虛擬地理環(huán)境（Virtual Geographical Environments， VGE）是地球表層空間——“地理環(huán)境”在計(jì)算機(jī)空間的映射。地球表層空間是大氣圈、水圈、生物圈、巖石圈和土壤圈交互作用的區(qū)域，是地球上物理過(guò)程、化學(xué)過(guò)程、生物過(guò)程和生物地球化學(xué)過(guò)程作用最復(fù)雜的區(qū)域[1]。VGE定義為包括作為主體的化身人類(lèi)社會(huì)以及圍繞該主體存在的一切客觀環(huán)境，包括計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)等軟硬件環(huán)境、數(shù)據(jù)環(huán)境、虛擬圖形鏡像環(huán)境、虛擬經(jīng)濟(jì)環(huán)境和虛擬社會(huì)、政治、文化環(huán)境，其中化身人類(lèi)表示現(xiàn)實(shí)世界中的人與虛擬世界中的化身相結(jié)合后的集合整體[2，3]，它與現(xiàn)實(shí)地理環(huán)境一樣，將是一個(gè)包含空間系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)和社會(huì)系統(tǒng)的開(kāi)放、復(fù)雜性巨系統(tǒng)。對(duì)于地理科學(xué)而言，最初VGE只是作為地理學(xué)研究成果的展示部分，隨著VGE研究的深入，它已在很大程度上影響了地理學(xué)研究的方法、手段和思維方式，即VGE 多維和動(dòng)態(tài)的空間分析參與到地理過(guò)程研究中，VGE已在一定程度上影響到地理學(xué)的研究范式[4，5]。

1虛擬地理環(huán)境的表達(dá)

近年來(lái)，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、科學(xué)計(jì)算可視化和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展為研究者提供了直觀處理研究結(jié)果的技術(shù)方法，被公認(rèn)為是科學(xué)研究過(guò)程的重要組成部分。它在計(jì)算機(jī)空間（Cyberspace）中為研究者開(kāi)辟了一個(gè)具有沉浸感的虛擬環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了三維空間和時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)的可視化，并使研究者既能在虛擬環(huán)境中交互地操控研究對(duì)象，又可以在仿真模擬等科學(xué)計(jì)算過(guò)程中實(shí)時(shí)地得到正在處理的動(dòng)態(tài)過(guò)程的反饋。隨著地理科學(xué)各分支學(xué)科、地理信息科學(xué)、地球系統(tǒng)科學(xué)的發(fā)展，科學(xué)計(jì)算可視化和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也在地理科學(xué)研究中得到巨大發(fā)展[6—9]，具體表現(xiàn)在VGE 學(xué)科研究進(jìn)展上。 建立VGE系統(tǒng)的關(guān)鍵在于其空間數(shù)據(jù)模型的建立[10—12]。VGE 主要由建立地球表層空間數(shù)值模擬的地理環(huán)境可視化與虛擬現(xiàn)實(shí)模型、空間數(shù)據(jù)模型和專(zhuān)業(yè)模擬數(shù)學(xué)模型三大子系統(tǒng)組成。其中， 空間數(shù)據(jù)模型是專(zhuān)業(yè)模擬數(shù)學(xué)模型和可視化模型的基礎(chǔ)。在二維地理信息系統(tǒng)時(shí)代，基礎(chǔ)軟件平臺(tái)研制和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一直沿用20世紀(jì)70年代以來(lái)提出的傳統(tǒng)空間數(shù)據(jù)模型與建模方法，在現(xiàn)實(shí)世界空間實(shí)體和相互間關(guān)系及時(shí)空變化的描述與表達(dá)、計(jì)算機(jī)環(huán)境下的數(shù)據(jù)組織、空間分析等方面均有較大的局限性。