虛擬地理環(huán)境研究概況

楊秀英 韓晨

摘 要：虛擬地理環(huán)境的基礎(chǔ)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)，虛擬地理環(huán)境是人類探索自然過程中，形成的一種用于認(rèn)識(shí)自然、模擬自然的科學(xué)方法和技術(shù)。文中介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)、混合現(xiàn)實(shí)和虛擬地理環(huán)境的概念，闡述其差異與區(qū)別，論述其發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí);混合現(xiàn)實(shí);虛擬地理環(huán)境

虛擬現(xiàn)實(shí)是人們通過計(jì)算機(jī)對(duì)復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化與交互操作的一種全新方式，與傳統(tǒng)的視窗操作相比，虛擬現(xiàn)實(shí)在技術(shù)上有了質(zhì)的飛躍。如果將虛擬現(xiàn)實(shí)的三維顯示和交互操作能力應(yīng)用到虛擬地理環(huán)境中，將為地上地下統(tǒng)一建模、三維空間分析以及三維動(dòng)態(tài)過程模擬等研究提供新的研究手段，同時(shí)也為不可見地理現(xiàn)象的三維立體表達(dá)、地理數(shù)據(jù)可視化開辟了一個(gè)新的研究方向。

1 概念

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)

虛擬現(xiàn)實(shí)（VR：Virtual Reality）是對(duì)現(xiàn)實(shí)或虛幻現(xiàn)實(shí)的仿真模擬，它可以追溯到20世紀(jì)50年代，當(dāng)時(shí)人們?cè)O(shè)想把數(shù)字信息以直觀的圖形表示在計(jì)算機(jī)屏幕上。到60至70年代，工程師試圖為飛行員和宇航員設(shè)計(jì)仿真模擬環(huán)境，讓他們進(jìn)行類似真實(shí)情景的模擬操作。到80年代，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)大量應(yīng)用在電子游戲上。到90年代，大容量存儲(chǔ)器CDROM的出現(xiàn)和桌面系統(tǒng)性能的提高，為虛擬現(xiàn)實(shí)提供了廣闊的應(yīng)用前景。目前，虛擬現(xiàn)實(shí)已逐漸成為主流。虛擬現(xiàn)實(shí)可定義為：軟件、硬件（頭盔、數(shù)據(jù)手套、三維鼠標(biāo)、數(shù)據(jù)庫(kù)等）和參與者共同組成的一個(gè)計(jì)算機(jī)環(huán)境。在硬件方面，需要以下幾類設(shè)備的支持，即：跟蹤系統(tǒng)、觸覺系統(tǒng)、音頻系統(tǒng)、圖像生成與顯示系統(tǒng)和高性能計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)。軟件方面，主要是提供一個(gè)能產(chǎn)生和管理虛擬信息空間的工具集。這樣在高性能計(jì)算機(jī)軟硬件和各類傳感器的支持下，創(chuàng)建一個(gè)能讓參與者具有身臨其境感，且具有完善的交互能力的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。

1.2 混合現(xiàn)實(shí)

若將現(xiàn)實(shí)世界和虛擬世界分別作為兩端，位于它們中間的被稱為混合現(xiàn)實(shí)（MR：Mixed Reality）。混合現(xiàn)實(shí)同時(shí)考慮真實(shí)的現(xiàn)實(shí)世界與計(jì)算機(jī)圖形構(gòu)模的虛擬世界，并將現(xiàn)實(shí)世界和虛擬世界進(jìn)行無縫合成。其中，靠近現(xiàn)實(shí)世界的是擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、擴(kuò)張實(shí)境，AR：Augmented Reality），靠近虛擬世界的則是擴(kuò)展虛擬（擴(kuò)增虛境，AV：Augmented Virtuality）。

擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)，是一種利用計(jì)算機(jī)虛擬的三維圖像對(duì)真實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行信息增強(qiáng)顯示的技術(shù)，由于虛擬景物與真實(shí)景物無縫地融為一體，所以用戶體驗(yàn)與原本真實(shí)的物理環(huán)境相比，是一致的、自然的，它是對(duì)人類感知能力的一種極大拓展。

