虚拟地理环境与可计算人地关系

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1、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（广州，2004 年 12 月 3 日5 日）1虚拟地理环境与可计算人地关系 *龚建华 1 鲁学军 2 林珲 3 1 中国科学院遥感应用研究所遥感科学国家重点实验室2 中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境国家重点实验室3 香港中文大学暨中国科学院地球信息科学联合实验室摘要：本文在重新审视传统地理学有关人地关系内涵及其研究基础上，分别对于可计算人地关系中的“人”、“地”进行了再认识，对它们之间的相互作用关系进行了新的界定。文章探讨了虚拟地理环境实验平台的建设原理与方法，并基于 SARS 时空传播与控制研究进行了有关虚拟地理实验

2、室的初步应用。关键词：虚拟地理环境，可计算人地关系，人地系统，地理空间认知，地理科学计算有关虚拟地理环境的定义包括广义、狭义两个层次。在广义层次上，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（龚建华，林珲，2001，2002） 。其中的化身人、化身人群、化身人类是表示现实世界中的人与虚拟世界中的化身相结合后的集合体。化身是用户在虚拟世界中的三维图形表达，是一种身份表达。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

3、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（王铮，2001）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。1 再理解人地关系中的“人”与“地”人地关系是地理学的研究核心。传统地理学的人地关系把“人”主要理解为人类社会整体，即把人类社会抽象为一个整体、一个“质点” ，并由此来考虑“人”与现实地理环境的相互作用关系。随着社会经济与科技的全球化发展，以及人类社会从工业社会进入信息社会，人地关系中的“人”

4、处于越来越强的地位（陈国阶,2001） ；另一方面，随着网络社区/社群的大量涌现，以及数字地球、数字城市、数字地域、数字流域等的不断实践，人地关系中的“地”也在展现着其全新的一面。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（龚建华，林珲, 2004） ；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） 。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*国家自然科学基金项目（40341011,40471103，40071069）,中国科学院遥感应用研究所知

5、识创新工程项目（CX020021）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（广州，2004 年 12 月 3 日5 日）2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。 现 实 地 理 环 境 （ 地 球 表 层 物 质 系 统 ） 虚 拟 地 理 环 境 （ 数 字 家 庭 ， 虚 拟 村 落 ，虚 拟 社 区 ， 赛 博 城 市 等 ） 人 地 个 体 群 体 人 类 社 会 组 织 图 1 可计算人地关系中的“人”与“地”从传统地理学研究来看，其一般研究对象“仅局限于从景观、聚落、区域、国家、陆地系统的区域过程” ，并认为“超过此空间

6、层次的（如太空、宇宙）由天文学、宇宙学去研究；低于这个层次的（如种、种群、生态系统、群落）由生物学去研究；个人或家庭或单一的社会过程由社会学去研究” （陈国阶，2004） 。实质上，作为自然科学与社会科学的“桥梁” ，地理学的研究对象在空间尺度上必然与其他相关学科发生重叠，而其研究方法也必然与其它相关学科（例如社会学、生态学、环境学等）发生联系。我们认为，传统地理学的人地关系对于“人”的定义是模糊的、抽象的，其粒度研究层次也比较粗；但是，其对于“地”及其空间尺度变化却有着深厚而又广泛的研究。依据艾南山文中王恩涌的观点（艾南山,1999） ，认为人地关系在我国的地理研究中，注意“地” ，而忽视“

7、人” 。无疑，把“人”扩展为多层次主体，尤其是对于“个体”及“群体”的考虑与分类，将有助于微观地理学的研究。如图 1 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（林珲，龚建华，2001，2002） 。虚拟地理环境

8、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。2 研究地球表层系统的虚拟地理环境实验平台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

9、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，在本文中称其为虚拟地理环境实验平台。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（广州，2004 年 12 月 3 日5 日）3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：相似性与假设、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

10、理论上涉及地理相似原理与地理认知理论（鲁学军等，1999） ，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 2。数 据 环 境 模 型 环 境 表 现 环 境 协 同 环 境 空 间 认 知 理 论 地 理 实 体 建 模 实 体 数 据 获 取 与 更 新 方 法 数 据 组 织 与 管 理 方 法 地 理 过 程 建 模 地 理 行 为 建 模 地 理 科 学 计 算 地 理 多 维 表 现 多 通 道 交 互 地 理 环 境 用 户 与 用 户 用 户 与 世 界 对 象 对 象 与 对 象 地 理 相 似 原 理 图 2：虚拟地理环境实验平台构建框架 #图 3 表