VGE是以真三維空間數(shù)據(jù)表達(dá)為目標(biāo)，其空間數(shù)據(jù)組織不僅是點(diǎn)、線、面目標(biāo)間有限的簡(jiǎn)單拓?fù)潢P(guān)系，而是要真實(shí)有效地表達(dá)現(xiàn)實(shí)三維空間實(shí)體及其相互間的拓?fù)潢P(guān)系。因此探索能夠有效進(jìn)行空間關(guān)系表達(dá)和空間數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)存取的空間數(shù)據(jù)模型成為VGE表達(dá)的重要研究方向[13，14]。

2一維與二維虛擬地理環(huán)境

廣義上VGE包括一維、二維、三維及多維虛擬地理環(huán)境。一維VGE是指20世紀(jì)50年代末地理學(xué)研究開(kāi)始計(jì)量運(yùn)動(dòng)以來(lái)，地理學(xué)研究領(lǐng)域引入統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，通過(guò)構(gòu)造一系列統(tǒng)計(jì)量來(lái)定量描述地理要素的空間分布特征，如較普遍地應(yīng)用各種概率分布函數(shù)、平均值、方差、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)等統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)以及簡(jiǎn)單的一元線性回歸分析方法等。用數(shù)學(xué)方法對(duì)地球表層空間進(jìn)行量化表達(dá)是當(dāng)時(shí)地理學(xué)研究的一個(gè)新發(fā)展，邏輯思維在地理研究中達(dá)到一個(gè)新高峰，并構(gòu)建了一個(gè)不可視的VGE。60年代末期到70年代末期，電子計(jì)算機(jī)和相關(guān)學(xué)科的發(fā)展使人類(lèi)最擅長(zhǎng)的形象思維和邏輯思維得到很好的結(jié)合，基于統(tǒng)計(jì)學(xué)應(yīng)用的地理要素空間分布特征，按照時(shí)間序列或空間序列以散點(diǎn)圖、折線圖等方式進(jìn)行表達(dá)，從而完成一維VGE的構(gòu)建。 一維VGE的表達(dá)模型與其所反映的地球表層空間相比，存在高度的抽象、離散和簡(jiǎn)化。通常將時(shí)間序列離散化為萬(wàn)年、年、月、日等時(shí)間斷面粒度；將空間范圍規(guī)定在一定尺度內(nèi)，即在某一尺度討論的事物在另一尺度轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N現(xiàn)象；將地理過(guò)程離散為若干個(gè)互不連續(xù)的地理快照（snapshot），其表達(dá)模型離散為二維表格。 地圖是二維VGE的代表，與人類(lèi)文明一樣有著悠遠(yuǎn)的歷史。 地圖是地學(xué)研究中時(shí)空分析與表達(dá)的有效手段，是科學(xué)深加工后的創(chuàng)新知識(shí)載體[15]，更是人類(lèi)空間形象思維的再現(xiàn)，是最早實(shí)現(xiàn)“可視化”的VGE。 從長(zhǎng)沙馬王堆三號(hào)漢墓出土的公元前168年以前編制的地圖到近幾十年方興未艾的GIS電子地圖，地圖將三維真實(shí)世界抽象到二維平面，在地理要素的空間分布和相互作用及地理過(guò)程研究發(fā)揮了重要作用。 二維VGE 的表達(dá)模型是以計(jì)算機(jī)圖形化要素與相應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)實(shí)現(xiàn)對(duì)地球表層空間的表達(dá)。20世紀(jì)60年代，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)發(fā)展之初，地理學(xué)者就嘗試?yán)糜?jì)算機(jī)圖形完成對(duì)土地利用數(shù)據(jù)的表達(dá)，隨后GIS 的發(fā)展為地圖這一古老的研究工具賦予了新的生命力，出現(xiàn)了地圖代數(shù)（map algebra）與地統(tǒng)計(jì)學(xué)（geo-statistics），使地學(xué)進(jìn)入了可計(jì)算時(shí)代。