名家觀點｜林琿院士：從地理信息系統到虛擬地理環境的認知轉變

原標題：名家觀點｜林琿院士：從地理信息系統到虛擬地理環境的認知轉變

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如果說地理信息的獲取手段顯示出一個國家的科技水平，那麼地理信息的應用程度則可以反映出一個國家的管理水平。這種水平的提高亦標誌着我們對於地理信息的認知轉變。自20世紀60年代初期以來，以空間數據庫爲特徵的地理信息系統（GIS）引領了地理信息分析與服務業的發展。但是， 隨着大數據時代的來臨，僅僅依靠基於空間數據庫的GIS顯然無法滿足地理學家對於地理過程模擬的需求，更無法應對許多大型工程對於不同方案後果的模擬評估。爲此，中國學者們在世紀相交之際開始了對於虛擬地理環境的探索。

中國科學院院士陳述彭先生提出以多維地學信息圖譜來推動「對地學現象時空規律的描述與解釋」，英國皇家科學院士Michael Batty教授藉助發展虛擬地理學來加速虛擬世界與現實地理環境的聯繫。衛星應用技術與物聯網技術讓我們產生從全面感知自然到深入感知社會的衝動，科學計算可視化和虛擬現實技術不僅「顛覆」了我們的「眼見爲實」，還「縱容」了我們將時空尺度「任意變換」的意念，從而開始研究如何將空間數據庫與地理過程模型結合推動實驗地理學，以逐步認識連接真實地理環境與指導我們實踐的大腦之間的虛擬地理環境。

地理學語言是人類認識地球環境和人類社會交流與傳遞地理信息的重要媒介。作爲新一代地理語言—— 虛擬地理環境（Virtual Geographic Environments，VGEs）是由地圖與GIS演化而來的新一代地理分析工具，提供最接近人類自然的交流與表達方式，用於解決複雜地理問題，並能夠促進地理數據與知識的共享。

從廣義上講，虛擬地理環境是現實地理環境之外的所有地理環境的統稱，既包括了地理環境在人腦中的寫照以及各種形象思維所產生的「象」，又包括了藉助各種介質與媒體實現的對存在或者不存在、可感知或者不可感知的地理環境的抽象、再現和虛構，還可以用於網絡空間以地理位置爲特徵的信息空間刻畫與描述。

從狹義上講，虛擬地理環境可以認爲是一種由計算機生成的數字化地理環境，可通過多通道人機交互、分布式地理建模與模擬、網絡空間地理協同等手段實現對複雜地理系統的感知、認知和綜合實驗分析。

虛擬地理環境的構成包括了數據組件、建模與模擬組件、交互組件、協同組件。目前，虛擬地理環境因爲其分布式地理建模與模擬、地理可視化與地理協同的特定功能，其普適性被定位是新一代地理分析工具、計算機輔助的地理實驗空間以及地理知識工程實現的手段。面向虛擬地理環境發展的當前階段定位，虛擬地理環境在各個組件設計及實現過程中，尚存在一些難點與挑戰需要攻克。

01

數據環境

它面向的是地理現象、地理過程相關地理數據的採集、整合與組織，以服務於地理模擬與分析、地理場景的表達與交互。目前，關鍵問題在於對多源異構、不同時空尺度數據的一體化組織問題。

02

地理過程建模與模擬環境

它是虛擬地理環境的關鍵組件，也是虛擬地理環境區別於傳統GIS的關鍵核心標誌。考慮到虛擬地理環境開放性、探索性的需求，其建模與模擬環境需要支持多領域專家在網絡環境下進行分布式建模與模擬，而由此產生了分布式地理模型共享、地理模型構建、地理模型運行以及地理模型集成與優化等問題。

03

交互組件

它是虛擬地理環境與用戶交互的窗口與直接通道。目前需要注意的問題包括如下3點：① 需要藉助多種交互手段，便捷、自然的實現對地理場景的構建以及操作；②需要進一步支持多角度、多方位對世界的觀察方式；③效果好的工具存在成本較高的問題，而平民化的工具其效果還有待改進。

04

協同組件

它雖然在角色模型、衝突檢測機制、業務流程分解等研究點上已經有了相關的研究，但是還缺乏一個面向虛擬地理環境地理分析特徵的一體化協同工作理論架構，指導從數據準備，到分布式建模與模擬，再到多用戶交互與分析一整套地理分析流程的實施。

地理空間認知是人類對地理空間現象或地理空間實體的感知、表象、記憶和思維過程的編碼、內部表達和解碼，逐步理解地理空間，進行地理分析與決策等一系列心理過程。地理空間認知關注人們可以活動於其中的地理空間。

鑑於具身認知與地理空間認知關注主體的相似性，基於虛擬地理環境的地理空間認知研究正努力朝向建立在地理環境、人—機理解、生理—心理一體化認知基礎上的認知與分析。概括來講，基於虛擬地理環境的地理空間認知主要強調3個層次：

① 基於多維表達與多通道感知的地理相似性認知。強調人的感知性和融入沉浸感，使人能夠以自然的交互方式獲得類似於真實地理環境的信息。

② 面向現象演變的地理過程認知。將具有地理參考的地學過程模型植入認知環境中來，通過傳感器網絡提供數據以模擬地理現象的實時變化，爲地理空間認知研究重現真實的地理空間環境。

③ 基於認知心理學與社會情感計算的行爲認知與分析。在認知環境中，通過認知實驗研究人的行爲，並進行模擬分析。

基於虛擬地理環境的地理空間認知框架

開展綜合性地理學實驗的目的是試圖將地理環境多要素、多過程置於統一的實驗框架下，開展以問題爲導向的針對性研究與探索。近來，地理學實驗更加強調對地物發展過程、要素相互作用、物質遷移能量轉換等方面的探索，針對不同領域、不同尺度、不同區域的問題，以聯動、定量、多尺度的視角進行觀察與分析，從而爲發展中的地學研究提供有效支撐。其中涉及到如下3個關鍵問題：

