虚拟地理环境研究的兴起与实验地理学新方向，本文主要内容关键词为：地理学论文,地理环境论文,方向论文，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。
修订日期：2008-11-05
地理环境是人类赖以生存的自然环境和人文环境的总和。当代地理学主要研究地理环境(地球表层系统)各界面间的物理、化学、生物和人文过程，及多种过程相互作用的机理，探求人类活动与资源环境相互协调与可持续发展的规律。地理学以“格局—结构—过程—机理”的研究思路贯穿始终。但是，地理学传统研究方法大多采用实地现场勘察以及利用地图与资料分析两大类。长期以来，许多地理学的研究只注重把解释性的描述和地理数据表达为报告和地图，而不重视科学技术的全面发展[1]。在近、现代地理学发展历程中，不少地理学家意识到地理学传统研究模式的缺陷。竺可桢曾经强调“加强定性和定量相结合的分析”，黄秉维积极引入新思想、新技术和新方法，开拓了实验地理学研究的新方向，寄希望于把地理学变成一门实验科学[2]。陈述彭提倡采用系统论、信息论、控制论等现代科学方法和现代科技手段(包括地学工程)研究地理系统，并从地球系统科学的高度推动地球信息科学等地理学研究方法的发展[3，4]。20世纪80年代以来，卫星应用、地理信息系统(GIS)、科学计算以及通讯网络的迅速发展，逐渐改变了传统地理学那种满足于静态而脱离地理过程研究的方式，更紧密地与空间分析和过程研究结合起来。最近，Peuquet又提出，GIS中时空信息的多元表达需要从数据驱动转变到综合的概念及理论驱动的方法，需要从形态表达发展到过程表达与模拟，探求能够提供用户之间灵活而全面的互动能力与方式的新一代时空表达、可视化与分析工具[5]。
虚拟地理环境(Virtual Geographic Environments,VGE)是最近几年由地理学与地理信息学的学者们提出的一个跨学科研究的新方向[6-10]。VGE是基于网络的多用户三维虚拟环境，它支持可视与不可视的地学数据表达、未来场景预见、地理协同工作和群体决策，可用于模拟和分析复杂的地学现象与过程，发布地学多维数据，也可用于地理教育、虚拟旅游等人类数字式生活方式。作为新兴的地理信息与知识的集成平台，VGE注重人地关系的理论研究及地理学模型的表达与知识交流，强调科学计算与虚拟实验、三维可视化、人机交融与地理协同在地理现象时空动态发展过程的分析模拟与预测决策中的作用，重视公众参与和地理知识的获取与共享。VGE可提供开展虚拟地理实验的工作空间和平台，帮助人们更好地理解和分析现实地理环境，是地理学研究的新的工具和手段，将有力促进实验地理学研究方法的发展。
1 VGE研究产生的背景
VGE是基于地理模型的虚拟环境系统，是地学工作者表达与描述、研究与分析、获取与共享关于地理过程及空间现象的空间分布、相互作用、演变规律和发展机制的地理知识的多用户分布式三维虚拟地理信息世界[11]。VGE系统有别于其他虚拟环境系统和传统地理信息技术系统，与前者的区别在于VGE系统强调对地理模型功能的支持并实现地理模型库与几何空间数据库的融合；与后者的区别在于VGE系统除支持传统地理信息技术系统的功能之外，还具有其所难以支持的地理模型库管理、地理现象与过程的三维可视、身临其境式人机交互或多用户分布式地理协同的系统功能。可以认为，VGE系统具有以下五大方面的特征：(1)地理模型库与几何模型库集成管理与互操作：即将各类复杂的地理模型集成在统一的平台下并实现模型之间的有机互动；(2)真三维地学可视化：包括表达静态地物的几何模型以及表达动态地理过程的地理模型的真三维可视化；(3)可融入的虚拟交互：用户可以进入虚拟地理世界中，有“身临其境”、“融为一体”之感，而且是VGE的组成部分并可以与虚拟地理世界交互；(4)分布式地理协同：支持来自不同地理位置的地学专家开展同时性的交流讨论、分析决策与合作研究；(5)公众参与：VGE强调具有社会特性的公众参与作用，因此其针对用户不仅仅是专家和专业用户，还有普通大众。
VGE的产生有着深刻的地理科学发展背景，同时也离不开当前飞速发展的计算机技术、信息科技以及社会科学，其发展还与地球系统科学的发展密切相关，最终将服务于全球环境变化和区域可持续发展研究。
1.1 地球系统科学研究的发展需要新的研究手段和信息平台