地統(tǒng)計(jì)學(xué)將一維VGE 表達(dá)的地理過(guò)程通過(guò)確定其空間變異性、空間自相關(guān)性及多項(xiàng)空間統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)，采用不同的空間數(shù)據(jù)內(nèi)插方法將離散點(diǎn)上的數(shù)據(jù)擴(kuò)展到二維平面；地圖代數(shù)則實(shí)現(xiàn)了地球表層空間不同圖層矢量數(shù)據(jù)的空間交、并運(yùn)算和柵格數(shù)據(jù)的若干圖層代數(shù)運(yùn)算，從而實(shí)現(xiàn)了在二維平面上將地理要素與現(xiàn)象可視化及不同空間要素的空間運(yùn)算。

3三維虛擬地理環(huán)境表達(dá)模型

三維VGE描述的是真三維地球表層空間，比二維GIS復(fù)雜得多，這不僅是增加一個(gè)第三維坐標(biāo)的問(wèn)題，而且涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的三維圖形顯示、空間的三維拓?fù)浣⑴c維護(hù)等復(fù)雜操作。三維VGE的研究對(duì)象可以歸納為點(diǎn)、線、面、體， 其中線不僅包括二維GIS中的平面曲線，還包括三維特有的空間曲線， 而不僅包括二維平面，還有三維中的空間曲面，而體則是三維中特有的研究對(duì)象[16，17]。在三維VGE中，體的表達(dá)尤其復(fù)雜，其中規(guī)則體元包括結(jié)構(gòu)實(shí)體集合（CSG-tree）、體素（voxel）、八叉樹(shù)（octree）、針體（needle）和規(guī)則塊體（regular block）5種模型，規(guī)則體元通常用于水體、污染和環(huán)境問(wèn)題建模。非規(guī)則體元包括四面體格網(wǎng)（TEN）、金字塔（pyramid）、三棱柱（TP）、地質(zhì)細(xì)胞（geo-cellular）、非規(guī)則塊體（irregular block）、實(shí)體（solid）、3D－Voronoi和廣義三棱柱（GTP）8種模型，非規(guī)則體元均是有采樣約束的、基于地層界面和地質(zhì)構(gòu)造的面向?qū)嶓w的三維模型，一般應(yīng)用于較復(fù)雜的地球表層空間三維對(duì)象及地理過(guò)程計(jì)算中涉及的不規(guī)則、不均勻的幾何實(shí)體[18]。 三維VGE空間模型建模方法研究是目前虛擬現(xiàn)實(shí)和VGE領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，其主要建模方法有準(zhǔn)三維模型和真三維模型；模型構(gòu)建有面模型（facial model）、體模型（volumetric model）和混合模型（mixed model）。其中，準(zhǔn)三維模型是指地球表層空間某點(diǎn)F＝f（x，y，z），任一對(duì)（x，y）的z有多個(gè)值（z[，1]，z[，2]，…，z[，n]），此類(lèi)模型屬面元模型，其表達(dá)對(duì)象只具有面屬性，而沒(méi)有體內(nèi)屬性值存在，一般多用于城市三維建模；真三維模型是指地球表層空間某點(diǎn)F＝f（x，y，z[，i]），任一對(duì)（x，y）的z不但有多個(gè)值（z[，1]，z[，2]，…，z[，n]），而且其表達(dá)采用三維矢量體元數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，表達(dá)對(duì)象有體內(nèi)屬性值，一般用于地質(zhì)礦山等復(fù)雜地質(zhì)體的表達(dá)。 3.1面表達(dá)模型 VGE處理的對(duì)象是地理空間數(shù)據(jù)，這些空間數(shù)據(jù)的來(lái)源是多種多樣的，數(shù)據(jù)中包含很多地理現(xiàn)象和地理過(guò)程的科學(xué)規(guī)律和現(xiàn)象。