在这一过程中，用于表达、描述地理环境的工具随着人类科技的进步也在不断进化，从文字表达到传统地图，再到现阶段地理信息系统(GIS)与遥感技术[2]，人类对地理环境的表达越来越接近真实环境，对地理知识的理解也越来越全面.但随着互联网的快速发展与普及，人们对地理知识的需求量明显增加，对知识表现方式的逼真程度有了更高的要求[3].虚拟地理环境(virtual geographic environment, VGE)是在这一环境下发展出的支持地学工作者分析与共享地理过程与空间现象、进行数据的三维可视化表达、多用户协同的分布式虚拟环境系统[4]，是实现现实世界模拟分析、让地理数据更好的应用于互联网时代的重要手段.

“虚拟地理环境”的概念自1998年提出至今[5]，相关理论体系逐步完善，相关研究文献与应用实例也逐年增多.中国学者作为虚拟地理环境这一研究方向的提出者积极开展相关研究，不断推动这一研究方向的发展，为完善虚拟地理环境学科体系做出贡献，使得该研究方向越来越得到国际学者的关注和认可[6，7].因此，对中国学者已有成果进行总结归纳，对本研究方向的发展有很好的参考性.本研究采用文献计量学理论和信息可视化技术，基于1999-2019年我国学者对于虚拟地理环境研究的论文，对该研究的发展过程与热点前沿进行可视化分析，以期系统全面地掌握虚拟地理环境的研究状况和研究热点，为该领域的相关学者提供参考.

2 数据与方法

2.1数据来源本研究通过主题词检索的方式确定数据源，数据库源自“中国学术期刊网络出版总库”， 检索主题为“虚拟地理环境”，时间跨度为1999-2019年，检索时间为2019年4月13日，检索类型为期刊，检索范围分为全文和主题，共检索到1 482篇虚拟地理环境相关文献 (表1).本文对文献中主题词或关键词中的近义词、泛义词进行了适当删减，以避免影响分析效度.

2.2研究方法本研究运用知识图谱分析法对检索出的1 482篇文献进行分析.知识图谱分析法是内容分析方法的一种，它结合应用数学、信息科学、信息可视化技术、计量学引文分析等学科或技术，利用可视化图谱，把复杂的知识领域通过数据挖掘、信息处理、知识计量和图形绘制显示出来，从而可以形象展示学科的发

表1 相关文献统计

展历史、核心结构、前沿领域、整体知识架构以及它们之间的相互联系[8].CiteSpace是一款基于分析和可视共现网络的程序，可用于探讨科学文献可视化的模式和发展趋势[9],该软件能够显示特定研究领域在一定时期发展的趋势与动向，是近年来在科学计量学中最具特色和影响力的可视化软件之一[10].本研究运用CiteSpace 软件对国内虚拟地理环境研究的相关文献进行科学计量，绘制知识图谱，并从虚拟地理环境的发展过程和当下的研究热点两个方面，对虚拟地理环境相关文献的发文量、主题、高被引文献及关键词进行统计和分析.

3 虚拟地理环境研究的文献计量分析

本文基于文献计量分析方法，首先从时间维度上，就研究规模和研究主题进行分析，探究虚拟地理环境这一方向的发展演变过程；进而进行高被引文献和关键词分析，探讨虚拟地理环境当前研究的热点和前沿，指出研究的热点问题与发展方向.

3.1发展过程

3.1.1 研究规模不断增长 发文量的变化情况是衡量学科发展的重要指标，可以反映学科领域所处的研究阶段，并帮助预测其发展趋势[11].我们统计了从1999年至2019年年发文量并进行曲线拟合(R2=0.92)(图1)，可以看出，虚拟地理环境相关研究的发文量随着时间推移呈增长趋势，发文量由1999年的4篇递增到2019年的97篇.我们将整体发展趋势分为两个阶段：1999-2008年，发文量逐步上升且上升幅度大，这一时期是虚拟地理环境概念诞生和理论体系形成的时期，因此各种思路想法较为活跃[12-14]，相关理论快速发展并受到广泛关注；2009-2019年，发文量呈波动趋势，上升幅度较前一阶段明显下降，在2008-2012年间，发文量短暂下降，但很快回到原水准且有缓慢上升的趋势，该阶段虚拟地理环境的研究主要集中在实现方法[15，16]以及与其它行业相结合的应用实例[17-19]方面.这一时间上的发展历程与林珲等[5]的萌芽期、持续发展期、研究爆发期和持续平稳期的认知基本一致.