人类活动正在引起全球范围的重大变化，人类正面临着人口、资源、环境和发展的严峻挑战。这一挑战促使了地球系统科学研究的兴起和发展。全球环境变化与可持续发展是地球系统科学研究的重要内容，需要通过科学方法探索地球上各种自然现象发生、发展的过程，找到其中的关系，模拟和预测地球的过去和未来。为更深入了解地球各部分之间相互作用及其形成过程，发展和增强人类预测未来的因自然因素和人类活动所引起的各种变化的能力，必须利用全球观测技术和建立物理模式和数值模式对地球进行系统性科学研究[12，13]。对地观测技术的迅速发展积累了大量的地球系统各圈层定量的历史演变资料，为地球科学研究提供基础支撑。地球系统科学研究需要对这些资料进行统一规范下的同化、融合和集成。20世纪90年代末，日本以研究全球变化为目的而开发研制地球模拟器(Earth Simulator)并开展一系列模拟研究[14]。地球模拟器提供了大规模计算能力，可以运行水平空间分辨率达10km的全球气候系统模式的数值模拟试验。科学家以地球系统动力学和预测理论研究为基础，借助地球模拟器，通过数值模拟来预测无法进行实验的自然现象，包括整个地球的大气海洋循环预测、全球变暖预测、地壳变动、地震发生等，从而帮助人类进行环境资源管理和适当的经济活动支援，为人类与自然的和谐共存以及人类的可持续发展作出贡献。
因此，地球系统科学研究的发展，需要建立对地球系统观测数据进行分析研究及其结果表达支持的平台，其中，科学计算和虚拟表达是其重要支撑。融合科学计算和虚拟表达特征的VGE的提出，正是顺应了地球系统科学研究发展的需求，并与其相互促进、共同发展。
1.2 地球信息技术快速发展为VGE的兴起提供技术支撑
地球信息技术主要是指运用计算机、信息通信、遥感(RS)、卫星导航定位系统(GNSS/GPS)、地理信息系统(GIS)、管理信息系统(MIS)及数据采集、存贮、集成、分析、共享、虚拟表达技术等手段，为资源、环境、区域、城市管理和发展服务[15]。卫星遥感和导航定位技术快速发展，全天时、全天候的对地观测及地理信息的动态采集，在天文学、地质学、大气科学、海洋学、气象学、资源环境学等领域的研究中，产生了大量的数据、信息、知识、模型，这些资料在为地球信息科技发展提供基础资源的同时，也使之面临着现代地理学研究发展要求地理信息技术不断创新的新课题。GIS的产生使得地理学研究方法向前迈出一大步。GIS为各门涉及空间数据分析的学科提供了新的技术方法。GIS从产生至发展到今天的日益社会化和产业化，不仅成为地理学的重要研究工具与平台，也是地理信息从科研走向社会服务的重要平台工具之一。
地球信息技术的发展和信息科技的发展与成熟密切相关并相互促进。随着科学计算、数理统计、模糊数学、元胞自动机、分形几何等数学科学方法以及通讯、计算机网络、数据库、分布式计算、人工智能、人机交互与虚拟现实等信息科技快速发展并运用到地理科学和地球系统科学研究中，地球信息科技也从不同角度得以不断发展和进步，从而也为集成RS、GPS、GIS(简称“3S”)和虚拟现实等多项技术的VGE的产生和发展提供了技术支撑，对促进用户与地球信息平台以及用户与用户之间的交流互动，用户更加充分地发现、获取、共享、发布地理知识，感受和体验地理环境，都具有非常重要的意义。
1.3 人文社会科学领域需要VGE平台作为研究后现代人类发展趋势的一个窗口
后现代社会以“信息时代”、“知识经济”与“学习型社会”作为其基本特征，实际上已经悄然来临，并迅速而全面地渗透到当代人类社会各个方面。近年来，关于信息时代地理学的研究活动和文献日趋增多。如Batty考虑现代信息技术快速发展对地理学的影响，提出基于信息的“不可见城市”，“赛博空间地理学”以及“虚拟地理学”[16]。
网络本身即是一个虚拟空间。随着网络不断发展，虚拟世界与现实世界逐渐融合，人类传统的生产生活方式受到巨大冲击并正在发生显著变化，人类生活场景呈现出许多后现代社会的形式。日益增多的公众对虚拟环境、虚拟地球、虚拟世界日渐熟悉并参与其中。信息化、网络化、虚拟化后现代社会中学习、工作和生活的新方式如e-旅游、e-教育、e-购物、虚拟社区、虚拟办公室、虚拟银行、虚拟股市、虚拟游戏、虚拟艺术等相继出现并展现强大生机，公众用户群正在迅速扩大。例如，越来越多的后现代人类进入“第二人生”虚拟世界开始其虚拟人生，瑞典政府在其中设立了虚拟大使馆[17]。
后现代媒介传播、后现代教育、后现代文化消费、后现代经济模式以及后现代新人类取向等等的出现，代表了整个后现代人类发展的一些趋势和方向。因此，研究后现代社会经济、政治、法律、文化和人类心理、行为特征及生活方式的人文社会科学领域，自然需要VGE这样一个窗口平台，以便从中了解、探讨和深入研究后现代人类社会的特征及发展趋势和方向。