① 如何將自然以及人文社會相關的多要素、多過程整合到一個實驗平臺下開展實驗？

② 如何突破實驗場地的限定，開展多時空尺度的地理實驗？

③ 如何利用現有的計算機、虛擬現實等技術提升地理學實驗的效能？

虛擬地理環境可以作爲計算機輔助的地理實驗空間，包含如下特點：

1

虛擬地理環境兼備真實地理場景對要素、過程以及現象的表達能力。同時可以針對不同的地理問題及區域、時空尺度，構建不同的地理場景，基於時空尺度轉換等方式實現統一時空背景下地理現象的綜合挖掘與分析。

2

虛擬地理環境的模型庫構建，強調了除數據共享之外，以地理過程模型爲核心的地理知識共享也是虛擬地理環境分析綜合性地理問題所依賴的重要手段。

3

虛擬地理環境強調以「人」和「自然」爲「雙中心」，藉助多維多通道感知與反饋技術使用戶能夠提供面向虛擬場景的自身地理知識，做出虛擬選擇及執行虛擬行爲。

4

虛擬地理環境的網絡空間特徵，爲分布式地理學實驗提供了開放的虛擬工作空間，極大減少了時間和空間對羣體協同的地理實驗的限制。

改進的虛擬地理環境拓展實驗地理學研究方法

隨着大數據時代的到來，海量個體認知及行爲數據爲人地關係的研究提供了潛在的機會，同時也對虛擬地理認知實驗提出了進一步的要求——如何構建新一代的虛擬地理認知實驗範式，從海量人類活動和地理大數據中提取個體和場所的交互模式，挖掘其在不同尺度上相互作用過程中的新模式、新知識，從而系統地構建地理知識工程。

大數據的背景下的科學研究基本範式已經從試驗歸納、模型推演、仿真模擬的階段，進入了第四類研究範式——數據密集型科學研究(Data-intensive scientific discovery) 。基於人工智能，知識圖譜等技術的「認知計算」爲在大數據中挖掘地理知識提供了潛在的途徑，爲理解人們的認知、感知和行爲提供了有力的支持。

在衆多地理大數據中，街景圖像數據是觀測城市物質空間的一種新型的大數據源，其觀測視角更接近於人。街景圖像不但詳盡地描繪了城市物質空間的組成，同時蘊含了大量有關人類活動和社會經濟屬性的信息。利用街景圖像數據，相關領域等不僅實現對城市物質空間進行了量化表達，同時對個體的對於城市視覺場景的感知進行了建模分析，並進一步對城市視覺場景表達的城市功能、居民出行行爲進行了估計。例如，張帆等構建了一種深度學習模型，通過輸入單張街景圖片，來預測街景圖片所在街道上居民平均每小時的出行量。

基於街景圖片估計居民日出行模式

北京五環內街道上居民日出行模式

居民出行活動強度實際觀測（左）與模型預測（右）對比

虛擬地理環境支撐下的地理知識工程，具有典型的時代特點，將解決不同領域不同形態地學知識的融合、演化與創新，它將高度集成人工智能、雲計算、混合現實、知識圖譜等新興計算機技術，實現符合人類認知特點和探索過程的智能化地理過程建模與模擬環境，支撐智能化虛擬地理環境。由此可見, 虛擬地理環境地學知識工程是以地學知識爲研究對象，以實現智能化虛擬地理環境爲目標，以共同研究的相關問題爲核心，可以形成完善的地理信息技術方法、理論和技術體系。

地理知識工程的基礎理論包括地理概念、地理實例、專家知識、時空關聯以及地理事件等，相關研究面臨着知識獲取、表達、管理與可視化、安全與隱私等系列難題。知識圖譜強大的語義處理和互聯組織能力爲地理知識工程提供了知識表達和管理方式，正好符合地理知識的實體對象、規模可擴、關聯廣泛等特點。結合知識圖譜，實現地理知識的抽取、表達、存儲和管理，可以爲虛擬地理環境提供地理知識庫，同時支撐地理知識工程中地理知識的應用、協同和共享。通過集成人工智能算法和模型，地理知識工程能爲傳統地學應用提供接近人腦智慧的經驗知識，從而實現新一代智能虛擬地理環境。

隨着時空大數據時代的到來，大量的研究和分析開始逐漸從基於現實世界的抽象與分析轉向基於數據和模型的數字化抽象與分析，地學研究和地學分析更加需要一個可以對地理現象與地理規律進行集成分析與表達的載體。

集幾何、物理和行爲模型於一體的虛擬地理環境能夠爲構建可動態、廣泛融入地理規律的人機結合的認知體系提供可能，從而提升利用地理知識消化理解海量時空數據並重現地理現象及過程的能力。現階段，虛擬地理環境正朝着面向新一代地理分析工具、計算機輔助的地理實驗空間以及地理知識工程實現手段而發展，地理學的格局、過程、作用都期望在統一的研究框架下得以開展，進而用於支撐地理科學的研究繼續朝着綜合性、定量化的方向發展。

可以預見，以地學知識爲研究對象、以地學知識工程爲導向的虛擬地理環境研究，除傳統的集中式、專業化、領域分割化的科學研究範式外，正逐步邁向開放式、服務式、協同合作式的科學研究範式。這也是虛擬現實技術、網絡技術等發展到今天，科學研究發展趨勢在地理學領域的真實反映。

後記

轉載自地球信息科學學報（ID：DQXXKX）

原文標題：從地理信息系統到虛擬地理環境的認知轉變

-The end-

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