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VGE-虚拟地理环境简介
2012年4月28日    评论:    分享:

    来源:中国科学院遥感应用研究所

    1 虚拟地理环境概要

    1)虚拟地理环境研究目标

    虚拟地理环(Virtual Geographic Environments )境以虚拟现实理念/虚拟现实技术为核心,基于地理信息、遥感信息、以及赛博空间网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。

    2)虚拟地理环境研究内容

    虚拟地理环境具体研究内容,是结合科学计算可视化、信息可视化、地理信息系统、遥感和虚拟现实等方法与技术,在城市、流域、公共卫生、地质、海洋、农业等领域,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。

    虚拟地理环境目前主要研究方向:

    · 虚拟地理环境与虚拟地理学基础理论与方法

    · 沉浸式和分布式虚拟地理环境系统设计与研发

    · 虚拟遥感地理实验与虚拟地理实验室构建原理与方法

    · 虚拟地理环境应用实践(公共卫生,流域,数字城市等)

    3) 虚拟地理环境研究意义

    · 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、以及现代网络信息世界(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、面向大众与网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。

    2、虚拟地理环境学术研究进展

    1)虚拟地理环境研究概念框架

   通过传统实验地理学(及现代实验遥感)与虚拟地理环境的结合,提出建立虚拟地理实验室以及开展虚拟遥感地理实验的科学命题(2003);依据人地关系理论以及地理信息系统、虚拟地理环境在交通、移动计算服务、传染病、反恐应急等方面的应用研究,提出面向地理环境主体(“人”)GIS概念(2004),发展面向个体虚拟地理环境原理与方法(2004-2005)。在上述的基础上,开展以虚拟地理环境为核心的可计算人地关系的理论与方法思考,试求从概念层次以及方法论层次建立以虚拟地理环境为视角的地理科学研究框架。图1-1既是虚拟地理环境研究的概念框架,也表示了虚拟地理环境研究的发展历程。

    虚拟地理环境,目前已成为地理信息系统与地理信息科学领域中的一个新的重要研究领域。但是关于其理论与方法框架,由于其多学科交叉性和复杂性,目前仍然没有形成统一、成熟的体系结构。

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图1-1:虚拟地理环境研究的概念框架

    2)虚拟地理环境(VGE)概念与特征

     广义层次上(从虚拟现实角度), 作为客观实在,虚拟地理环境,是包括作为主体的化身人、化身人群、化身人类以及围绕该主体存在的一切客观环境。

    狭义层次上(从虚拟现实技术角度),作为地球表层系统的研究实验系统,虚拟地理环境,是用以表达和模拟多尺度地理(生态)环境以及地理协同过程,通过模型计算、情景模拟、对话会商等,研究地球表层中人地系统的复杂人地关系与模式,可为虚拟遥感定量实验分析、地学过程建模与检验、地理生态工程规划与评估、突发事件预警与应急反应等提供人机交互/交融的分布式虚拟实验研究平台。

    虚拟地理环境,由实境和虚境层面组成。实境层面包括因特网、内部网、计算机、设备、数据、图形等实体或符号;虚境层面则包括基于文本、音像、图形、图像等媒介,通过交互、感知认知和想象在人脑中形成的虚拟世界以及在虚拟世界中主体与主体相互交流交互形成的虚拟社会世界。实境层面,可以进一步分成地理位置层面,内表达数据层面和外表达境象层面;虚境层面,可以进一步分成单主体感知认知层面和互主体社会层面。

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图1-2:虚拟地理环境层次结构

    3)协同虚拟地理环境-虚拟地理实验室建立的重要基础

    协同虚拟地理环境,是虚拟地理环境研究的深化,是建立虚拟地理实验室的一个重要基础。协同是表示一组人一起工作以完成某一个地理(地学)任务。研讨了地学协同的概念与特征,并从系统实现的层次认为地学协同涉及以下四个方面-地理环境,地理任务,与地理任务相关的地理问题,以及多个参与者。提出了以虚拟地理环境为基础的地学协同,主要包括用于表达地理问题以及相关地理环境的虚拟地理环境,以及用于多用户协同的虚拟协同工作室,并认为虚拟地理环境的地理空间与协同工作室的工作空间是不同的,但用户可以以化身等方式进入上述两个空间,并开展相应的活动。图1-3表示用于小流域坝系规划的协同虚拟地理环境系统,图1-3A与图1-3B分别表示协同虚拟地理环境中的虚拟协同工作室与虚拟地理环境。虚拟协同工作室包括了支持多用户协同的共享文本与图形白版、流媒体视频、三维化身、基于文本的对话框等媒介工具;虚拟地理环境是陕西韭园沟流域的表达与模拟,同时支持三维地理空间观测漫游、空间数据查询与分析、淤地坝的加入、编辑与删除等功能。