1.4 VGE产生过程与地理学语言的演变
VGE的产生是在信息科学、地理科学、地球系统科学、计算机科学的发展以及现实应用需求共同作用下产生的，是地理学与地理信息学的学者们在开展地理学研究中感受到GIS等方法的局限后，积极探索与思考的结果[11]。图1表示了从地图到GIS再到VGE的发展过程。
1.4.1 从地图语言发展到GIS语言 著名地理学家巴朗斯基曾说“地图是地理学的第二语言”。充分利用地图进行思考和分析，是地理学与其他学科最重要的不同研究方法之一。早期地理学家把想法展示在地图上，视地图为最主要的研究工具之一，是地理数据的载体。随着地图数据库、现代野外地面测量、数字摄影测量技术以及卫星定位和遥感技术的发展，原始地图的信息获取功能被高效、大容量的现代化工具所取代，进而也促成了现代地图学的产生和发展。地图学与数学方法及现代信息技术的相互结合与作用产生了GIS。GIS成为继地图之后的地理信息载体和平台。陈述彭曾提出“如果说地图是地理学的第二代语言，那么GIS就是地理学的第三代语言”[18]。
1.4.2 GIS的局限及发展新方向 随着人类获取数字化空间数据的手段和能力的不断提高，GIS应用领域的不断拓展，人们对空间信息的获取与处理、地理知识发布与共享、公众参与与协同工作等方面都有了更高的要求。但是，1960年Tomlinson提出“要把地图变成数字形式的地图以便计算机处理与分析”的观点，一直是研究和发展GIS的指导思想。基于制图的传统使得传统GIS基本上只适用于地图处理，基于地图处理的局限使得GIS存在着严重的不足[19]。GIS以地理空间数据为处理核心的设计理念也使得GIS的分析功能主要集中在缓冲区分析、叠置分析、网络分析、空间统计分析等空间几何分析功能，而在地理模型方面的功能匮乏，针对复杂空间系统建模和模拟的能力不足，难以表达和模拟现实世界中大量的具有动态时空变化特征的地理现象和过程。同时，由于相对抽象的(二维)地图是传统GIS主要的表现形式，使之难以支持用户对多态而自然的人机交互和用户界面的需求，以及用户之间在数据共享之外的有关解决方案的讨论与互动。传统GIS的设计思想、体系结构和数据组织已经不能满足目前和将来地理空间信息处理、应用和服务的需要。因此，探索寻求新的平台成为地理信息领域专家学者的研究热点，众多学者从不同角度提出了诸多解决方案。
图1 从地图与GIS到VGE的发展过程-VGE可成为地学信息图谱、信息科技与GIS发展的集成系统
Fig.1 The development process from map and GIS to VGE-VGE can be the integrated system of Geo-informatic Tupu,information technology and GIS
Goodchild和Batty强调GIS应加强除了空间几何分析之外的空间结构、空间自相关分析、空间内插技术以及各种空间模拟模型的功能，注重于分析地理空间的固有特征、空间选择过程及其对复杂空间系统时空演化的影响[20-23]。陈述彭提出的地学信息图谱是在继承地图学研究成果和地图系列比较分析方法基础上，运用当代科学理论和技术发展起来的一种地理时空分析方法论；它应用地学分析的系列多维图解来描述现状，并通过建立时空模型来重建过去和虚拟未来[24，5]。虚拟地图是在数字化地图的基础上利用虚拟现实(VR)和网络技术建立的含有空间属性和其他非空间属性信息的三维地理空间[26]。Faust等进行GIS和VR系统的集成试验，提出虚拟GIS(VGIS)的概念[27]。VGIS把原先在2D-GIS中只占一般地位的3D可视化模块提高到了整个系统的核心地位，把用户与地学数据的三维视觉、听觉等多种感觉实时交互作为系统的存在基础。结合GIS与分布式计算技术的分布式GIS研究和应用正成为新一代GIS的发展方向之一，其强调空间信息的分布式协同计算与处理，以及为使用者提供面向问题的信息获取方式[18]。不少GIS领域与其他领域的专业学者正在研究地理空间数据库与专业模型管理的集成与融合问题[28-30]。Peuquet等寻求支持知识发现的地理数据模型和知识表达方法，研究支持大规模、异构的地理数据挖掘与知识发现的工具和平台[31]。
