虚拟地理实验概念框架与应用初探

虚拟地理实验研究框架包括虚拟地理实验的基 本理论体系建设、虚拟地理实验研究平台（虚拟地理 实验室）的构建以及虚拟地理实验应用（图１）。其中 虚拟地理实验室构建是虚拟地理实验研究的重要内 容。虚拟地理实验室是一个基于卫星、航空和地面 观测工具及网络虚拟表达与实际传输连接，以大型 的多源、多尺度集成数据库为基础，以地理可视化表 达为界面，具有分布式群体协同工作机制并符合地 理空间感知与图解思维规律的主动式、集成化计算 与分析环境。虚拟地理实验室建设主要涉及虚拟地 理环境实验平台、虚拟地理协同实验环境以及虚拟 观测工具（星空地）的构建原理与方法。
和地理问题的相似性模拟表达，在理论假设的基础 上，通过模型构建、参数与条件调控计算以及可视化 分析反馈，在虚拟地理环境信息世界中“查考自然， 逼迫自然自露真相”，以获取新的地理经验与知识。 虚拟地理实验是在计算机与网络支持下的数字与虚 拟环境中开展的地理实验，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 可以依据某些地理特征、现象与规律虚拟构建地理 实验。虚拟地理实验可以全部或者部分涉及现实世 界的地理模型、现实世界的虚拟模型、室内物理模型 以及室内物理模型的虚拟模型。
Ｉ
ｉ
协同虚拟地理实验室
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虚拟地理实验室平台构建
百｝
。研究对象’组成———尘尺度问题。相拟性Ｊ’口ｌ题
·分类 ·目的０——上毓测体系·知识发现
·人的作用·学科地位Ｉ ｝·虚拟实验实现流程
虚拟地理实验理论（实验地理学与地理信息科芍钓
图１虚拟地理实验研究框架
Ｆｉｇ．１ Ｓｔｕｄｙ ｆｒａｍｅｗｏｒｋ ｏｆ ｖｉｒｔｕａｌ ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ
表１虚拟地理实验与（传统）地理实验的特征比较
Ｔａｂｌｅ １ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉ髑ｏｆ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ａｎｄ ｖｉｒｔｕａｌ ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ
１虚拟地理实验概念与特征
２虚拟地理实验研究的理论与框架
虚拟地理实验是指通过地球表层系统地理环境
为了研究虚拟地理实验的基本原理与方法，根 据虚拟地理实验室的设计和构想，笔者初步研发了 虚拟地理实验室的系统原型，主要包括虚拟地理环 境实验平台与分布式协同实验研讨室。虚拟地理环 境实验平台主要用于多尺度现实浑河流域地理环境 的构建以及洪水模拟的实验与情景分析（图２）；分布 式协同实验研讨室主要在虚拟空间中的电子沙盘上 表达浑河城市段的三维物理模型（或现实浑河地理
虚拟地理实验室的组成一般包括实验者、实验 对象、实验环境、实验工具等要素。实验者是虚拟地
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地理与地理信息科学
第２５卷
理实验的设计与实施者，一人或多人协同开展，具有 多感知互动与地理创造性思维特征；实验对象指虚 拟地理环境及地理问题；实验环境包括三维虚拟空 间、虚拟桌子等工具；实验工具指虚拟测量仪器、空 间分析工具箱等。
第２５卷第１期 ２００９年１月
地理与地理信息科学 Ｇｅｏｇｒａｐｈｙ ａｎｄ Ｇｅｏ－Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ
ＶｏＬ ２５ Ｎｏ．１ Ｊａｎｕａｒｙ ２００９
虚拟地理实验概念框架与应用初探
龚建华１，李文航ｈｓ，周洁萍１，李毅１，赵琳２，庞毅２
（１．中国科学院遥感应用研究所遥感科学国家重点实验室．北京１００１０１；２．辽宁省水利水电科学研究院，辽宁沈阳１１０００３， ３．北京大学信息科学技术学院，北京１００８７１）
（２）地理相似原理。虚拟地理实验的对象为虚 拟地理环境与地理问题，在形态、运动、动力等方面 必须与现实地理环境与地理问题相似。没有相似， 就无法证明虚拟地理实验所获得结果的有效性。虚 拟地理实验中的相似主要包括几何相似、机理相似 （物理过程相似）等。