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A: 虚拟协同工作室       B: 虚拟地理环境
图1-3:用于小流域坝系规划的协同虚拟地理环境系统

    4)面向地理环境主体(“人”)的GIS

    依据现代人地关系理论,原创性提出发展面向地理环境主体GIS的理念,认为目前的GIS,主要是以一个面向“地”的基本理念而设计并发展的,而不是面向“人”来思考与设计的。面向地理环境主体的GIS,主要研究在相关地理生态与社会经济环境中关于主体时空分布、社会经济活动行为时空特征与规律的表达、计算、模拟与分析。这里的主体,主要是指不同层次的“人”,包括个体、群体、组织等,见图1-4。

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图1-4:面向“地”与面向地理环境主体(“人”)的GIS

    面向地理环境主体GIS是对应于面向“地”GIS提出的,下面我们通过与面向“地”的GIS特征的比较,从研究对象、观察方式、基本表达单位等方面来分析面向地理环境主体GIS的特征,见表1-1。表1-1中的生活世界是指“个体与群体(主体)”的日常生活环境,社会世界主要是针对“组织(主体)”而言的。

 表1-1  面向地理环境主体GIS与面向“地”GIS的特征比较VGE-虚拟地理环境简介

    面向地理环境主体GIS是当前以面向“地”GIS发展的一个补充,侧重于与主体行为密切相关的生活世界、社会世界的研究,是当前社会“以人为本”思想的一种体现。面向地理环境主体GIS的研究,可以包括主体的不同层次分类,不同类主体的行为特征与表达模式,个体出行行为的时空模型,个体互动过程的多智能体建模,个体时空行为与群体时空行为的相互关系,社会关系网络空间特征与表达,微观尺度上社会行为事件模拟与可视化表达,宏观尺度上社会经济行为时空表达与分析等等。

    面向地理环境主体GIS的研究,将会促进GIS在社会学、人文地理学、经济地理学、人类学等领域的深入应用,并为社会经济环境系统的研究提供强有力的工具。

    面向地理环境主体GIS概念在2004 年10 月17-19 日北京召开的中国GIS 协会第一届GIS理论与方法研讨会上发表(发表时以“面向“人”的地理信息系统发展思考”为题交流)。

    5)虚拟地理环境与可计算人地关系

    在广义层次上,虚拟地理环境与现实地理环境一起,共同组成了现代信息社会中的可计算人地关系中的“地”。这里的“计算”,是广义的,可以理解为以信息计算为主要特征。

    在狭义层次上,虚拟地理环境是一个人机相融的虚拟实验平台,它用以研究地球表层中人地系统的复杂人地关系,它通过计算机表达、动态模拟与规划决策,辅助人们以调控人地关系及其相互作用模式。可计算的与可调控的人地关系原理,是虚拟地理环境实验平台建设理论的核心。这里的“计算”,是狭义的,其以“需要数据与模型支持的空间分析”为主要特征。

    · 广义层次上的虚拟地理环境

    我们认为,可计算人地关系中的“人”包括“个体”、“群体”、“组织”与“人类社会”四个层次;而其中的“地”则包括地球表层物质系统,以及由数字家庭、虚拟村落、赛博城市等组成的虚拟地理环境(见图1-4)。在有关可计算人地关系的研究过程中,当从上述不同层次研究“人”时,就意味着应在不同空间尺度上研究人地关系,并强调对基于“个人”的微观层次上的人地关系的研究。

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图1-4:可计算人地关系中的“人”与“地”

     如图1-4所示,在可计算人地关系中,“地”,包括现实地理环境和虚拟地理环境。现实地理环境指地球表层物质系统;而虚拟地理环境则是指由数字家庭、虚拟村落、虚拟社区、赛博城市等组成的“虚拟系统”,它是一个与现实地理环境紧密联系的、互补的信息世界。这里的虚拟地理环境(在广义层次上)是以化身人、化身人群、化身人类为主体的一个虚拟共享空间与环境,它既可以是用于表达与分析现实地理环境的现象与过程,也可以表达一个在现实物理世界不存在的虚拟地理世界。虚拟地理环境表达的“地”,实际上是计算机表达的信息之“地”。因此,人/地关系,从信息视角看,是一种可以计算的人/机、人/计算机网络的关系。对于包括虚拟地理环境之“地”的人地关系进行研究,将有助于对于信息社会中“网络社会”、“赛博空间”、“无距离社会”、“虚拟社区/社群”、以及网络世界与现实社会世界相互联系、相互作用等的探索与理解。