1.4.3 新一代地理知识平台VGE 随着计算机软硬件、网络、分布式计算、虚拟环境技术的发展和成熟，突出以网络和虚拟为特征的新技术不仅使人类的生存生活方式发生着巨大改变，也大大推动了各个科学领域的研究和应用。新技术时代的地理学研究方法同样出现了新的特征，地图和GIS的新发展均具有网络和虚拟的特征，使得将地理环境放到数字环境中模拟、实验和研究成为可能。当前地理空间数据库与地理模型库的整合是地理信息科学技术研究与应用的关键，是地理知识研究和应用系统与其他系统的区别所在。新一代地理知识平台不仅需要将地学可视化、地学多维图解中的人机交互方式发展为虚拟现实技术中的融入沉浸方式以及多感觉交互方式，还需要网络技术，并实现地理知识模型与地理空间数据库的整合和地理研究工作的协同。VGE研究的兴起和发展正是顺应了这种技术潮流和人类需求的发展。因此，VGE可成为地学可视化、地学信息图谱、信息技术和GIS等结合发展的集成系统，并将促使地理学研究方法和地理学语言的更新换代。
林珲等研究了地理学语言从地图到GIS和VGE的演变过程，指出VGE对现实地理环境的抽象表达具有多维、多视点、多重细节的多模态可视表现，多种自然交互方式，跨时间、空间与尺度的地理协同，支持多感知的空间认知等特点；认为VGE作为新一代地理学语言，其具有的显著特征是以用户为中心，提供最接近人类自然的交流与表达方式[10，32]。这样一个研究、发现、交流和共享地理知识的新的科技支撑平台的产生是可能的，也是必要的。例如，我国现代化治黄方略“三条黄河”(即“原型黄河”、“数字黄河”和“模型黄河”)就提出，所有黄河的重大工程都要先进行数字模拟实验，然后再进行物理黄河实验，最后才到原型黄河[33]。面对全球重大的环境、资源、能源、灾害等问题，从事地学研究的地理信息学家应该为社会提供一个能够感知地理知识和地理现实，亦可以进行地理知识交流和共享的新的平台和语言；借助这个新平台，能够模拟地理现象和过程的时间序列与空间结构演变，能够获取真实地理环境知识，实现虚拟环境和现实环境的融合；这个新平台所展示的是地理信息学家的一种理想：“身临其境的感受，超越现实的理解”[10]。
2 VGE研究进展
2.1 国内研究队伍及相关研究与应用领域
自从中国学者10年前提出VGE研究方向以来，逐渐引起国内外学术界的响应。中国学者积极开展了与VGE相关的研究。国家“863”计划和自然科学基金会均立项开展VGE及其应用领域的研究。中央和地方政府也陆续投入资源，开发针对重大区域发展项目与城市的虚拟地理环境基础系统。这种形势使得国内VGE研究队伍得以迅速成长，如武汉大学的虚拟现实实验室、中科院遥感所VGE创新团队的组建；南京师范大学成立VGE教育部重点实验室。香港中文大学、中科院遥感所、华东师范大学、南京师范大学等大学和科研院所开设了VGE课程、招收VGE相关研究方向的博士研究生。
就国内的研究情况来看，林珲和龚建华通过一系列论文和专著开展了VGE基本理论、技术方法与应用的研究[6-10，11，32，34]。孙九林提出了“资源环境科学虚拟创新环境”概念并建立“地球科学虚拟多维信息空间生成系统”[35]，指出资源环境科学虚拟创新环境是对资源环境系统现实世界的仿真；认为其创建是实现资源环境科学知识创新的重要举措之一。高俊等应用GIS和虚拟现实等技术研究虚拟作战地形仿真环境[36]；徐青开展作为认识太空的手段的虚拟空间环境及其可视化研究[37]；李德仁、朱庆等提出并研究数码城市环境的建立[38]，着重从摄影测量与遥感和GIS的角度论述了三维城市模型的数据内容及其快速获取方法、多种数据的一体化管理与集成应用、海量数据的动态交互式可视化技术；闾国年等研究与开发“没有围墙的GIS实验室”、开展对虚拟时空地理认知的理论、空间三维数据的快速获取与一体化数据模型、图形化地理建模方法、VGE软件平台与系统集成、分布式群体协同与空间决策支持系统等研究[39，40]；陈崇成等研究面向大场景森林景观、林火蔓延的VGE建模与实时绘制技术[41]。吴立新等对于城市地下空间与矿山地下环境的建模与可视化开展了积极的探索[42]。江辉仙等探讨VGE在虚拟城市、虚拟企业和虚拟旅游等方面的应用[43]。
2.2 VGE国内与国际会议和国际研究动态
