虛擬地理環(huán)境在 GIS專業(yè)開設(shè)的探討

鈔振華,王英利

(南通大學地理科學學院,江蘇南通 226019)

虛擬地理環(huán)境在 GIS專業(yè)開設(shè)的探討

鈔振華,王英利

(南通大學地理科學學院,江蘇南通 226019)

虛擬地理環(huán)境是 GIS地理學語言在智能化、網(wǎng)絡(luò)化和虛擬現(xiàn)實表現(xiàn)等方面向前發(fā)展的更高級形式,包容了地圖和 GIS所具有的空間信息表達與傳輸功能.結(jié)合作者講授虛擬地理環(huán)境課程的體會,在虛擬地理環(huán)境概念、發(fā)展簡史的基礎(chǔ)上,探討了該課程作為 GIS專業(yè)選修課程設(shè)置的必要性并提出了一些建議.

虛擬地理環(huán)境;GIS專業(yè);選修課程;課程設(shè)置

地理學是一門研究地球表層自然要素與人文要素相互作用、關(guān)系及其時空規(guī)律的科學,具有跨越自然科學和社會科學的性質(zhì),地理科學的健全發(fā)展需要各分支學科的發(fā)展與創(chuàng)新[1].計算數(shù)學和地理信息系統(tǒng)等空間信息科學的發(fā)展勢必加速地理學研究方法的變革[2],也是地理學積極應用新理論、新方法和新技術(shù)的必然趨勢,只有這樣才能實現(xiàn)現(xiàn)代地理學集基礎(chǔ)科學、技術(shù)科學和工程科學于一體的科學目標[3].

20世紀 80年代末,隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計算機的快速發(fā)展,虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學、娛樂、軍事與航天工業(yè)等領(lǐng)域都得到了廣泛的應用[4],也為地理學的發(fā)展帶來了更多機遇和挑戰(zhàn)[3,5].在這種背景下,地理學研究者開始借助于虛擬現(xiàn)實技術(shù)來認識現(xiàn)實地理環(huán)境,虛擬地理環(huán)境就應運而生[6].

目前已有一些地理專業(yè)開設(shè)虛擬地理環(huán)境課程,本文結(jié)合筆者在該課程講授過程中的認識,從虛擬地理環(huán)境的概念、發(fā)展歷程探討了虛擬地理環(huán)境在相關(guān)專業(yè)設(shè)置的意義.

1 虛擬地理環(huán)境的概念

地理學者以空間、區(qū)位、地方和區(qū)域為框架將地球表面解剖,并通過形成因素在地表的作用力的變化分析地球表面的演變[7].虛擬地理環(huán)境最早從地學的網(wǎng)絡(luò)可視化研究而提出,它被當做一個關(guān)于地理系統(tǒng)的虛擬實驗室,使地學專家進入到地學數(shù)據(jù)中,強調(diào)人的感知性和融入沉浸感,把注意力集中于地學問題上,讓眾多的地學專家利用網(wǎng)絡(luò)同時在一個虛擬實驗室進行交流和討論[8].