    虚拟地理环境与可计算人地关系研究,在2004年12月3日-5日广州召开的“中国地理学会2004年学术年会暨海峡两岸地理学术研讨会”交流论文上交流发表。

    · 狭义层次上的虚拟地理环境

    研究地球表层系统的虚拟地理环境(在狭义层次上)是分布式、智能化协同虚拟环境,是对现实地理环境的数字与多模式可视化表达,其主要面向人地系统,通过计算模拟实验,研究和解决人地相互作用及其调控的复杂性问题。研究地球表层系统的虚拟地理环境,是人、机、数、网集成的一个地理综合研讨厅,一个可以开展地理创新研究、探索复杂性人地关系问题的虚拟地理实验室,因此,虚拟地理环境被认为是一个有关地理计算与实验的平台,可称其为虚拟地理环境实验平台。 

    作为研究地球表层系统的虚拟地理环境实验平台,其有两个主要特征:相似性,以及假设、验证与发现性。相似性,表示虚拟地理环境是现实地理环境现象及其内在规律的表达与模拟;假设、验证与发现性,表示虚拟地理环境是一个集数据管理、条件假设、模型计算、知识构建于一体的科学创新环境。

    它的构建在理论上涉及地理相似原理与地理认知理论,在方法技术上涉及数据环境、模型环境、表现环境与协同环境的建设,见图1-5。

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图1-5:虚拟地理环境实验平台构建框架

    6)虚拟地理学

    虚拟地理学,是以虚拟地理环境为主要研究对象的一门交叉性学科,主要研究内容包括:赛博空间(Cyberspace)在线虚拟现实的特征与演化规律、多尺度虚拟地理环境系统的构建与应用、以及虚拟地理环境与现实地理环境相互关系的特征与耦合作用规律,见图1-6。

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图1-6虚拟地理学构成图

    3、虚拟地理环境专题研究

    1)SARS传播的系统动力学模拟

    系统动力学方法,可以用于研究与处理具有高阶次、非线性和多回路特点的复杂系统,它是以定性与定量相结合的方法研究系统结构,可以模拟复杂性系统的功能与行为。依据系统动力学原理,我们设计了SARS疾病传播与控制系统的动力学概念模型。该模型把人分为健康人群、SARS感染者(潜伏)、与SARS发病者。SARS感染者,包括外地输入者、医院里被感染的医务人员、以及通过家属、就医与社会交往的SARS感染者;SARS发病者,是由SARS感染者转化而来,或者由外地直接输入。SARS发病者,如果停留在社会上,则可能会感染他人;一般地,经过一段时间,会到医院就诊、治疗。在医院,SARS发病者,可能会感染医护人员、以及其他就医者。最后,SARS发病者,经过治疗,健康出院;或者,由于种种原因,不治死亡。为了控制SARS疫情,可以通过加强个人保护与减少社会活动、采取早发现、早治疗、早隔离措施,减少SARS发病者在社会上继续感染他人的机会;在医院里,通过加强医护人员的防护措施,减少医护人员、以及医院里的其他就医者的感染机会;同时依靠科学、加强措施,降低病死率。

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图1-7:系统动力学概念模型

    应用系统动力学模型,定量地分析“早发现、早隔离、早治疗”措施,对于控制SARS疾病扩散与传播的重要性。结果表明,“得病后入院时间”与“隔离措施强度”对于SARS疫情态势发展,具有很大的敏感性与相关性,其中得病后的患者几时去医院治疗,对于疫情的控制具有更重要的意义。例如:设定SARS发病人数的初始值,假设为890个;SARS潜伏期天数7天;SARS感染率(7天内)3.85个;隔离措施强度50%(当前潜伏期内有50%人被隔离);个人的每天接触交往人数10个;地区外每天输入病例数0人。对“得病后入院时间”参数取1.5天、2.0天与2.5天三种不同数值后,对模型进行计算模拟,得到的三种不同的曲线,见图1-8A,可获得:

    SARS病人1.5天后入院与2天后入院相比,SARS发病总人数约减少30%;SARS疫情得到控制的时间可能会提前1个月。

    SARS病人1.5天后入院与2.5天后入院相比,SARS发病总人数约减少48%;SARS疫情得到控制的时间可能会提前1.5个月。

    本文应用动力学模型,对北京的SARS疫情进行分时间段的模拟与SARS实施控制因素影响分析,结果表明,4月20日以后一段时间内实行的各种控制措施,以及5月1日-5月5日的长假对于北京SARS疫情的控制是非常有效的;而4月27日左右北京市社会上未得到有效控制的SARS病人数达到高峰,是最危险的时期。5月20日以后,北京的SARS疫情基本保持在低发的平台期,但是如出现较多的外来SARS病例输入,而内部隔离强度又减弱、社交活动增加等情况下,北京SARS疫情可能会有一定程度的波动与反弹。

