虚拟现实技术在地理学中的应用，本文主要内容关键词为：虚拟现实论文,学中论文,地理论文,技术论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
1 虚拟现实技术概述
虚拟现实(Virtual Reality)技术，有时亦称灵境技术，是一门由应用驱动的涉及众多学科的新的实用技术，它集计算机技术、传感与测量技术、仿真技术、微电子技术等为一体，通过创建一个三维视觉、听觉和触觉的环境，使用户利用系统所提供的人机对话工具，同虚拟环境中的物体交互操作，使用户有一种沉浸于其中并有能力漫游世界、操纵世界中的物体的感觉，即仿佛置身于现实环境之中，达到一种境界虚拟，但感觉真实的效果。利用虚拟现实技术，可以使用户进入现实生活中不可能达到的地方，包括遥远的太空、危险环境甚至微观的世界。
一个简单的虚拟现实技术系统的组成可以分成几个部分（注：南京师范大学跨世纪人才基金资助，编号：21176 收稿日期:1998-0511）（图1）。就具体组成一个虚拟现实技术系统的硬件而言，除去一般的鼠标、键盘、显示器、立体声音响器、计算机网络和高性能计算平台之外，还包括构建虚拟现实技术系统必备的一些设备，例如三维空间传感器、跟踪球、三维空间探针、数据手套、头盔显示器、触觉和力度反馈器等；就软件而言，除去一般常用的面向对象的程序设计语言（如C++）之外，还需要一些虚拟现实专用软件，例如Vistapro、Virtual Reality Studio、TrueSpace、Superscape、VREAM、MultiGen等。在这些硬软件的共同支持下，再通过虚拟现实编辑器的相关处理，就使得在虚拟环境中的物体不仅具有立体感和质感（真实感），而且还能改变其大小、颜色、光照、纹理以及不同对象物体之间的相互关系，使用户仿佛置身于现实环境之中。
构建虚拟现实技术系统的目的，从过去只能在计算机系统的外部去观测处理结果到置身计算机系统所创建的环境之中；由过去只能通过键盘、鼠标与计算环境中的单维数字化信息发生交互作用，到能用多种传感器与多维化信息的环境发生交互作用；由过去只能从定量计算结果中得到启发和加深对事物认识，到有可能从定性和定量综合集成的环境中得到感性和理性的认识从而深化对概念的认识和萌发新意。一个虚拟现实技术系统，正是通过虚拟世界对真实世界的替代，从而对人达到一种境界虚拟，但感觉却是真实的效果。
2 虚拟现实技术在地理学中的应用
2.1 虚拟现实技术在地学理论研究以及环境动态变化研究中的应用
虚拟现实技术在地学理论研究中的应用是一些地学模型的建立，例如地震模型[2]等，建立地震模型的目的，是为了研究板块地质构造运动的方式及与地震发生之间的可能关系，通过虚拟现实技术，研究者就能够参与到大量的数据之中去，通过虚拟的经历去感受大量数据所代表真实空间的地质构造运动，而不是全部凭借想象推理去分析各种数据之间的可能关系。虚拟现实技术在环境动态变化研究中的应用，也是通过建立相关的动态演化模型来实现的，例如环境模型[2]，该模型用以研究臭氧消失所带来的影响和在一段时间内全球气候变暖的影响。我国吴峙山等(1993)曾建立关于黄土高原演变的模型[3]。在地学理论研究以及环境动态变化研究中的应用，不是单凭虚拟现实技术所能单独完成的，要达到更好的效果，还要借助于科学可视化(Visualization)的功能，通过二者的有效结合，将大量的统计数据转换成更容易理解的各种图象，研究者再通过虚拟现实系统的人机对话工具进入这些图象之中，从不同的方向和角度来研究认识该虚拟环境，从而较直观地寻找到不同数据之间的空间关系和物理关系。虚拟现实技术在这一领域中的应用前景和价值巨大，其应用领域尚待进一步的发掘、开拓。
虚拟现实技术为加强地理学理论研究提供了技术手段和方法，通过将已有的大量地学数据的建模，可使地学研究者通过所建立的虚拟境界，亲身感受、认识复杂的关于地质、地貌、水文、气象、土壤、植被等数据的空间关系和物理关系，深化对它们内在关系和内部机理的认识。
2.2 虚拟现实技术在城市规划中的应用
虚拟现实技术在城市规划中的应用，始于虚拟现实技术在建筑和工程领域的应用。建筑设计者用CAD工具对建筑物进行设计和建模，然后将产生的数据库变换成一个虚拟现实系统，客户在设计者的引导下通过虚拟现实系统的人机对话工具进入该建筑物的虚拟模型，在虚拟漫游的过程中针对不足之处提出修改意见，所做的任何修改都会自动地记录在系统数据库中，而不必重新输入就可以画出反映各种修改意见的最终图形。因而，产生了虚拟现实技术在城市规划中的应用。城市规划人员将一座城市的道路、居民点、建筑、商业网点等大量信息建成数据库，并变换成虚拟现实系统，然后通过虚拟现实系统人机对话工具进入该虚拟境界，通过规划人员亲身观察和体验，认识、判断不同主导因素作用下各种规划方案的优劣，并辅助最终决策。例如，一座拟议中的大楼如何影响人们的视线、一处居民点应布局在哪里为最佳、某污染企业布局于何处对城市居民生活影响最小。借助于虚拟现实技术，无须规划方案的真正实施，就能先期检验该规划方案的实施效果，即是否能达到社会、经济、生态最佳综合效益，并可以反复修改和辅助最终决策方案的制定施行。