虛擬地理環(huán)境源于虛擬現(xiàn)實技術(shù),高于虛擬現(xiàn)實技術(shù).它最早是從地學的網(wǎng)絡(luò)可視化研究提出的,是一個關(guān)于地理系統(tǒng)的虛擬實驗室,強調(diào)人的感知性和沉浸感,讓更多的地學工作者利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)同時在虛擬的實驗室進行交流和討論[6].虛擬地理環(huán)境集成了多源信息采集、地理信息系統(tǒng)、地理模型管理、虛擬現(xiàn)實、網(wǎng)絡(luò)、智能體等技術(shù),它是以化身為基礎(chǔ)的多用戶分布式三維智能虛擬環(huán)境,是地理環(huán)境、特定地理現(xiàn)象和規(guī)律的數(shù)字與多通道感知表達、計算與模擬,可用于地理多維信息的綜合管理與多媒體集成發(fā)布、人機交互/交融式及創(chuàng)新式科學研究、分布式地理協(xié)同規(guī)劃、設(shè)計與決策、地理旅游、教育、培訓及娛樂等,為數(shù)字信息工程(數(shù)字區(qū)域、數(shù)字城市、數(shù)字流域)建設(shè)提供方法基礎(chǔ)與技術(shù)支撐[9].虛擬地理環(huán)境除了具有傳統(tǒng) GIS所具有的空間分析功能外,還支持人類依靠感官和認知全方位地獲取知識,從而探討和處理復雜的空間信息.與現(xiàn)有地理信息系統(tǒng)技術(shù)的區(qū)別在于,在虛擬地理環(huán)境中,從地理數(shù)據(jù)到多維表現(xiàn)以及多通道感知,貫穿了“以人為中心”和“面向問題解決”的空間認知關(guān)于“數(shù)據(jù)—信息—知識”模型的全過程,多維與動態(tài)的分析方法自然就成為全面深入研究空間問題的基本途徑.虛擬地理環(huán)境立足于完備的多維空間,既不必為了傳輸信道的限制而放棄大量豐富的信息,也可以突破常規(guī)二維尺度式的束縛.理論上講,幾乎任何類型的數(shù)據(jù)都可以在虛擬地理環(huán)境中得到充分的表示,從而使得從現(xiàn)實世界到人類大腦的信息帶寬最大化[10].

2 虛擬地理環(huán)境發(fā)展簡史

2.1 發(fā)展背景

“數(shù)字地球”的提出為科學家研究和理解人與環(huán)境復雜的相互作用關(guān)系提供了一個沒有圍墻的聯(lián)合實驗室,其集成和顯示多源信息的機制,使人們可以根據(jù)自己的需要從遙感、制圖、地理模型和其他資源中獲取、使用地理參考數(shù)據(jù)和信息.遙感與地理信息系統(tǒng)等地學信息手段與方法在中國科學院地理科學知識創(chuàng)新工作中取得了顯著進展,其中建設(shè)了與農(nóng)業(yè)、海洋、水利、生態(tài)等方面的信息系統(tǒng),這些系統(tǒng)的成功應用為相關(guān)部門提供了及時的資訊.此外,遙感與地理信息技術(shù)成果產(chǎn)業(yè)化的工作也獲得了較大發(fā)展,如數(shù)字城市、數(shù)字鄉(xiāng)村的建設(shè)[11].虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應用可以使決策者在三維的世界中動態(tài)感知并做出相應決策[12].計算機技術(shù)、信息科技和社會科學的飛速發(fā)展以及地球系統(tǒng)科學的深入研究促成了虛擬地理環(huán)境的產(chǎn)生,使虛擬地理環(huán)境立足于地理科學的發(fā)展,最終服務于全球環(huán)境變化和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展研究.