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图1-8A:得病后入院时间”参数变化的模拟分析

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图1-8B:每天累计发病人数与社会上未得到有效控制的SARS病人数随时间的变化

    2)基于智能体与虚拟地理环境的SARS传播模拟

    基于个体从微观尺度对SARS时空传播和模拟的研究,从目前发表的国内外相关文献来看则较少。我们基于SARS流行病学调查数据对医院内部的SARS时空传播特征与规律进行研究,引入人的行为模型和环境对SARS传播的影响因素,建立了基于个体的SARS时空传播智能体模型,并将智能体技术的集成到虚拟地理环境平台中,实现了SARS传播模型在该平台上的应用,建立了SARS时空传播模拟原型系统。

    已经开展的主要研究内容,包括:基于医院内SARS传播流行病调查数据,对医院内SARS时空传播过程进行分析,结合国内外从传染病方面对SARS的研究成果,建立基于个体的SARS时空传播模型。在该模型中,考虑了医院内SARS传播过程中,传染源和易感者的行为差异以及传染途径差异所造成的SARS疫情在医院的集中爆发; 基于智能体技术建立SARS时空传播智能体模型,将“人”和“环境”同作为主体进行智能体建模,并结合人和环境两类主体进行多智能体建模,表达传染源、易感者和环境之间的相互作用关系;实现虚拟地理环境平台与智能体技术的集成,在此基础上引入SARS时空传播智能体模型,建立了SARS时空传播模拟原型系统;基于SARS时空传播模拟原型系统,在具有真实医院空间特征的三维虚拟医院中,对SARS在医院内的传播过程进行模拟。在该模拟过程中,分别考虑了人的行为和环境因素对SARS时空传播过程的影响,并对实验结果进行了对比分析。

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图1-9:引入传染源、易感者行为差异的SARS模型

    3)可操作的“沟道组成-理想坝系-条件约束-方案比选”小流域坝系规划模式

    黄土高原地区淤地坝建设,按照国家计划,到2010年,完成6万座淤地坝建设任务,需总投资299.5亿元;到2015年,完成10.7万座淤地坝建设任务,需总投资526亿元;到2020年,完成黄土高原地区16.3万座淤地坝建设任务,需总投资830.6亿元。淤地坝建设,是一个巨大复杂的生态工程(在世界上没有相关的经验、理论与方法),其中涉及到很多的理论、方法与工程问题。在本基金项目以及黄河水利委员会水土保持局的支持下,我们的工作主要是如何应用现代信息技术支持小流域坝系规划与管理。

    坝系规划不同于单坝设计,坝系规划是从全局出发,考虑自然、地质、地貌、社会、人文、经济等约束条件下的骨干坝、中小型淤地坝的配比、定位以及规模设计等的复杂的系统性工程,其计算机实现的难度远远超过典型坝设计。因此,很多研究往往着眼于典型坝设计问题。一线工作中,坝址确定往往依靠专家知识,以纸质地形图为基础进行选择判断,通过手工运算一系列约束条件,从而确定坝址的布局。但人工计算效率较低,费时、费力,工作周期很长,且无法实施多个方案之间的真正比选。因此,坝系规划流程的计算机实现将大大提高一线工作人员的工作效率、工作的精度、准确度和客观度。

    本项目采用一线工作人员对坝系规划流程的核心操作流程和核心分析理念,以DEM(Digital Elevation Model)为基础进行数据运算,提取跟地形有关的所有信息(如沟道、分级沟道、汇水面积、上游控制面积等),由用户(一线工作人员)交互式选取若干骨干坝、中小型坝的预选坝组,由程序计算每一处坝址的控制面积、并依据该坝址的坝高-库容/坝高-可淤地面积曲线,计算该坝的淤积年限,并以一线工作人员采用的最短淤积年限为原则,提取每一组中的最优坝址组成理想坝系。用户可以从不同的工作理念出发,生成不同的理想坝系,最终通过各种指标(经济指标、生态指标等)对不同的坝系布局进行比较,从而确定最优的坝系布局。

    在上述流程中,用户的工作仅仅是提供初始的预选坝组和选择最终的最优坝系布局,其余的工作将全部由计算机完成,这样将大大提高坝系规划的自动化水平,提高坝系规划工作的效率,从而缩短坝系规划的周期。

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图1-10:小流域可视化坝系规划

标签:VGE虚拟地理gis
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