這些科學(xué)數(shù)據(jù)都是離散的采樣數(shù)據(jù)，它們有很多屬性，主要有空間范圍、投影信息、數(shù)據(jù)來(lái)源、維數(shù)、定義域的維數(shù)、組織形式、時(shí)間特性及數(shù)據(jù)量等。其中數(shù)據(jù)的時(shí)間特性表示數(shù)據(jù)是否與時(shí)間相關(guān)，是否表示隨時(shí)間變化的地理過(guò)程；數(shù)據(jù)的維數(shù)表示標(biāo)量數(shù)據(jù)、向量數(shù)據(jù)及高維的張量數(shù)據(jù)等；數(shù)據(jù)定義域的維數(shù)分為一維、二維、三維數(shù)據(jù)等，具有時(shí)間屬性的數(shù)據(jù)具有第四維特征；數(shù)據(jù)的組織形式分為有網(wǎng)格數(shù)據(jù)和無(wú)網(wǎng)格散亂數(shù)據(jù)等。 VGE中基于面模型的建模方法側(cè)重于三維空間實(shí)體的表面表示，如地形表面（DEM）、地質(zhì)層面、城市構(gòu)筑物（建筑物）及礦山開(kāi)采的輪廓與空間框架，面表達(dá)模型比較注重三維面紋理的表達(dá)。面表達(dá)模型所模擬的表面可以是封閉的或非封閉的。基于采樣點(diǎn)的TIN模型、Lattice模型和基于數(shù)據(jù)內(nèi)插的Grid模型，通常用于非封閉表面模擬；而B(niǎo)—Rep模型和Wire Frame模型通常用于封閉表面或外部輪廓模擬。Section模型、Section—TIN混合模型及多層DEM模型通常用于地質(zhì)層面之間內(nèi)部構(gòu)模。通過(guò)表面表示形成三維空間目標(biāo)輪廓，其優(yōu)點(diǎn)是便于顯示和數(shù)據(jù)更新，缺點(diǎn)是沒(méi)有區(qū)域拓?fù)涿枋龊退磉_(dá)面內(nèi)部屬性的記錄而難以進(jìn)行三維空間查詢(xún)與分析，多用于三維空間演示系統(tǒng)。

4基于地理過(guò)程的三維及多維虛擬地理環(huán)境表達(dá)

4.1地理過(guò)程 地理過(guò)程是指地理事物隨時(shí)間的推移而出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。反映這種“時(shí)間斷面”上地理事物動(dòng)態(tài)演化過(guò)程的基本事實(shí)、概念、原理、規(guī)律等的知識(shí)，即地理過(guò)程知識(shí)。地理過(guò)程主要包括地理循環(huán)過(guò)程、地理演變過(guò)程、地理波動(dòng)性變化過(guò)程和地理擴(kuò)散過(guò)程4方面。 （1）地理循環(huán)過(guò)程是指地理事物在一定空間領(lǐng)域內(nèi)周而復(fù)始地運(yùn)動(dòng)或變化的過(guò)程。表現(xiàn)形式主要有：1）“運(yùn)動(dòng)式循環(huán)”：即地理事物在循環(huán)過(guò)程中， 按“初始位置→一系列運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)→系統(tǒng)發(fā)展到新的位置”這一模式進(jìn)行，如大氣環(huán)流、水循環(huán)、大洋環(huán)流等。2）“演替式循環(huán)”：即地理事物按“初始狀態(tài)→一系列新舊更替的變化階段→“恢復(fù)”原來(lái)的狀態(tài)”這一模式進(jìn)行，如地殼中的物質(zhì)循環(huán)、生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)等。地理循環(huán)過(guò)程的VGE 表達(dá)關(guān)鍵是結(jié)合地理循環(huán)發(fā)生的空間區(qū)域，認(rèn)清構(gòu)成地理循環(huán)過(guò)程的運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)或變化階段；同時(shí)聯(lián)系構(gòu)成地理循環(huán)過(guò)程的運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)或變化階段，闡明地理循環(huán)過(guò)程產(chǎn)生的原動(dòng)力、條件及循環(huán)過(guò)程的地理意義。 （2）地理演變過(guò)程是指地理事物隨時(shí)間的推移而出現(xiàn)的新舊更替、盛衰消長(zhǎng)等的變化過(guò)程。地理演變過(guò)程既有經(jīng)歷時(shí)間尺度較長(zhǎng)的漸變型演變過(guò)程（如湖泊的演變過(guò)程、巖石的風(fēng)化過(guò)程等），也有經(jīng)歷時(shí)間尺度較短的驟變性演變過(guò)程（如氣團(tuán)的變性、鋒面的生長(zhǎng)與消亡等）。VGE 中地理演變過(guò)程的表達(dá)離不開(kāi)兩個(gè)基本要素：1）地理事物在一定時(shí)間尺度內(nèi)新舊更替、盛衰消長(zhǎng)的順序或階段；2）發(fā)生地理演變過(guò)程的原因或條件。 （3）地理波動(dòng)性變化過(guò)程是指地理事物的數(shù)量在一定時(shí)間尺度內(nèi)持續(xù)變化的過(guò)程，如河流流量的月變化與年變化、氣溫的日變化和年變化、農(nóng)作物產(chǎn)量（某一時(shí)間內(nèi)）的變化等。地理波動(dòng)性變化包含了時(shí)間和地理數(shù)量?jī)蓚€(gè)要素，一般情況下其變化以時(shí)間、地理變量以及若干個(gè)要素間的相互依存關(guān)系的角度進(jìn)行。傳統(tǒng)地理表達(dá)采用文字或統(tǒng)計(jì)圖表加以描述；在VGE下將時(shí)間軸作為主控制軸，表達(dá)地理波動(dòng)性變化可以清晰地表達(dá)地理變量與時(shí)間及地理變量相互之間的復(fù)雜關(guān)系。 （4）地理擴(kuò)散過(guò)程是指地理事物由某一中心或源地向四周擴(kuò)散的過(guò)程，如污染物質(zhì)由源地向周?chē)臄U(kuò)散、洪水演進(jìn)過(guò)程等。地理擴(kuò)散過(guò)程主要由以下因素組成：1）擴(kuò)散的中心或源地；2）擴(kuò)散的方向；3）擴(kuò)散的范圍或強(qiáng)度；4）發(fā)生擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力。 4.2地理過(guò)程的虛擬地理環(huán)境表達(dá) 基于地理過(guò)程的VGE表達(dá)就是將上述4種地理過(guò)程在計(jì)算機(jī)空間用數(shù)理模型加以描述，用VGE方法加以表達(dá)，從而為研究地理過(guò)程提供一個(gè)創(chuàng)新平臺(tái)和研究角度，使研究人員沉浸在可重復(fù)實(shí)驗(yàn)的地理環(huán)境中。 地理學(xué)問(wèn)題的研究往往是依據(jù)知識(shí)積累和已有的經(jīng)驗(yàn)，依靠研究人員的感知和認(rèn)知能力全方位地獲取研究對(duì)象的信息。在VGE中計(jì)算機(jī)能夠處理研究主體所能感受到的、在思維過(guò)程中接觸到的地理過(guò)程。地理學(xué)尤其需要專(zhuān)家圖形圖像思維能力和想像力，虛擬現(xiàn)實(shí)與科學(xué)可視化（visualization）技術(shù)相結(jié)合， 可將抽象的地理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成直觀易解的圖形、圖像，迅速地建立不同數(shù)據(jù)之間的空間聯(lián)系和物理關(guān)系，以達(dá)到研究的目的。虛擬地理實(shí)驗(yàn)則將使長(zhǎng)時(shí)間尺度和空間尺度的地理過(guò)程在虛擬空間中實(shí)現(xiàn)重復(fù)和模擬檢驗(yàn)，從而加速地理學(xué)理論的成熟和發(fā)展。 近年不少學(xué)者圍繞VGE空間數(shù)據(jù)模型做了大量研究， 提出了許多創(chuàng)新性的三維空間數(shù)據(jù)模型。