1.3 虛擬地理環(huán)境

虛擬地理環(huán)境（VGE：Virtual Geographic Environment）是現(xiàn)實(shí)世界的一個(gè)概括，是區(qū)域自然環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境的虛擬模型，包含數(shù)字化的真實(shí)地理環(huán)境、恢復(fù)與復(fù)原的過去的地理環(huán)境、預(yù)測(cè)與預(yù)報(bào)的未來的地理環(huán)境，它是虛擬現(xiàn)實(shí)和混合現(xiàn)實(shí)在地學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用。

2 差異與區(qū)別

虛擬現(xiàn)實(shí)，一般是戴上立體顯示頭盔、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣等設(shè)備，具備沉浸性，追求的是盡可能將人的五官感覺置于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制之下，切斷了人們與現(xiàn)實(shí)世界的聯(lián)系。

虛擬環(huán)境與虛擬現(xiàn)實(shí)的概念，其含義極其相近，在實(shí)際使用中沒有明顯的差別，并經(jīng)常互相通用，由于虛擬現(xiàn)實(shí)的概念涉及哲學(xué)本體論，所以計(jì)算機(jī)科學(xué)家采用虛擬環(huán)境的概念，以避免哲學(xué)上的討論。

混合現(xiàn)實(shí)可以同時(shí)保持自身與現(xiàn)實(shí)世界和虛擬世界的聯(lián)系，并根據(jù)自身的需要和情境調(diào)整上述聯(lián)系。擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)是混合現(xiàn)實(shí)中最常見的方面，人們?cè)谡鎸?shí)景物和虛擬景物上都可以相互交互。通過交互，可以使真實(shí)客觀世界原本隱性的信息顯性化，這有助于理解和體驗(yàn)到客觀世界原來隱藏的、深?yuàn)W的，甚至根本不存在的信息。

虛擬現(xiàn)實(shí)和虛擬地理環(huán)境的區(qū)別源于觀察和研究視角的不同。虛擬現(xiàn)實(shí)是從哲學(xué)、宗教、文學(xué)層面上描述;虛擬地理環(huán)境是從地理學(xué)、社會(huì)學(xué)層面上描述，它孕育并存在于虛擬現(xiàn)實(shí)中，既強(qiáng)調(diào)身臨其境之感，但又追求超越現(xiàn)實(shí)的理解。

3 發(fā)展趨勢(shì)

3.1 建模技術(shù)

虛擬地理環(huán)境的建模，不僅是地理事物的表達(dá)，還應(yīng)有地理分析。包含：實(shí)體對(duì)象建模（樹、房屋、橋梁、道路、地形模型等）、地理過程建模（風(fēng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)、污染擴(kuò)散、水流等）、行為建模（城市發(fā)展模型、人群疏散、行走模型等）。模型既包括離散模型，也包括連續(xù)模型;既有靜態(tài)的，也有動(dòng)態(tài)的。

3.2 數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、傳輸、顯示技術(shù)

面對(duì)龐大而復(fù)雜的數(shù)據(jù)量，須加強(qiáng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、傳輸和顯示的研究。這些方面將著重研究一體化數(shù)據(jù)模型、分布式運(yùn)行環(huán)境、無線網(wǎng)絡(luò)傳輸、三維多模式多感知的顯現(xiàn)與表達(dá)等內(nèi)容。近年來顯示方面突出的技術(shù)有智能手機(jī)和視網(wǎng)膜顯示技術(shù)等。

3.3 交互與協(xié)同

一方面注重人與虛擬地理環(huán)境的交互，指人通過語音、文本、鼠標(biāo)指針等方式與地理事物的交互，增加體驗(yàn)感。另一方面加強(qiáng)人與人之間的交流與互動(dòng)，內(nèi)含人的社會(huì)活動(dòng)。

參考文獻(xiàn)：

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基金項(xiàng)目：陜西省教育廳科研計(jì)劃項(xiàng)目 （12JK0485）;陜西省河流濕地生態(tài)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目（SXSD1401）;渭南師范學(xué)院科研計(jì)劃育苗項(xiàng)目（14YKP005）;渭南師范學(xué)院科研計(jì)劃育苗項(xiàng)目（15YKP008）;渭南師范學(xué)院特色學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目（14TSXK02）。

作者簡(jiǎn)介：

楊秀英（1982-），女，山西原平人，碩士，講師，主要從事水文水資源與GIS研究。