2.2 發(fā)展簡史

圖1 虛擬地理環(huán)境的發(fā)展歷程

地理學語言是人類認識地球環(huán)境和人類社會交流與傳遞地理信息的重要媒介,對人類認識自然以及更為方便地表達和理解地理問題起到了不容忽視的作用[13].陳述彭先生曾經(jīng)說過[14]:地理信息系統(tǒng)是地圖學、遙感、遙測技術(shù)發(fā)展的高級階段,如果說地圖是地理學的第二代語言,GIS就是地理學的第三代語言.20世紀60年代,GIS技術(shù)發(fā)展迅速,其應用領(lǐng)域涵蓋了地理、環(huán)境、資源、石油、交通、城市規(guī)劃等各個領(lǐng)域.隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,GIS出現(xiàn)了眾多的分支,如用于 GIS數(shù)據(jù)和地圖發(fā)布與應用的Web GIS,為用戶提供多媒體信息查詢和管理的多媒體 GIS,以及 20世紀 90年代初期提出的虛擬地理信息系統(tǒng)[8].綜觀這些 GIS系統(tǒng)的特點,它們在根本上還是沿襲了傳統(tǒng) GIS面向人與數(shù)據(jù)、人與模型的人機交互模式,其基礎(chǔ)是以地理數(shù)據(jù)、地理模型為中心的系統(tǒng),已無法滿足服務大眾、服務社會的要求.隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展,已可以實現(xiàn)人與人交流的模式,GIS結(jié)合了虛擬現(xiàn)實、網(wǎng)絡(luò)、多媒體等多種信息技術(shù),逐漸演變?yōu)橐环N用以表達復雜的三維虛擬地理環(huán)境.虛擬地理環(huán)境是 GIS地理學語言在信息技術(shù)的驅(qū)動下,在智能化、網(wǎng)絡(luò)化和虛擬現(xiàn)實表現(xiàn)等方面向前發(fā)展的更高級形式,包容了地圖和 GIS所具有的空間信息表達與傳輸功能.虛擬地理環(huán)境提供了一種綜合表意系統(tǒng)和更接近自然的多感知的空間認知能力,使得從現(xiàn)實世界到人類大腦的信息帶寬最大化,提供了超越現(xiàn)實的抽象表示與解析理解能力,達到了增強現(xiàn)實的目的[15].GIS到虛擬地理環(huán)境的技術(shù)發(fā)展歷程見圖 1[8].

文獻[6]系統(tǒng)地對虛擬地理環(huán)境的本質(zhì)和特征展開了論述,是國內(nèi)第一部直接研究虛擬地理環(huán)境的著作,標志著地理學者開始對虛擬地理環(huán)境產(chǎn)生重視.其后,龔建華、林琿等學者不遺余力地從概念、特征、發(fā)展歷程、理論、方法、關(guān)鍵技術(shù)等方面介紹虛擬地理環(huán)境,并結(jié)合實例對其應用進行了回顧和展望,為虛擬地理環(huán)境的發(fā)展做出了很大貢獻.高俊、孫九林、李德仁、閭國年等將虛擬地理環(huán)境引入實際研究中,達到了很好的效果[9].在科研平臺的建設(shè)方面,中國科學院遙感應用研究所在 2002年組建了虛擬地理環(huán)境創(chuàng)新團隊,其研究方向是結(jié)合科學計算可視化、信息可視化、遙感信息模型和虛擬現(xiàn)實技術(shù),在城市、地質(zhì)、煤礦、水文、海洋、林業(yè)等領(lǐng)域,開展地學可視化與虛擬地理環(huán)境系統(tǒng)的設(shè)計、開發(fā)和應用;在案例和原型系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,對虛擬地理環(huán)境、地理/遙感信息科學和地理科學的理論和方法開展原創(chuàng)性的探索研究.2008年虛擬地理環(huán)境教育部重點實驗室在南京師范大學通過教育部立項建設(shè)驗收,該實驗室瞄準國際地理科學與地理信息科學發(fā)展前沿,面向國家與地方經(jīng)濟建設(shè)和社會發(fā)展的重大需求,以“扎根地理學、服務地理學、發(fā)展地理學”為顯著特色,圍繞“地理信息系統(tǒng)集成與共享服務”、“地理知識發(fā)現(xiàn)與規(guī)律挖掘”、“地理建模與地理模擬”及“地理環(huán)境遙感動態(tài)監(jiān)測”四個方向開展理論和應用研究.通過會議或研討會等形式的交流也是促進虛擬地理環(huán)境發(fā)展的重要途徑,第一屆、第二屆國際虛擬地理環(huán)境會議分別于 2003年、2008年在香港召開,國內(nèi)第一屆、第二屆、第三屆虛擬地理環(huán)境會議分別于 2001年、2002年、2008年在深圳、北京、武漢舉行,這些都表明虛擬地理環(huán)境得到了越來越多研究人員的重視.

