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

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

虛擬現(xiàn)實是人們通過計算機對復(fù)雜數(shù)據(jù)進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)實在技術(shù)上有了質(zhì)的飛躍。如果將虛擬現(xiàn)實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態(tài)過程模擬等研究提供新的研究手段，同時也為不可見地理現(xiàn)象的三維立體表達、地理數(shù)據(jù)可視化開辟了一個新的研究方向。

1 概念

1.1 虛擬現(xiàn)實

虛擬現(xiàn)實（VR：Virtual Reality）是對現(xiàn)實或虛幻現(xiàn)實的仿真模擬，它可以追溯到20世紀50年代，當(dāng)時人們設(shè)想把數(shù)字信息以直觀的圖形表示在計算機屏幕上。到60至70年代，工程師試圖為飛行員和宇航員設(shè)計仿真模擬環(huán)境，讓他們進行類似真實情景的模擬操作。到80年代，虛擬現(xiàn)實技術(shù)大量應(yīng)用在電子游戲上。到90年代，大容量存儲器CDROM的出現(xiàn)和桌面系統(tǒng)性能的提高，為虛擬現(xiàn)實提供了廣闊的應(yīng)用前景。目前，虛擬現(xiàn)實已逐漸成為主流。虛擬現(xiàn)實可定義為：軟件、硬件（頭盔、數(shù)據(jù)手套、三維鼠標、數(shù)據(jù)庫等）和參與者共同組成的一個計算機環(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)和高性能計算機處理系統(tǒng)。軟件方面，主要是提供一個能產(chǎn)生和管理虛擬信息空間的工具集。這樣在高性能計算機軟硬件和各類傳感器的支持下，創(chuàng)建一個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)實系統(tǒng)。

1.2 混合現(xiàn)實

若將現(xiàn)實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（MR：Mixed Reality）?；旌犀F(xiàn)實同時考慮真實的現(xiàn)實世界與計算機圖形構(gòu)模的虛擬世界，并將現(xiàn)實世界和虛擬世界進行無縫合成。其中，靠近現(xiàn)實世界的是擴展現(xiàn)實（增強現(xiàn)實、擴張實境，AR：Augmented Reality），靠近虛擬世界的則是擴展虛擬（擴增虛境，AV：Augmented Virtuality）。

擴展現(xiàn)實，是一種利用計算機虛擬的三維圖像對真實場景進行信息增強顯示的技術(shù)，由于虛擬景物與真實景物無縫地融為一體，所以用戶體驗與原本真實的物理環(huán)境相比，是一致的、自然的，它是對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)實世界的一個概括，是區(qū)域自然環(huán)境和社會經(jīng)濟環(huán)境的虛擬模型，包含數(shù)字化的真實地理環(huán)境、恢復(fù)與復(fù)原的過去的地理環(huán)境、預(yù)測與預(yù)報的未來的地理環(huán)境，它是虛擬現(xiàn)實和混合現(xiàn)實在地學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用。

2 差異與區(qū)別

虛擬現(xiàn)實，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算機系統(tǒng)的控制之下，切斷了人們與現(xiàn)實世界的聯(lián)系。

虛擬環(huán)境與虛擬現(xiàn)實的概念，其含義極其相近，在實際使用中沒有明顯的差別，并經(jīng)?；ハ嗤ㄓ?，由于虛擬現(xiàn)實的概念涉及哲學(xué)本體論，所以計算機科學(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)實可以同時保持自身與現(xiàn)實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。擴展現(xiàn)實是混合現(xiàn)實中最常見的方面，人們在真實景物和虛擬景物上都可以相互交互。通過交互，可以使真實客觀世界原本隱性的信息顯性化，這有助于理解和體驗到客觀世界原來隱藏的、深奧的，甚至根本不存在的信息。

虛擬現(xiàn)實和虛擬地理環(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)、社會學(xué)層面上描述，它孕育并存在于虛擬現(xiàn)實中，既強調(diào)身臨其境之感，但又追求超越現(xiàn)實的理解。

3 發(fā)展趨勢

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，還應(yīng)有地理分析。包含：實體對象建模（樹、房屋、橋梁、道路、地形模型等）、地理過程建模（風(fēng)場、溫度場、污染擴散、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，也有動態(tài)的。

3.2 數(shù)據(jù)的存儲、傳輸、顯示技術(shù)

面對龐大而復(fù)雜的數(shù)據(jù)量，須加強數(shù)據(jù)的存儲、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)與表達等內(nèi)容。近年來顯示方面突出的技術(shù)有智能手機和視網(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、鼠標指針等方式與地理事物的交互，增加體驗感。另一方面加強人與人之間的交流與互動，內(nèi)含人的社會活動。

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基金項目：陜西省教育廳科研計劃項目 （12JK0485）;陜西省河流濕地生態(tài)與環(huán)境重點實驗室開放基金項目（SXSD1401）;渭南師范學(xué)院科研計劃育苗項目（14YKP005）;渭南師范學(xué)院科研計劃育苗項目（15YKP008）;渭南師范學(xué)院特色學(xué)科建設(shè)項目（14TSXK02）。

作者簡介：

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。