以VGE为议题的国内与国际学术会议也相继召开，如2001和2002年分别在深圳与北京召开的国内第一、二届虚拟现实和地理学会议、2008年第三届武汉VGE会议；2003年和2008年在香港中文大学召开的第一、二届国际VGE会议。通过这些会议，国内外研究机构就VGE研究进行交流，增进相互了解。中国学者对于国外的研究进展也有了更多的关注，如MacEachren等研究并开发了“协同式地学虚拟环境”、“DAVE_G-对话支持下面向地学信息的可视环境”[44]；Dykes等构建用于地理教学和野外实习的虚拟环境[45]；Illinois大学电子可视化实验室研发出具有沉浸感的CAVE和GeoWall系统[46]，并用于地理科研和教学；Batty等研究虚拟环境下的建模及其在城市规划中的应用[47，48]；Yano等实现虚拟日本京都，再现不同民族节日的场景、道具以及人群服装与行为等古城文化[49]。这些交流又进一步促使国内外相关学者针对虚拟现实与可视化技术和地学结合、虚拟地理实验等方面的相关研究工作的开展和深入。
2.3 政府相关部门对VGE应用的需求及企业界相关软件的开发
政府的规划部门与相关单位顺应这种研究势头，在各自的应用领域开展VGE研究，不少应用系统逐渐开发和运行。目前，VGE系统正被应用到传统GIS的诸多应用领域之中，如城市设计和规划、城市地下空间管理、环境监测、交通管理、地表建模、旅游等方面，为分析和解决这些领域中的问题提供了新的方式和手段，同时又拓展了新的应用，如数字黄河、虚拟旅游、虚拟校园、教学培训、虚拟企业等领域。企业界也相继推出相关软件。Google正式推出基于卫星图片的地图软件Google Earth[50]，Microsoft也相继推出网上产品LiveLocal及虚拟地球Virtual Earth[51]，Linden实验室推出Second Life在线虚拟世界产品[52]；以及伟景行的CityMaker[53]、中视典的VRP平台[54]、北京灵图VRMap[55]等三维GIS和虚拟现实平台的推出，逐渐应用在土壤侵蚀过程模拟、环境化学元素时空变化模拟、风暴移动预测与模拟、水质模型项目、城市规划、文化遗产保护和景观设计等领域。由此可见，作为新一代地理信息技术手段，VGE具有广阔的发展前景。
3 现代实验地理学研究与VGE
3.1 实验地理学研究进展
实验是现代科学发展的重要特征与标志。自20世纪50-60年代，中国地理学家已经认识到实验对于地理科学理论与方法发展的重要性。中国现代地理学的开拓者黄秉维认为，地理学经验性、描述性的研究老路是走不通的，指出地理学的前瞻性发展方向——实验地理学，强调要以物理学、化学和生物学已经证明的规律来观察和研究地理学的对象及这些对象的发生、发展和地域分异；要吸收数学、物理学、化学的知识来建立观测、分析、实验的技术；要运用航空照片判读和航空观测的方法来加速考察工作的进度和精确程度[2]。钱学森将地理科学列为世界现代10个科学技术大部门之一[56]，提出现代地理科学三个层次的学科体系[57]。牛文元进一步提出将地理学的内涵表达为理论地理学、实验地理学与应用地理学的集合[58，59]。马蔼乃认为现代地理科学从技术科学的角度可分为地理观察学、地理测量学、地理实验学、地理计量学、地理信息学[1]。刘东生对黄土高原进行了大量的野外考察和实验分析，研究古环境[60-62]。刘昌明研究地理水文学、水文模型和水文学模拟实验，力推实验地理学研究[63-65]。金德生等对流域水系与水沙过程开展了多项实验研究[66-68]。我国学者的这些思想和实践，展现了实验地理学在地理科学学科中的位置和重要性。
在我国，针对地理环境系统的地理实验和定量研究方面，从实地考察与地理定位观测、到实验室的物理模拟实验以及地理数学建模方法与计算模拟，已经有了长足的发展。建立了大量的野外地理观测台站和野外实验基地，野外定位试验研究从物理、化学、生物的三类自然过程进行[69]。室内试验分析和地理模拟实验研究工作也受到关注，建立了沙风洞实验室、开展孢粉分析研究、应用碳同位素测年等。目前我国的地貌实验站计有30多个，包括流水地貌实验、风沙地貌观测与实验、泥石流观测实验、侵蚀地貌实验等[69-70]。到现在，自然地理学中的模型实验和模型实验室仍然是很多大学以及科研院所进行学科建设时的考虑重点之一。
但是，综合来看，地理实验与实验地理学的发展还比较缓慢，对于地理科学核心基础理论与方法的贡献尚不显著。传统实验地理学采用野外实地实验与室内物理模型实验的研究方法，在针对地理系统这个复杂巨系统研究所具有多维、多尺度、模糊性与不确定性的地理问题中，有着相当程度的局限性。而目前的数学地理建模、遥感信息模型以及计算机的计算与模拟实验方法则纷繁复杂，需要从实验地理学的统一视角来实现有机的集成。
3.2 VGE对于现代实验地理学研究的意义