3 課程設(shè)置探討

隨著現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計算機技術(shù)的大眾化,GIS專業(yè)學生的創(chuàng)新型和前沿性已要求虛擬地理環(huán)境知識理應為地理科學學生所了解,即應在專業(yè)課程中考慮虛擬地理環(huán)境的設(shè)置.

3.1 課程設(shè)置的必要性

大學地理信息科學聯(lián)盟致力為理解地理過程、地理關(guān)系與地理類型而發(fā)展和利用新的理論、方法、技術(shù)和資料.將地理資料轉(zhuǎn)換成有用的信息是地理信息科學的核心[16].地理信息科學更多的是與本體論、表達、計算問題有關(guān),而地理學則側(cè)重于解釋與預測地理現(xiàn)象.地理信息科學具有顯著的科學深度,是信息科學的分支,更是一門綜合的多學科領(lǐng)域[17].地理系統(tǒng)是一個開放的復雜巨系統(tǒng),內(nèi)容涉及多學科的知識,單個學生不大可能全部掌握,群體學習是必然選擇;另外,地理教學重視的是學生的體驗,但地理環(huán)境非常廣袤,時間、經(jīng)費都限制了教師不可能將學生帶到所有的地理環(huán)境中去,而虛擬現(xiàn)實技術(shù)卻可以在一定程度上解決這樣的問題[18].在地質(zhì)教學理論方法研究與實際應用中,地質(zhì)教學場景的交互式可視化再現(xiàn)了實地地質(zhì)信息,加深了學習者對所獲取數(shù)據(jù)規(guī)律、本質(zhì)的認識[19].

很多學者[20-21]指出 GIS是技術(shù)性和實踐性很強的學科,培養(yǎng)和提高 GIS人才的創(chuàng)新思維能力、實際操作能力及應用能力是 GIS人才的重要素質(zhì)要求.杜培軍[22]認為教學中進行一些啟發(fā)性、拓展性的教學,重在教授計算機新技術(shù)基礎(chǔ)及其與地理信息系統(tǒng)結(jié)合的方法、途徑和發(fā)展趨勢,應對相應的虛擬地理信息系統(tǒng)、多維動態(tài)地理信息系統(tǒng)、組件式地理信息系統(tǒng)、開放式地理信息系統(tǒng)等進行初步介紹.VGE可提供開展虛擬地理實驗的工作空間和平臺,幫助人們更好地理解和分析現(xiàn)實地理環(huán)境,是地理學研究的新的工具和手段,將有力促進實驗地理學方法的發(fā)展[23].

為了更好地培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識,相關(guān) GIS專業(yè)在課程設(shè)置時將虛擬地理環(huán)境作為專業(yè)選修課進行講授,使學生拓寬知識面的同時更好地理解地理科學的本質(zhì).

3.2 課程設(shè)置的考慮

虛擬地理環(huán)境已作為地理信息系統(tǒng)的專業(yè)限選課程走入了大學課堂,隨著對課程講授的認識以及學生學習效果的反饋,筆者發(fā)現(xiàn)了一些問題并提出針對性的建議.

首先,讓學生了解虛擬地理環(huán)境是多門學科尤其是地理科學、計算機技術(shù)及社會科學綜合集成的結(jié)果,其最終服務于全球和區(qū)域環(huán)境的研究.計算機技術(shù)、地理學及地理信息系統(tǒng)等課程作為專業(yè)基礎(chǔ)課一般安排在第一和第二學年講授,所以虛擬地理環(huán)境應設(shè)置在第四學年講授,從而讓學生在已有背景知識的基礎(chǔ)上更好地理解虛擬地理環(huán)境.另外,通過該課程的學習可以拓寬學生對 GIS理論知識全面回顧.

