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虚拟地理环境（0705Z1）Virtual Geographical Environments（一）学科简介虚拟地理环境（Virtual Geographical Environments, VGE）是地理空间信息可视化发展的最后集成系统，它以虚拟现实理念/虚拟现实技术为核心，基于地理信息、遥感信息、以及网络信息与移动空间信息，研究现实地理环境和赛博空间（Cyberspace）的现象与规律，是地理环境在计算机空间的映射。
虚拟地理环境的研究，涉及到计算机图形学／仿真／虚拟现实技术、地球表层系统的地理环境、地理／遥感信息技术与科学、赛博空间与虚拟社区等，并且与虚拟现实、虚拟、虚／实关系、心理学、符号学、美学、信息论等社会、心理与哲学领域有着密切的关系，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。
作为新一代地理信息技术手段，VGE 具有广阔的发展前景，该学科的研究生也具有广阔的就业前景。
（二）培养目标本学科培养的研究生，应符合国家对研究生培养的总体要求，同时应达到：1.了解学科发展的现状和动态，具有较扎实的科学可视化、虚拟现实、遥感、地理信息系统等虚拟地理环境学科的基础理论和基本应用技能；2.有对本人所从事研究方向的前沿阵地进行探索的潜在能力；3.培养适应与胜任城市、规划、环境、土地和林业等相关的领域内从事科研、教学、管理与科技开发工作的复合型人才（三）培养方式培养方式以导师负责为主，以导师组、学科团队、行业专家联合指导为辅。
（四）学习年限学术型硕士研究生的学制为3年。
提前完成所有培养环节和论文工作者，可申请提前答辩，但最多只能提前1年；因特殊情况需延长学习年限者，由研究生本人提出申请，经导师和相关部门批准，可适当延期，但学习年限最长不超过5年。
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。
地学可视化探讨＊龚建华 林 珲(香港中文大学地理系和地球信息科学联合实验室)肖乐斌 谢传节(中国科学院地理研究所 北京 100101)摘 要 提出了关于地学可视化的研究框架。
地学可视化包括地图可视化、地理信息系统(GIS )可视化及其在专业应用领域的可视化。
地图可视化与GIS 可视化是地学可视化理论和技术的2个基础部分。
地学多维图解是从非可视化角度提出的,关于图的地学知识表达、获取及其图的地学问题解的求证原理和方法,是地学可视化的高一级发展阶段。
地图可视化中的信息表达交流模型和地理视觉认知决策模型的研究,将从理论上促进地学多维图解模型的进一步发展。
基于虚拟现实技术和计算机网络技术的虚拟地理环境是地学可视化、地学多维图解理论和技术发展的最后集成系统。
关键词 地图可视化,地理信息系统可视化,地学多维图解,虚拟地理环境1 引 言可视化(Visualization )是指在人脑中形成对某物(某人)的图像,是一个心智处理过程,促进对事物的观察力及建立概念等[1,2]。
在西方地图学文献中,可视化这个词的使用可追朔到至少40年以前[3]。
但是,1987年美国国家科学基金会报告中的科学计算可视化,却具有新的含义[4]。
科学计算可视化是通过研制计算机工具、技术和系统,把实验或数值计算获得的大量抽象数据转换为人的视觉可以直接感受的计算机图形图像,从而可进行数据探索和分析[4,5]。
把地学数据转换成可视的图形这一工作对地学专家而言并不新鲜。
测绘学家的地形图测绘编制,地理学家、地质学家使用的图解[6,7],地图学家专题、综合制图等,都是用图形(地图)来表达对地理世界现象与规律的认识和理解。
科学计算可视化与上述经典常规工作的最大区别是科学计算可视化是基于计算机开发的工具、技术和系统,而过去地学中的可视表达和分析是手工或机助的(计算机辅助制图),并把纸质材料作为地图信息存储传输的媒介。
科学计算可视化,自从80年代末提出以后,得到了迅速的发展并成为一个新兴的学科,其理论和技术对地学信息可视表达、分析的研究与实践产生了很大的影响。
虚拟地理环境的多维数据模型与地理过程表达虚拟地理环境（Virtual Geographical Environments， VGE）是地球表层空间――“地理环境”在计算机空间的映射。
地球表层空间是大气圈、水圈、生物圈、岩石圈和土壤圈交互作用的区域，是地球上物理过程、化学过程、生物过程和生物地球化学过程作用最复杂的区域[1]。
VGE定义为包括作为主体的化身人类社会以及围绕该主体存在的一切客观环境，包括计算机、网络等软硬件环境、数据环境、虚拟图形镜像环境、虚拟经济环境和虚拟社会、政治、文化环境，其中化身人类表示现实世界中的人与虚拟世界中的化身相结合后的集合整体[2，3]，它与现实地理环境一样，将是一个包含空间系统、生态系统和社会系统的开放、复杂性巨系统。