地理系统是一个复杂巨系统，地理学研究具有鲜明的综合性和区域性。地学问题所具有的多维特征要求研究者需从时间、空间、尺度等多角度进行多维综合探索与处理，才能揭示出新关系，获取新知识。VGE系统融合地理数量方法、地理实验科学和信息科学技术，具有地学科学计算和虚拟表达特征，采用地理模型的知识交流与共享以及地理协同的工作模式，支持对地理现象和过程的发展规律表达和变化机理分析，以全新的地理研究和地理知识应用与互动模式来开展对地理复杂系统的过程研究。因此，VGE的兴起与发展为表达地理过程、获取地理知识、了解地理规律、参与地理问题决策提供了新的平台与有力工具，为地理系统研究提供新的方法与技术。实验地理学的研究方法可从野外考察与观测、室内物理模拟与实验分析和地理数学建模和计算机模拟，拓展到虚拟地理环境平台下的虚拟地理实验(图2)。VGE和实验地理学结合，二者可以互相促进共同发展，对推动地理科学基础理论与应用实践的发展，应能发挥重要作用。
3.2.1 科学计算是实验地理学的重要方法之一 地理数学方法是现代地理科学朝向实验科学方向发展的标志，即现代地理学着重于对地理法则与规律的理论化和数学模型化的研究，将地理环境及其人类活动的相互关系看作统一整体，采用定性与定量相结合的方法，综合运用多种数学方法，建立一系列分析、模拟、预测、规划、决策、调控等模型系统，来解释地理现象的内在机制并预测其未来演变规律。科学计算是利用计算机为解决科学和工程中的数学问题而进行的数值计算。随着计算机技术的发展，科学计算已经和理论分析与实验研究并列为三大科学研究手段。例如，科学计算广泛应用于计算机仿真与模拟，核物理科学家模拟核爆炸实验的全过程；海洋环境科学家模拟海啸的全过程，并通过科学计算可视化方式再现海啸发生时海啸波及邻域海岸的时间与形态。显然，科学计算与可视化是表达地理学规律的重要方法，是地理知识的来源之一，也是实验地理学的重要方法之一。
图2 虚拟地理环境拓展实验地理学的研究方法
Fig.2 VGE extends the research methods of Experimental Geography
3.2.2 虚拟地理实验拓展实验地理学传统的研究方法 虚拟实验是指在计算机与网络支持下的数字与虚拟环境中开展的科学实验。随着信息技术及计算模拟技术的发展，目前虚拟实验在包括生物、化学、物理、人体运动、机械制造等在内的众多研究领域得到了重视并成为研究的热点。但是，由于地理环境的巨系统特性和地学问题的高度复杂性，它在地学中的研究和应用则相对较少。最近几年，随着VGE的提出和相关研究的展开，同时也借鉴虚拟实验在实验经济学、实验医学等其他领域的研究与实践，虚拟实验在地理范畴内的继承、应用和发展，逐渐形成了虚拟地理实验研究新方向。虚拟地理实验是以地理科学数据为基础，通过计算、模拟、可视化，人的实时参与、互动与操控，寻找、验证并建立地理模型，以获取表达地理现象与过程的关系、结构与规律。它既可以与野外定位地理实验、室内物理模型实验相对应、关联与互补，也可以是在现实中很难实施物理实验而可依据某些地理特征、现象与规律虚拟构建的地理实验[70]。它不仅可广泛应用在传统实验地理学聚焦的自然地理研究领域，也日益成为经济地理学以及人文地理学的重要研究方法，例如，龚建华等应用多智能体方法结合虚拟现实技术实现模拟SARS在社区以及医院内的时空传播与控制过程的模拟实验[70]，刘妙龙等利用元胞自动机方法模拟土地利用变化以及城市的扩展[71]。
虚拟地理实验是VGE在地理学研究中的应用和发展。VGE所建立的虚拟地理信息世界，可以成为地理学研究的虚拟实验室。VGE及其中的虚拟地理实验使得地学工作者对于研究区域可进行先期“考察”，甚至可以通过野外分布式传感器网络的支持，“亲临”现实中无法到达的环境(如高温区、地下矿区及深海等)中进行实验，或者实现一些在现实条件中不可能实施的实验；也使得可重复的模拟实验成为可能，其中的地学分析模型均可由不同的人虚拟运行模拟，可受多次检验和相互验证；还可以大大减少实验经费，或者可为减灾决策(例如海啸预警等)提供重要依据；对于保护生态环境方面的意义也是不言而喻的。借助VGE提供的融入交互和地理协同工作环境和实验平台，地理学家可以利用其化身“身临其境”地分析其中所模拟与表达的现实地理环境中的地理现象与过程，进行地理学共同研究、知识发现、交流和决策，从而丰富地理学理论，加速科学知识的创新和积累，更好地为可持续发展的研究和实践作出贡献。