但一般囿于各自的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域，鮮有針對(duì)描述地理過(guò)程，尤其是自然地理過(guò)程的空間數(shù)據(jù)模型，也限制了VGE在地理學(xué)研究中的應(yīng)用。如李德仁等提出了基于八叉樹(shù)和四面體格網(wǎng)的混合數(shù)據(jù)模型；李青元借鑒二維GIS 和三維幾何造形理論，提出了基于點(diǎn)、邊、環(huán)、面、體的3D矢量數(shù)據(jù)模型；陳軍等擯棄基于四面體的三維矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型的弊端，提出了基于單純形剖分的拓?fù)淇臻g數(shù)據(jù)模型；針對(duì)地質(zhì)鉆孔和地層分布特點(diǎn)，Houlding提出了適于層狀地質(zhì)體建模的三棱柱（TP）模型、三棱柱體（TPV）模型、廣義三棱柱模型（GTP）以及似直棱柱（ARTP）模型等[19]。上述關(guān)于地學(xué)建模的研究大多集中在對(duì)研究客體的建模方面，對(duì)地理過(guò)程建模考慮較少，即使涉及也是把兩者割裂開(kāi)來(lái)，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)一體化建模。因此，針對(duì)地理要素空間分布與地理過(guò)程的特殊性構(gòu)建以描述地理過(guò)程為目的的三維地學(xué)模型是VGE發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。 在應(yīng)用方面，城市規(guī)劃和建筑學(xué)設(shè)計(jì)發(fā)展較為成熟，VGE技術(shù)和GIS技術(shù)緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了三維計(jì)算機(jī)圖形圖像處理技術(shù)的不斷深入發(fā)展。GIS 是數(shù)字地球的核心技術(shù)之一，它綜合、集成不同自然與區(qū)域的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，根據(jù)事物的地理坐標(biāo)對(duì)其進(jìn)行管理、檢索、評(píng)價(jià)分析、結(jié)果輸出等處理；在圖像分析、拓?fù)淇臻g查詢(xún)、三維實(shí)體疊加分析等方面有自身優(yōu)勢(shì)。

5結(jié)語(yǔ)

地理科學(xué)研究氣候過(guò)程、水文過(guò)程、地貌過(guò)程、生態(tài)—環(huán)境過(guò)程等基本自然地理過(guò)程，以及地帶性、地域分異規(guī)律等基本地理規(guī)律。其中許多重要的地理現(xiàn)象和地理過(guò)程比較抽象，如何在VGE中從機(jī)理角度闡述地理現(xiàn)象的發(fā)生、發(fā)展和演變，從最初的關(guān)于地理分布形態(tài)的簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)分析與表達(dá)（如數(shù)字地形模型，DTM）到利用現(xiàn)代理論地理學(xué)注重地理過(guò)程與地理系統(tǒng)的模式闡述，是VGE研究發(fā)展的趨勢(shì)。 雖然VGE研究主要是隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的崛起發(fā)展起來(lái)的，但基礎(chǔ)地理過(guò)程的VGE表達(dá)卻要注重對(duì)自然地理過(guò)程和規(guī)律的分析。地理變量和地理要素是地理過(guò)程發(fā)展的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力，其表達(dá)形式以經(jīng)驗(yàn)公式、確定的數(shù)理模型或不確定的概率分布描述，其中有些地理過(guò)程在地球表層空間的自然環(huán)境中是可視的，VGE就是將可視的地理過(guò)程用地理變量和地理要素在計(jì)算機(jī)空間表達(dá)出來(lái)，同時(shí)將自然環(huán)境中不可視的地理過(guò)程用可視化的方法進(jìn)行表達(dá)，從而給地理科學(xué)研究以新的實(shí)驗(yàn)手段和方法。