其次,在課程的講授中要讓學生明白VGE系統(tǒng)有別于其他虛擬環(huán)境系統(tǒng)和傳統(tǒng)地理信息技術(shù)系統(tǒng),除了具有地理信息技術(shù)系統(tǒng)的功能外,VGE所具有的優(yōu)點使其還具有地理模型庫管理、地理現(xiàn)象與過程的三維可視、身臨其境式的人機交互或多用戶分布式地理協(xié)同的系統(tǒng)功能,它針對的用戶不僅是專家和專業(yè)用戶,普通大眾也可參與.對該門課程的講授應以啟發(fā)式教學為主,并結(jié)合網(wǎng)絡(luò)游戲展開相應的專題講座,以此提高學生對虛擬地理環(huán)境這門選修課程的興趣,并在講授的過程中通過與其他虛擬技術(shù)的比較增強學生的理解和求知欲.

最后,教師的專業(yè)功底是講授好這門課程的前提.虛擬地理環(huán)境這個嶄新的術(shù)語也是近年提出并得到認可的,其理論體系還不是很完善.主講教師應具備扎實的地理信息系統(tǒng)背景知識和計算機基礎(chǔ),要具有勇于探索和接受新知識的精神.關(guān)于虛擬地理環(huán)境的第一本專業(yè)書籍于 2001年才出版[6],其后關(guān)于VGE的認識雖然引起了很多學者的關(guān)注,但一直沒有形成一個完整的理論體系.匯集了當前最新的可視化與虛擬地理環(huán)境理論成果和案例研究的英文論文集在 2009年出版[24],該書雖然涵蓋了虛擬城市、虛擬世界的導航選線與追蹤、虛擬參與、在線設(shè)計和虛擬模擬四大主題,從多個方面對可視化和虛擬地理環(huán)境進行了整理和歸納,尤其對于拓展可視化和虛擬地理環(huán)境的應用領(lǐng)域和深度具有參考價值,但本書主要是面向?qū)I(yè)人士,而且以外文出版.這些都為虛擬地理環(huán)境的發(fā)展奠定了基礎(chǔ),但至今沒有一本系統(tǒng)介紹虛擬地理環(huán)境的出版教材,極大地制約了虛擬地理環(huán)境知識更好地傳播.通常,講授這門選修課程的教師需要花費多于其他課程兩倍的時間搜集和整理相關(guān)的資料(相關(guān)的資料還比較少)完成備課工作,以便更好地理解和把握課程;同時由于作為選修課程,主講教師還要處理好學生對這門課程的抵觸心理.此外,針對高校 GIS專業(yè)的虛擬地理環(huán)境教材的編著應得到相關(guān)學者的重視.

4 結(jié)語

虛擬地理環(huán)境作為新一代地理信息平臺,具有地學科學計算和虛擬表達特征,采用地理模型的知識交流與共享以及地理協(xié)同的工作模式,支持對地理現(xiàn)象和過程的發(fā)展規(guī)律表達和變化機理分析,可以有效地促進地理學向?qū)嶒灴茖W方向發(fā)展.因此,在高校 GIS專業(yè)課程中應考慮虛擬地理環(huán)境的設(shè)置,使學生在現(xiàn)有學科背景的基礎(chǔ)上進一步提升專業(yè)知識.

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D iscussion on Sett ing of Virtual Geographic Environment Course for GIS D iscipl ine

CHAO Zhen-hua,WANG Ying-li

(School of Geographic Science,Nantong University,Nantong226019,China)

Virtual geographic environment(VGE)is amore advanced fo rm of GIS geographic language in intelligence, networks and virtual reality,which includes space info rmation expression and tran smission functions of cartography and GIS.By combination of the writer’s experience of teachingVGE,based on the concept and the brief history of it,discusses the necessity of setting it as an elective course for GIS discipline,and presents some advices.

virtual geographic environment;GIS discipline;elective course;course setting

G640

A

1007-0834(2010)04-0059-04

10.3969/j.issn.1007-0834.2010.04.021

2010-06-10

鈔振華(1977—),男,河南新野人,南通大學地理科學學院講師.