虚拟地理实验应用拓展了实验地理学传统的研究方法。实验地理学与VGE研究相互结合的现代地理实验理论、方法体系以及实验平台，理应成为现代实验地理学研究的重要内容。
3.2.3 VGE作为虚拟地理实验室的发展前景 虚拟地理实验室将VGE与实验地理学研究紧密结合，突出了VGE研究中地理模型的重要性，有助于促使VGE研究在融合信息科技领域诸多技术的基础上，更注重从实验地理学的实验科学和地理科学视角考虑VGE研究对发展地理科学的理论与方法论的推进作用。虚拟地理实验室的建立和发展是目前的研究热点，它对地理研究、地理教育与地理信息应用的普及具有良好的发展前景。
在推进地理科学研究的发展方面，虚拟地理实验室为实验地理学研究提供新的技术方法和实验平台，有助于推动实验地理学的发展。此外，虚拟地理实验室是以可计算人地关系为研究对象，地理空间认知理论和广义地理相似理论为理论支持[72]，因此，它更加注重从不同尺度上研究人地关系，将“人”扩展为多层次主体，并强调对基于“个人”的微观层次上的人地关系的研究，有助于微观地理学的研究；在强调作为主体的人在地理环境中的突出作用的经济和人文地理学研究中也具有广阔的应用前景，可成为社会、经济与人文地理学研究的重要推动力。
在促进现代教育及地理教育与地理信息应用的普及方面，虚拟地理实验室集成计算机网络、虚拟现实和地理信息等技术，不仅可以提供分布式协同虚拟地理教学环境，还对地理教学中的实验环节提供虚拟实验平台支持，对于以研究开放复杂地理系统并强调人的体验学习的地理教学而言，无疑是个理想的辅助教学平台。目前，有不少学者对虚拟现实技术用于地理教学的可能性进行分析[73]，描绘虚拟现实用于地理教学的美好前景[74]，探讨协同虚拟地理教学环境的设计、实现与具体应用[34]，将虚拟地理实验教学引入高校地理教学实践中[75]。此外，作为虚拟地理实验室，VGE不仅为地理学研究者提供新的理论研究视角和科学技术方法，也为公众应用地理空间信息和共享地理知识提供了新的交流模式，这一模式在地理信息应用和地理知识的普及中具有明显的优势，也为当今可持续发展的公众参与提供了新的交流平台。
4 当前VGE研究中的误区与关键问题
作为当前地理信息科技领域研究发展方向之一，目前VGE研究仍处于探索阶段，其间不可避免地存在有一些误区，主要集中在以下三方面：
(1)认为三维几何模型的虚拟环境就是VGE，忽略了其中关键的地理模型的表达和运行。
犹如在GIS发展初期，许多人将没有地图显示的地理坐标文本数据库也称为GIS，而忽略了地理编码数据库与管理信息系统(MIS)的通用数据库的基本区别在于“地理编码”。对于VGE而言，几何模型是VGE的重要基础，但它仍然只是VGE核心的一部分，“地理模型”是VGE新核心的组成要素。VGE研究的目标不在于创建专业领域模型，也不仅仅是研究和实现网络通信、三维可视化等关键技术，而是构建一个集成化的共享地理知识的虚拟环境，其中，搭建地理模型的多维建模环境与运行模式是关键；如果缺乏关键的地理模型，则仅可视为3D可视化系统或3D-GIS，而不足以构成一个VGE系统。
但是，目前针对VGE的研究仍大多集中于VGE本身的物理技术或信息技术的实现，如通讯领域、计算机领域的技术研究上，包括网络架构、分布式计算、三维可视化、仿真、虚拟现实等技术；或者是对专业领域模型的构建上，如大气模型、水文模型、土壤侵蚀模型等。VGE研究应该侧重搭建综合建模环境，重点考虑地理模型的同化方式。VGE的建模同时包含实体对象建模，如树、房屋、桥梁、道路等，地理过程如风场、温度场、污染扩散、水流模型，以及人类行为建模，如城市发展模型、在紧急情况下人们的逃离行为等；其中既包括离散模型，也包括连续模型；既有静态的，也有动态的；要综合考虑、统一构建，做到模型之间的有机结合；同时也要注重人机交互过程中效率问题的研究，即在技术层面上要研究三维动态建模、地学过程模型模拟、实时交互、共享空间和共享操作、分布式协同工作和群体决策等功能实现的高效性。因此，VGE研究应加强各种信息技术与地学模型的结合技术研究，如复杂多样的地理模型在VGE中的表示和集成、专业领域地学过程的动态三维可视化，虚拟地理实验的设计和具体实现等，使VGE真正成为研究地学机理、发现地学知识和规律的有力工具。
(2)认为VGE与野外观测是对立的，是独立于野外工作经验的。