（３）尺度理论。尺度限定了设计虚拟地理实验 在时间、空间上的规模，虚拟地理实验过程中各参 数、各因子、各子过程之间的尺度匹配是达到相似的 基本度量手段，同时尺度理论还决定着虚拟地理实 验的结论在何种条件下应用、能否应用到不同尺度 以及如何在不同尺度之间对结论进行转换和修正。
图３分布式协同实验研讨室
Ｆｉｅ，．３ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｓｔｕｄｉｏ ｆｏｒ ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ
目前已应用三维激光扫描仪扫描并建立了浑河 城市段物理模型的三维数字地形模型，并收集了浑 河城市段相关的地理与水文信息。针对５０ ａ、１００ ａ、 ３００ ａ一遇的洪水物理模拟试验数据，采用元胞自动 机、圣维南方程等方法对洪水的河道演进、溃坝模 拟、影响范围以及人群疏散等进行虚拟实验研究；同 时，通过参与虚拟地理实验用户之间的视频、音频、 化身行为等交流，对虚拟地理实验的协同实验部分 进行初步研究。
图２虚拟地理环境实验平台
Ｆｉｇ．２ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｏｆ ｖｉｒｔｕａｌ ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ
３原型系统与初步实验
本文以浑河洪水模拟和城市防洪为案例，介绍 虚拟地理实验在城市防洪方面的初步应用。辽宁 省水利厅为研究浑河沈阳市段的洪水影响和防洪 工程规划等，建造了一个与现实相似的洪水模拟物 理模型，主要模拟已建、拟建的堤防、桥梁、拦河坝、 隧洞、水闸和丁坝等建筑物，观测在宣泄各设计频 率洪水时沿程水位、水流流速、流态、淹没范围等水 力要素，为确定合理的工程设计参数、河道工程治 理方案及近期、远景规划方案提供技术支撑。物理 模型的规划施工过程严格按照实验的相似性准则， 如建筑物模型高程误差控制在士０．３ ｍｍ，地形高 程误差控制在±２ ｎ＇ｆｉｎ等。根据天然河道的糙率情 况，按照糙率比模拟河道糙率，并在完成加糙后的模 型上施放相应的洪水，通过加糙情况调整，使模型实 测水位与洪痕吻合，以确保物理模型的准确性。
虚拟地理实验是以客观现实世界的感知、量测
收稿日期：２００８—－１２—２０ 基金项目：国家９７３计划项目（２００７ＣＢ７１４４０２）；水利部黄河泥沙重点实验窜开放课题（２００７００９）；国家８６３计划项目（２００７ＡＡｌ２２２４０） 作者简介：龚建华（１９６５－－）。男，研究员，博士生导师，从事健康ＧＩＳ、虚拟地理环境与区域可持续发展等研究。Ｅ一“ｌａｉｌ：ｊｈｇｏｎｇ国ｉｒｓａ．ａｃ饥
摘要：从实验科学与实验地理学的角度，结合空间信息与虚拟地理环境技术，讨论“虚拟地理实验”概念、特征及研 究理论与框架。以辽宁浑河沈阳城市段防洪为案例，介绍虚拟地理实验在城市洪水模拟和防洪工程规划中的应 用。 关键词：地理科学；实验地理学；虚拟地理实验；虚拟地理环境；城市防洪模拟实验 中图分类号：Ｐ２０８；Ｋ９０ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２－－０５０４（２００９）０１－－００１８－－０４
目前地理信息科学与技术是以观测与测量为主 导的地理观测科学与技术的应用，虽然已是地理科学 方法与技术体系中的重要组成部分［５］，但尚未形成 以“地理问题”及“探索地理新知识、发现地理规律” 为视角、起点与核心的地理实验科学体系。要发展 现代地理科学的基础理论，需要实验科学的视角与 具体实践，需结合实验地理学与地理信息科学／技 术，发展虚拟地理实验［６］（笔者于２００３年亚运村地 理学术沙龙第一次会议上提出“虚拟地理实验”和 “虚拟地理实验室”的概念［７］）。本文结合空间信息 与虚拟地理环境技术［８］以及实验科学与实验地理学 方法，以自然地理实验的模型实验和数字实验为例， 研究虚拟地理实验的基本问题。
不抛弃现有地理实验场所和地理实验条件的基础 上，对现实地理实验进行融合和更高层次改造，是目 前较为可行且用途较广的一种虚拟地理实验方式。 ２）完全虚拟地理实验完全使用虚拟现实技术对地理 实验进行模拟，是虚拟地理实验发展的高级阶段；或 是无法同现实相关联、进行同步实验，或无法重现的 地理现象的实验，如２００３年的ＳＡＲＳ时空传播模拟 等。 ２．４虚拟地理实验研究框架