图1 相关文献数量逐年变化趋势

3.1.2 研究主题不断演变 在CiteSpace软件中，通过时区视图(timezone)可以直观展现领域文献的更新与相互影响传承关系，突出一段时间内的研究热点，进而反映领域研究热点的变化[20].结合上一节对发文量的研究与图2，本文发现虚拟地理环境领域在研究初期阶段(1999-2008)主要研究方向为虚拟地理环境的认知、概念与理论方法，这一时期的关键词如地理信息系统、DEM、虚拟现实等，其特点在于词频高且应用时间跨度大，是虚拟地理环境理论的基础.随着技术的不断突破，虚拟地理环境开始由理论向实际运用过渡(2009至今)，已有一定成果产生，也伴生出高速铁路、杉木等较为具体的研究对象关键词；同时，随着智能感知、物联网、云计算等新兴信息技术的迅速发展，虚拟地理环境研究也充分吸收利用云计算、大数据处理等技术，发挥自身可视化方面的优势，助力信息分析提取，因而大数据等技术逐渐成为研究主题[3,21].

图2 国内虚拟地理环境研究趋势知识图谱

3.1.3 发展进程分析 在对虚拟地理环境研究规模与研究主题变化进行计量分析后，我们对虚拟地理环境发展过程进行进一步梳理，发现虚拟地理环境相关文章的发文量的拟合曲线(图1)与“技术成熟度曲线”趋势[22]高度契合.技术成熟度曲线将技术发展分为技术萌芽、期望膨胀、泡沫破裂低谷、稳步爬升恢复、生产成熟五个时期，可以帮助人们整体把握技术发展态势，客观评估技术成熟度[23].结合“技术成熟度曲线”相关理论[24]，我们对虚拟地理环境发展的两个阶段进行了进一步分析：1999-2008年，研究规模快速扩大，这一时期对应着技术成熟度曲线的第一、二阶段，虚拟地理环境理论快速发展并受到广泛关注，公众对其抱有较大期望，这一时期的研究主题主要集中在虚拟地理环境理论上，通过不断融合、吸收其他学科的理论和技术，虚拟地理环境概念逐步明确，基本理论、结构功能也初具轮廓[25-27]，但由于受多源、多尺度、异构数据的局限性和不兼容性，真三维表达的真实感和分布式协同交互性等方面的限制[28]，虚拟地理环境难以从概念界定阶段向系统研究实现阶段迈进，导致公众对技术的关注度下降、期望值降低，因而在2008-2012年间出现研究规模缩小现象.这一阶段对应着技术成熟度曲线的“泡沫破裂低谷期”，但随着技术的发展，VGE获得更成熟的研究，被保留下来的技术与理念也逐步投入到实践应用中，从而产生了一定数量的实例应用，如易思蓉等学者[29]设计了基于虚拟地理环境的铁路数字化选线设计系统，借助建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)技术构建了铁路构造物基元，从而能方便、快捷地实现线路设计；杨玉莲等[30]基于OpenSim和SketchUp软件构建了云南师范大学虚拟校园.虚拟地理环境研究再次受到广大学者与社会的重视，面向各个领域的产品开始逐渐涌现[31-33].我们认为，虚拟地理环境现在还处在技术成熟度曲线的第四阶段，实践成果相对较少，且其重要支撑技术如智能感知、物联网、云计算等仍在快速发展阶段[26,34，35]，但可以预测虚拟地理环境领域将逐步走向成熟，更多的参与到数据分析与决策辅助过程中，成为人类生活的重要组成部分[3].

3.2研究热点与前沿

3.2.1 高被引文献分析 通过分析本领域高被引论文，可以探讨该研究领域的发展态势和研究热点[20].表2列出了我国虚拟地理环境研究领域被引频次排名前十的文献.从表中可以看出，文章研究内容主要集中在理论探讨和分析，是典型的早期经典文献模式[20]，该类文献对虚拟地理环境领域理论的提出和传播有着重要作用，也为后期其他研究提供参考与借鉴.其中三篇文献均刊登在《测绘学报》上，说明该期刊较早关注虚拟地理环境研究领域.此外，高被引文献发表年份基本处于2000-2005年间，这一时间段是虚拟地理环境理论高速发展、完善的阶段.