其实，野外观测是VGE的数据与“经验”知识的重要来源和处理基础。VGE的建立，将有效地将野外观测获取的数据融入地理知识获取与共享系统。具有管理地学模型与数据“经验”的VGE将成为有效使用“星—空—地”遥感系统、卫星定位系统、野外观测台站以及分布式传感器网络的数据的综合平台。同时，VGE可以减少某些野外工作，或者可协助野外工作的前期规划(包括通过网络开展的远距离协同工作)，提高野外作业效率，例如，将野外观测数据与VGE中该区域的相关数据进行快速比较分析。但是，同样作为地理学研究的方法与手段，VGE可能并不能完全取代野外工作，至少，具有野外工作经验的地学工作者是VGE系统的组成部分。因此，VGE与野外工作是相辅相成的，配备移动分布式VGE应该成为发展未来野外地理科学考察装备的目标之一。
(3)认为VGE中的虚拟环境是与现实世界一一对应的，过于追求虚拟场景的真实化。
其实，虽然VGE虚拟环境的建立和发展是以现实世界为参照的，但并不一定需要与现实世界一一对应的。VGE中的部分世界可以是以现实地理环境为对象，通过数字化表达、真实性地模拟现实地理环境中可见的地理景观；也可以是表达与反映现实世界中不可见的、可能多样化存在与发生的现象和过程；甚至是与现实世界没有任何对应关系的、只在逻辑上可能而在现实中永远不存在的事物或现象。VGE中虚拟场景的表达需要根据不同的研究目标和实际用途等具体情况来建立，不应一味地追求虚拟场景的真实化表达。相反，应该把重点放在多种模型的有机集成与同化、模型的动态表达及交互方式等知识表达、获取与共享方面的研究。由于VGE将集成GIS以及其他技术系统，因而它将可能需要更多的资源的投入。正因为如此，VGE的需求调研与设计更应该慎重，否则，它的开发失误将造成比一般GIS更为巨大的浪费。
当前VGE研究的热点和难点，包括其理论、技术和应用三个层面。在理论层面上，主要研究虚拟环境和现实地理环境的相互关系，虚拟环境的空间认知，面向现实环境和地理学规律的地理认知和地理建模等；在技术层面上，主要包括快速三维动态建模环境、多维地理模型组织与运行、虚拟地理实验环境、实时交互、分布式协同工作和群体决策等的研究；在应用层面上，主要包括数字城市、数字社区建设与应用的深化扩展、可视数据挖掘与知识发现、区域可持续发展虚拟决策支持环境、地学各个专业领域的过程模拟与深入分析等。其中，作为核心的地理模型在VGE中的表示、其运行模式及与空间(遥感与地理信息)数据库的集成以及地理协同工作模式，是目前VGE研究的关键问题，也是VGE平台构建需要重点解决的问题。在VGE平台基础之上的应用系统开发，同样要重点考虑专业领域地理过程的模拟和分析，以解决实际问题为系统构建目标，例如研究和模拟环境变化，应尽可能利用大范围、长时段、多类型的数据，要突出体现VGE作为虚拟地理实验室的功能，通过系统支持下的地学模拟与实验，加强地学专业层面的分析深度，并提供对地理协同工作、地理知识发现与共享、交流互动与预测决策的有力支持。
5 结语
(1)现代地理学与地球系统科学的发展对地理学研究技术方法和手段提出了新的要求，为顺应这一要求，地理信息科学技术领域也在寻求和构建新的地理信息平台，并展开相关理论和技术的探讨和研究。
(2)VGE作为新一代地理信息平台，可以弥补传统GIS难以表达现实世界中大量的以地学分析模型为基础的地理现象和难以支持信息技术飞速发展时代用户对多态而自然的人机交互和用户界面的需求两大不足。它融合地理数量方法、地理实验科学和信息科学技术，具有地学科学计算和虚拟表达特征，采用地理模型的知识交流与共享以及地理协同的工作模式，支持对地理现象和过程的发展规律表达和变化机理分析，以新的地理研究和地理信息应用与互动模式来开展对地理复杂系统的过程研究。
(3)VGE的兴起与发展为表达地理过程、获取地理知识、了解地理规律、参与地理问题决策提供了新的平台与方法技术。VGE研究与实验地理学结合，突出了VGE中地理模型研究的重要性，强调虚拟地理实验有助于推进实验地理学新方向的发展，实验地理学的研究方法可从野外考察与观测、室内物理模拟与实验及地理数学建模和计算机模拟，拓展到虚拟地理环境平台下的虚拟地理实验，从而促进地理学向实验科学方向发展，推动地理科学的发展。
(4)当前VGE研究存在着重几何模型、重信息技术，而轻地理模型的现象，应加强VGE中关键的地理模型的表达和运行机制研究，在应用层面要重点考虑实现VGE对专业领域地理过程的模拟、分析和地理知识共享的支持，加强地学专业层面的分析深度，为解决实际问题提供有力工具。
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