11、示了一个有关 SARS 在虚拟社区里的时空传播与控制研究的虚拟地理实验室，它由虚拟协同实验环境与虚拟地理环境实验平台组成。虚拟协同实验环境，可以让位于不同地理位置的用户通过因特网虚拟地聚集在一个三维虚拟研讨室，协同地讨论 SARS 疫情态势与传播控制措施方案。虚拟地理环境实验平台，是让用户通过调整参数设立不同控制措施方案，并观察相应的 SARS 时空传播过程与状态，以及分析计算模拟的结果。在虚拟地理实验室系统中，应用多智能体技术（Multi-Agent）,表达虚拟社区中的不同状态的人（健康人，感染 SARS 人，SARS 病人）以及相互之间的动力学交互行为(龚建华等，2004)，有关SARS

12、时空传播的相关参数，如潜伏期天数，感染率等主要依靠流行病学调查与分析设置（龚建华等，2003） 。虚 拟 协 同 实 验 环 境 虚 拟 地 理 环 境 实 验 平 台 图 3：研究 SARS 时空传播与控制的虚拟地理实验室参考文献：# 该框架是作者与闾国年、朱庆教授一起在 2004 年 9 月北京的一个研讨会上讨论形成的。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（广州，2004 年 12 月 3 日5 日）4龚建华，林珲. 虚拟地理环境-在线虚拟现实的地理学透视. 北京：高等教育出版社. 2001,60.林珲，龚建华. 论虚拟地理环境. 测绘学报. 2002,31(

13、1):1-6.王铮，2001. 可计算人地关系协调分析模型与理论.香山会议,2001. 社会信息化与人地关系. 香山科学会议第 169 次学术讨论会筹备组.2001 年 9 月 24 日-26 日,pp.59-60. （会议交流资料）鲁学军、周成虎、龚建华.论地理空间形象思维 空间意象的发展.地理学报,1999 年第五期.陈国阶，2001. 信息化过程人地关系思考.香山会议,2001. 社会信息化与人地关系. 香山科学会议第 169 次学术讨论会筹备组.2001 年 9 月 24 日-26 日，p.52. （会议交流资料）陈国阶，2004. 论地理学面临地挑战与发展.中国地理学会编:地理学发展

14、方略和理论建设.北京：商务出版社，45-56.龚建华，林珲，2004. 面向“人”的地理信息系统发展思考. 中国 GIS 协会理论与方法研讨会交流论文, 北京，2004.艾南山,1999. 从地缘政治走向地缘经济的政治地理学.谢觉民主编，人文地理学笔谈：自然文化人地关系. 北京：科学出版社, pp.32-46.龚建华，孙战利，李小文，曹春香，李小英，钱贞国，周洁萍, 2003. SARS 疫情控制的模拟分析. 遥感学报，2003, 7(4): 260-265.龚建华，周洁萍，徐珊，王卫红，2004. 基于多智能体的 SARS 时空传播模拟研究.第四届全国虚拟现实与可视化学术会议论文集, 大连，

15、2004 年 8 月 13 日，pp.581586.作者简介：龚建华1965 年生，浙江海盐人，研究员，博士生导师，中国科学院遥感应用研究所遥感科学国家重点实验室(100101)，从事地学可视化、虚拟地理环境与区域可持续发展研究。电子邮件：, . 电话： 1064849299， 13041260910， 虚拟地理环境网址：www.vgelab.org . 鲁学军，男，1964 年生，博士，研究员，中国科学院地理科学与资源研究所，主要从事地理空间认知、时/空建模与科学计算,“3S”技术应用与教育研究。电子邮件：.林珲中国地理学会 2004 年学术年会暨海峡两岸地理学术研讨会交流论文（广州，2004 年 12 月 3 日5 日）51954 生，祖籍广东汕头，教授，博士生导师，香港中文大学地球信息科学联合实验室，中国科学院遥感应用研究所兼职研究员，从事虚拟地理环境、雷达和高光谱遥感等研究。电子邮件：huilincuhk.edu.hk , 网址： www.jlgis.ecuhk.edu.hk