对于地理科学而言，最初VGE只是作为地理学研究成果的展示部分，随着VGE研究的深入，它已在很大程度上影响了地理学研究的方法、手段和思维方式，即VGE 多维和动态的空间分析参与到地理过程研究中，VGE已在一定程度上影响到地理学的研究范式[4，5]。
1 虚拟地理环境的表达近年来，计算机图形学、科学计算可视化和虚拟现实技术的发展为研究者提供了直观处理研究结果的技术方法，被公认为是科学研究过程的重要组成部分。
它在计算机空间（Cyberspace）中为研究者开辟了一个具有沉浸感的虚拟环境，实现了三维空间和时态数据的可视化，并使研究者既能在虚拟环境中交互地操控研究对象，又可以在仿真模拟等科学计算过程中实时地得到正在处理的动态过程的反馈。
随着地理科学各分支学科、地理信息科学、地球系统科学的发展，科学计算可视化和虚拟现实技术也在地理科学研究中得到巨大发展[6―9]，具体表现在VGE 学科研究进展上。
建立VGE系统的关键在于其空间数据模型的建立[10—12]。
VGE 主要由建立地球表层空间数值模拟的地理环境可视化与虚拟现实模型、空间数据模型和专业模拟数学模型三大子系统组成。
虚拟地理环境
推荐虚拟地理环境,是以虚拟现实理念、虚拟现实技术为核心,基于地理信息、遥感信息、以及赛博空间络信息与移动空间信息,研究现实地理环境和赛博空间的现象与规律。
通过虚拟地理环境,可以促进实验地理学、地理遥感信息科学、信息地理学、以及虚拟地理学的研究与发展。
虚拟地理环境研究的作用与意义,具体包括:
以虚拟地理环境为基础,可建立虚拟地理实验室,为研究和解决区域可持续发展过程中所面临的资源开发、环境保育、大型工程建设等重大科学问题,提供一个集定性与定量两种方法为一体的、以人为核心的、人机交融的地理“研讨厅”,由此促进实验地理学的研究,推动地理科学的发展;虚拟地理环境,把现实地理环境中的地理(遥感)信息环境、以及现代络信息世界(赛博空间)作为客观实在进行研究,从而突破了“虚拟地理环境”作为信息技术系统的狭义理解,为“虚拟地理学”的发展建立了基础;以虚拟地理环境为基础,开展遥感、遥测实验方法研究,发展遥感信息科学/遥感科学;虚拟地理环境,是以人为核心的、面向大众与络社会的三维虚拟环境,可用于虚拟地理野外实习、地理远程教育、生态环境教育、地理游戏与娱乐等;由此,并可推动“大众地理学”以及“地理美学”的发展;虚拟地理环境的研究,可以为我国的数字信息工程(数字地域、数字城市、数字流域)建设提供理论与方法基础。
虚拟地理环境的具体研究,是结合科学计算可视化、信息可视化、遥感信息模型和虚拟现实技术,在城市、地质、煤矿、水文、海洋、林业等领域,开展地学可视化与虚拟地理环境系统的设计、开发和应用。
在案例和原型系统的基础上,对虚拟地理环境、地理遥感信息科学和地理科学的理论和方法开展原创性的探索研究。
虚拟地理环境研究方向的子方向包括:
研究方向一:虚拟地理环境系统
(1)投入式虚拟地理环境系统该方向研究投入式虚拟现实用于地理景观模拟,地学数据分析,地学模型计算与模拟等的理论和方法。
具体研究内容包括:三维数据模型,实时三维图形显示和实时交互,地学模型计算算法与可视表达的融合,面向大众和面向地学专家的人机交互界面设计,虚拟环境空间认知,群体决策等。
该虚拟环境可用于数字城市、虚拟旅游、地学模型计算模拟等研究和应用领域。
(2)分布式虚拟地理环境系统该方向研究基于络的分布式虚拟地理环境系统的建立方法和应用。
具体研究内容包括:分布式三维数据模型,大数据量虚拟世界的上实时显示和浏览,分布式多用户的共享空间和实时互操作,地学模型远程计算与地学试验,地学智能体,元胞自动机,应用程序服务器开发等。
该系统可用于建设虚拟社区,支持区域可持续发展参与式规划、管理和决策,建设虚拟教育实习基地等。
(3) 移动虚拟地理环境系统具体研究内容包括:移动式GIS、GPS和虚拟现实技术的集成和融合,虚拟空间和现实空间的合成理论,支持地理学野外工作与实验的方法特征等。
研究方向二:地学可视化与地学知识发现该方向结合数据挖掘技术,研究图形/图象/地图表达和图形思维用于地学知识发现的理论和方法。
具体研究内容包括:地学可视化与地学图解,地学计算,(集聚)知识表达,数据挖掘方法,多样化图形表达,面向地学问题求解的人机交互界面,多感知投入式问题求解方法,分布式群体合作研究方法,地图视觉认知,地理空间认知等。
研究方向三:虚拟地理环境与虚拟地理学该方向以络信息空间、虚拟现实以及数字地球发展为背景,研究信息社会/知识社会下虚拟地理学的理论和方法,探索虚拟地理环境的基本规律,以及虚拟地理环境和现实地理环境的相互关系和作用特征。
具体研究内容包括:虚拟地理学的理论和方法框架,虚拟地理学与赛博地理学、信息地理学的相互关系理论,虚拟地理环境的时间维、空间维特性,虚拟地理环境的演化驱动力机制,虚拟地理环境与数字地球等。
研究方向四:信息/虚拟地理与区域可持续发展在信息社会大背景下,从信息地理/虚拟地理角度,探索区域可持续发展理论、方法与实践,主要的研究从全球化/本土化、虚拟经济、络社会(虚拟社区、络教育等)、复杂性信息系统、公众参与、群体决策等角度开展研究。