表2 国内虚拟地理环境研究高被引文献

3.2.2 关键词分析 关键词是作者对文章内容的凝练，高频关键词常被认为该领域的研究热点[36].本文统计了高频关键词及其出现频率与出现年份(表3)，并利用CiteSpace软件的关键词分析功能，绘制虚拟地理环境研究的关键词分布图谱(图3).图中每个方型节点代表一个关键词，节点的大小代表该关键词出现的频率，节点越大，则说明该方向是虚拟地理环境研究领域的热点.由图3、表3可以看出，虚拟现实、地理信息(Geographic Information, GI)、可视化、地理信息系统等在虚拟地理环境研究中占有重要位置.其中虚拟现实是虚拟地理环境区别与过去信息表达方式的重要特点，它决定了虚拟地理环境的研究不局限于地理过程模拟，还支持尝试构建一个完整的虚拟世界、给人以现实生活中无法体验的真实感受的环境[37]；地理信息是虚拟地理环境的数据基础；可视化是虚拟地理环境功能实现的决定性因素[38]；地理信息系统是虚拟地理环境理论在提出、完善过程中重要的对比对象[2,39]，也是虚拟地理环境功能思想的重要来源之一[40].

图3 VGE研究关键词分布图谱

3.2.3 研究热点分析 为对研究热点进行进一步的系统分析，我们结合虚拟地理环境的功能组成[28]与CiteSpace中的聚类功能，将关键词进行细化分类(表4).本文发现，虚拟地理环境注重多源数据整合、共享、集成，因此多种多样的数据来源(如卫星数据、航空数据等)是虚拟地理环境的重要研究内容，并且各类数据间的融合、数据的发布也是虚拟地理环境研究的重点之一[27,41,42].值得强调的是，数据的存储方式与数据中的信息挖掘、地理问题分析密切相关，而有别于传统GIS中的二维数据，虚拟地理环境中存储的是三维数据[27]，因此数据模型及其空间分析功能的实现也是研究热点之一[43].虚拟地理环境建设的根本目的是探究地理规律、模拟地理现象、再现与预测地理环境变化[12]，因此地理模型的构建至关重要[43]，针对建模的方法理论、开发工具也在快速更新[44,45,46].表达环境是用户与系统交互的窗口，实现了虚拟地理环境超越现实的目标，让用户通过各种方法(如头盔、手套)参与到虚拟环境中，也让虚拟环境不局限于模拟现实、不人为割裂人地关系[47]，从而实现更自然的体验；虚拟环境的搭建工作量较大，已有研究主要针对特定对象或环境进行，如虚拟环境的地标[48]、阴影[49]以及灾害环境模拟[50，51]等.最后协同环境是指本地或异地人员在同一时间或不同时间内对地理空间现象的协作探索与认知过程[52]，是在人与虚拟环境实现交互的前提下，不同用户之间的协同，需要系统对地理分析任务进行分解、分派与传输，构建分布式虚拟地理环境协同平台[53].

表3 VGE研究高频词

表4 VGE研究热点领域

4 结论与展望

虚拟地理环境自提出以来得到学者们的广泛关注，随着技术的发展，该领域也逐渐产出大量成果.本文通过对国内虚拟地理环境相关研究文献的归纳和分析，探讨这一研究领域的发展历程、研究热点等问题，为这一方向的进一步发展提供参考.

基于文献量分析，本文发现从研究规模变化的角度来看，虚拟地理环境研究经历了快速扩大、短暂缩小，当前进入平稳发展的阶段.同时，文献量的规模变化曲线与技术成熟度发展曲线相一致，可以预测该研究方向有快速发展，规模不断壮大的前景.

从研究内容上看，现有研究成果主要围绕概念方法、理论体系等层面，建立和完善虚拟地理环境的理论体系、技术框架等.这表明虚拟地理环境研究是基于地理科学理论发展提出的，有其理论基础和方法体系，这是虚拟地理环境研究方向生命力的基础.在理论方法研究的基础上，当下的研究热点主要集中在技术层面上的突破，包括数据层面上数据储存、共享，建模方面三维模型建立、三维可视化方法、动态实时建模与交互式、分布式虚拟环境的研究等.同时，与新兴技术如物联网、云计算等的结合也是虚拟地理环境发展的重要方向之一.结合现有研究成果和当前研究热点，可以发现虚拟地理环境研究是理论与技术并进，方法体系与实例应用共同发展、互相促进的发展现状.但是两者的结合有待进一步加强，即理论指导应用研究，应用研究实践和验证理论方法，以推动这一方向的发展.

综上所述，虚拟地理环境领域未来将进入一个平稳较快的发展时期，预期大量研究成果将不断涌现.下一阶段的虚拟地理环境研究在理论方法研究的同时，将更关注虚拟地理环境在地理过程多领域的系统平台搭建与应用，增强系统平台的专业性和实用性；针对复杂地理问题求解，模型和系统集成方法与技术也会紧跟时代发展，愈加丰富多样，其应用会更贴近人类生活，服务人类生活.