实验与逻辑一直是所有学科的两大支柱，实验是 现代科学发展的重要特征与标志。中国地理学家在 ２０世纪５０一６０年代已认识到实验对于地理科学理论 与方法发展的重要性［１－３］，建立了大量野外地理观测 台站、实验基地和室内用于地理实验的物理模型。 “三条黄河”（即“原型黄河”、“模型黄河”和“数字黄 河”）是黄河水利委员会以“数字地球”［４］为基础提出的 治理黄河的理念与框架，其中“模型黄河”与实验地理 学相关，“数字黄河”则涉及地理信息科学与空间信息 技术。“三条黄河”提出了实验地理学与现代空间信 息技术的相互关系问题，对于现代地理科学的发展 （尤其是方法论的研究）有着重要的学术与应用价值， 但尚未在地理学界得到足够的关注与重视。
以“三条黄河”为例，从实验环境、实验可控度、 实验媒介、实验性质、实验尺度、人与实验环境的交 互性方面进行虚拟地理实验与（传统）地理实验的特 征比较（表１）。虚拟地理实验与实际的现场野外实 验以及室内的物理实验密切相关；虚拟地理实验建 立在虚拟世界／实际世界实时（或非实时）数据相连 通的基础上，以信息为工具和媒介。
（４）复杂性问题理论。地理系统是一个开放的 复杂巨系统，把地理系统作为研究对象的虚拟地理 实验需要具备研究复杂巨系统的相关理论，如钱学 森院士提倡的“从定性到定量的综合研讨厅体系”、 西方基于还原论和形式逻辑的“粒子系统”、“元胞自 动机”、“神经网络”等。
（５）地理智能模拟原理。虚拟地理实验以信息 为媒介，信息世界的过程演化来自于建立的过程模 型，或来自于信息世界本身的智能性。虚拟地理实 验要真正模拟现实地理环境和地理机理过程，离不 开计算智能性。 ２．２虚拟地理实验原则
环境）以及开展洪水模拟实验，同时可供多用户参与 者使用计算机网络相互联系，以化身的形式参与，并 通过视频、音频、文字等途径进行实时交流与协同实 验分析‘９３（图３）。
ｌ自然地理实验ｌ经济地理实验１人文地理实验｜
虚拟地理实验应用
ｆｔ
室￥内—一现￥场
室内＋—一现场
广义协同
·系统体系结构·地理问题蓖构 ·控制体系研究·数据挖掘工具 ·知识表达模式·坐标体系构建
虚拟地理实验的实施需要考虑或遵循以下原 则：虚拟地理实验与现实地理实验（野外实验、模型 实验）相结合原则；虚拟地理环境及地理问题与现实 地理环境及地理问题的相似原则；群体科学家的协 同地理实验原则；虚拟地理实验室的实验平台与实
万方数据
验流程建设的规范化与标准化等。 ２．３虚拟地理实验类型
虚拟地理实验类型依据虚拟一现实的关系，可 分为混合虚拟地理实验与完全虚拟地理实验，依据 实验类型分为虚拟自然地理实验、虚拟经济地理实 验与虚拟人文地理实验。１）混合虚拟地理实验是将 现实地理实验和虚拟地理实验结合、互动而形成的 一种虚拟地理实验方式，它可以实现软件、硬件的结 合，也可以实现虚拟和现实的同步。混合虚拟地理 实验将现实地理实验（包括野外地理实验、室内模型 实验）同虚拟地理实验结合，现实地理实验无法完成 或可以完成但代价昂贵的部分由虚拟实验完成，而 比较复杂的虚拟实验则从现实地理实验获取数据， 这样将双方优势互补、虚实结合，可获得更好的实验 结果。同时，混合虚拟地理实验的虚拟部分还可借 助计算机技术和协同技术，通过协同虚拟环境或其 他分布式虚拟环境，引入群体决策的思想，通过专家 的远程协商和协同数据挖掘，充分分析实验数据；通 过引入远程控制和虚拟仪器技术，可以远程操纵实 验，控制实验进程；还可使现实地理实验的硬件设备 和数据得以充分的共享。混合虚拟地理实验可以在
Baidu Nhomakorabea 万方数据
第１期
龚建华等：虚拟地理实验概念框架与应用初探
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与信息联系为基础，以数据为载体，以虚拟场景为实 验平台，通过人的协同感知和能动思维，最终发现地 理规律或形成地理决策的过程。虚拟地理实验的重 要目标是从地理数据获得新地理知识并可支持地理 决策。 ２．１虚拟地理实验研究的基本理论
（１）地理认知理论。虚拟地理实验是以人（实验 者）为核心，是实验者开展假设、实验、观测、分析与 验证等的具体科研创新过程。首先需要研究人如何 观察、思考、理解与认识现实地理世界。然后进行测 量与表达；并且地理新知识的获取离不开人的创造 性思维与实践，离不开集体讨论与知识、智慧；另外， 复杂性的地理问题需要感性、定性与定量的结合，需 要跨学科的群体科学家的协同研讨等。上述都需要 研究地理空间认知与地理信息认知。