对城市规划而言，要从多方案中选择具有最佳综合效益的一个。如能借助于虚拟现实技术，不仅能优化各种方案的论证方式，而且有着其它方法所不具有的直观、可经历的特点，同时还可以节约规划时间，提高效率。虚拟现实技术在城市规划中商业应用的前景广阔。
2.3 虚拟现实技术在旅游中的应用
虚拟现实技术在旅游中的应用，目前是一些桌面虚拟现实游戏。这些虽然还不是完全投入式的，但有很高的交互程度。当启动游戏程序时，游戏者可以第一人称的身份通过计算机屏幕上的窗口进入虚拟境界，并参与其中。“旅行者计划”是Presto Studios开发的一种时间旅行游戏[2]，游戏者通过虚拟现实技术系统所提供的人机对话工具（接口），可以实现在虚拟境界中的旅行。“神秘”是Broderbund开发的另一种旅行游戏[2]，该游戏设置了一个名为乌托邦的虚拟国家，该国有着数不清的建筑奇迹隐藏在神秘的地方，游戏者通过人机对话接口进入该国，不仅会有各种离奇的经历，而且必须竭力发现秘密入口，侦破秘密电码本，然后找到看不见该国住宅的原因。这些虚拟旅游游戏不仅使得参与者有着各种不同的个人经历、体验，而且还能从该虚拟环境中饱览美丽的山水风光和人文景观，给虚拟旅游者以美的享受，类似的旅游探险游戏还有Drew Pictveres公司的Iron Helix、Disneg公司的Stunt Island等[4]。这些桌面虚拟现实游戏虽不是真正意义上的虚拟现实技术在（实际）旅游中的应用，但它为虚拟现实技术在旅游中的实际应用提供了极为有益的、富有启发性的思路。例如，通过对现有旅游景观的虚拟旅游可以起到预先宣传、扩大影响力和吸引游客的作用，还能够在一定程度上满足一些没有到过该旅游景点或是没有能力到该旅游景点的游客的游览和审美的需求，例如故宫虚拟旅游、异国风情游等；虚拟旅游，还能够再现已不存在的旅游景观或是即将不复存在的旅游景观，满足一些人好奇的心理和给人们怀旧心理上的抚慰均有作用，例如对于原三峡风景区的虚拟旅游，通过虚拟现实技术，利用原有的从航片、卫片得到的数据和实测数据建成地形地貌模型库，再复合以人文景观信息。在三峡埙区建成之后，通过虚拟现实技术使得原有雄壮美丽的库区自然、人文景观得以另一种方式的保存，使后人能够通过虚拟旅游的方式重新游览这一奇异旅游景观。
3 讨论与展望
地理学经过古代地理学、历史地理学二个发展阶段之后，进入了现代地理学阶段，现代地理学固然较其前两个发展阶段而言无论是研究手段、方法上，还是研究内容上都有了巨大进步，但仍未使得地理学的发展摆脱困境[5]。为了促进地理学发展和实现钱学森教授提出的现代地理学必须是集基础科学、技术科学和工程科学三位一体的科学的目标，地理学必须积极应用新理论、新方法和新技术。古老的地理学与作为现代先进技术的虚拟现实技术的结合则是一个必然的趋势。虚拟现实技术只有在包括地理学在内的众多领域中得到广泛应用，它的研究、应用才具有真正的价值；地理学借助虚拟现实技术武装自己，不仅能更好地提高理论研究水平，还能更有效地为国民经济的可持续发展出力，实现地理学理论、应用之间的互动式发展。
地理学应用虚拟现实技术有着现实的可能性。就构建一个虚拟现实技术系统而言，其所必需的硬软件条件已经具备，例如在一台个人PC机上安装上Vistapro for windows，再配以跟踪球和I,CD眼镜等价格较低的输入、输出设备，即可达到构建一个简单虚拟现实技术系统的目的；而对构建一个要求精度高且复杂，可以把多种数据库（如地形地貌数据库、物体形象数据库）、多种GIS软件、CAD软件进行调用和互联的虚拟现实技术系统来说，一台SGI公司的OCTANE图形工作站，安装上由Software Systems公司开发的具有强大建模功能的MultiGen，再配以数据手套、头盔显示器等输入、输出设备，即可达到此目的。
从虚拟现实技术在地理学中实践可知，首先是深化已有的应用研究成果；其次是开辟新的研究领域，例如美国国防部的SIMNET、CCTT等虚拟现实技术系统的地形模型数据库中，都记录有与真实环境有关的地形地貌信息[1]，如能将类似的虚拟现实技术系统用于地理教学，将会收到许多意想不到的效果。借助虚拟现实技术，将山川河流等相关地形地貌信息建成模型库，再通过虚拟现实系统的人机对话工具，使得受教育者能亲身领略祖国山川河流的壮美，在获得知识的同时，得到美的感受和启迪。
为了实现虚拟现实技术在地理学中的广泛应用，应全面系统地了解虚拟现实技术及其相关的应用现状，同时熟悉包括Vistapro等在内的各种软硬件，并尽可能地跟踪虚拟现实技术的新进展和发展热点，从中获得启示，以不断开辟新的研究领域和研究方向。
虚拟现实技术作为一门新兴的高新技术，虽然潜力巨大、应用前景广阔，但是未能成为计算机主流产品的主要障碍在于其复杂性和价格。这些障碍正在消失，在相关硬软件性能不断增强的同时，其价格在不断下降；由于国防、航空等事业建设的需要，世界许多国家都在加大对虚拟现实技术研究、应用的投入；再加之信息高速公路的快速发展，可以预见在不远的将来，虚拟现实技术必将在地理学中取得更广泛、更深入的应用，并为地理学带来重大的变革。