摘要：提出虚拟地理环境概念,并讨论其特征。虚拟地理环境,是包括作为主体的化身人类社会以及围绕该主体存在的一切客观环境,其中的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整体。虚拟地理环境结构由地理位置层面、内表达数据层面、外表达境象层面、单主体感知认知层面和互主体社会层面组成,它的孕育演化包括虚拟群落社会、虚拟村落社会和虚拟城市社会3 个阶段。最后讨论了地学虚拟环境与虚拟地理环境,以及虚拟地理环境和现实地理环境的相互关系。

网络、3S 和虚拟现实技术的发展,一方面为地学数据的分布式存储、管理、共享、分析和应用,以及建立基于因特网(万维网) 3 维的高分辨率的虚拟环境如数字城市、数字小区、虚拟大学,提供了工具和平台;另一方面在基于因特网的网络信息空间中,人们的信息交流交互不再受现实地理位置、距离和时间的约束限制,这样,距离的消失和时空维的点压缩等因现代数字信息技术发展带来的一系列现象和话题[1～7] ,让我们思考关于空间、位置和距离的传统地理学在信息社会/知识社会的未来和面临的挑战。本文将从基于因特网的在线3 维虚拟现实出发,提出并定义虚拟地理环境概念,进而讨论其结构层面、演化过程和特征。

1 　虚拟地理环境概念

基于因特网和万维网的信息空间,首先表现为无形流空间,无形流空间是表示人只能感觉到在虚拟空间中发生的事件,却不能指出在虚拟空间发生的具体地点或位置。但是,随着虚拟现实技术引入到因特网和万维网,在无形流空间的基础上,又展现了另外一种空间,我们称之为有形位置空间。有形位置空间是表示人在虚拟空间中能感知到事件的发生,并且能指出事件在虚拟空间中发生的具体地点或位置。有形位置空间一般是3 维图形境象空间。有形位置空间是无形、高维信息空间的有形化和3 维化,是以现实世界的3维物质空间为蓝本而建立起来的。

3 维虚拟空间和位置的存在,为虚拟世界的发展建立了基础。目前,在网络世界中,存在有许多属于有形位置空间的,大小、样态、复杂程度不一的在线3 维虚拟现实,如虚拟城市、虚拟学校和虚拟银行等,其中有的已发展成为具有大量虚拟移民人口,复杂的3 维景观和较复杂的社会、经济和政治结构。例如,基于因特网的3 维虚拟世界Active Worlds ,经过多年的发展,目前,总用户人数有100 万以上,正式注册的市民已超过3 万,每个市民可以在Active Worlds 中建立属于自己的屋子[8] 。我们把这样高度复杂、用于人类生产、消费、娱乐等社会生活的虚拟系统称之为虚拟地理环境。下面,我们以现实地理环境作为参照对象,定义虚拟地理环境的概念。

现实世界的地理环境是指人类生存与发展的地球表层,是包括作为主体的人类社会以及围绕该主体存在的一切客观环境,是由自然环境和人文环境(经济环境和社会文化环境) 相互联结、相互作用的系统整体[9] 。现实世界的地理环境是一个自主、可自我演化的客观实体,表示的是人类社会与其复杂环境的相互关系。网络世界的虚拟地理环境,也是一个客观实在,且正演化展现,它可定义为包括作为主体的化身人类社会以及围绕该主体存在的一切客观环境,包括计算机、网络、传感器等硬件环境,软件环境,数据环境,虚拟图形境象环境,虚拟经济环境,以及虚拟社会、政治和文化环境。这里的化身人类,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整体。化身是用户在虚拟世界中的3 维图形表达。

2 　虚拟地理环境结构层面

虚拟地理环境包括化身人类社会主体及其围绕该主体的所有环境,它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互动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。下面分别陈述每一层面的特征。

2. 1 　地理位置层面

虚拟地理环境由众多的计算机及其网络组成,每一台计算机都落实在某一地理位置上,并赋有一个遵循TCP/IP 协议的IP 地址,如137. 189.169. 212 ,它在网络系统中是惟一的作为某计算机入网的识别身份。有了IP 地址,计算机就可以作为网络的一个连通的节点。

根据地理位置而形成的计算机网络分布空间,称为地理位置空间。地理位置空间直接连接了虚拟地理环境和现实地理环境,该空间中的节点密度可反映2 个地理环境之间的相互影响和相互作用强度和频度。

2. 2 　内表达数据层面

虚拟地理环境的基本空间支撑基础是一组有结构、有组织的具有3 维几何空间的有序数据,它使得虚拟世界成为一个有坐标、有地方、有3 维空间的世界,从而与现实世界中的可感觉、可触摸的3 维世界相对应,为化身人类在虚拟世界的生存和发展提供可能。

由于表达虚拟地理环境的数据是线性存储在计算机物理介质中,要通过其他计算机操作,如文件或数据库打开、图形处理等,才能被感知到,所以称为内表达数据。内表达数据层面除了空间属性数据外,还有许多不同种类、不同比例尺、不同来源、不同性质的非空间属性数据。为了能在虚拟地理环境中实现数据的共享、互操作,必须建立共同的标准。目前,美国、中国等国家和地区都正在研究和讨论国家空间信息基础设施的建立和实施。

2. 3 　外表达境象层面

化身人类生活的虚拟地理环境,应该是可以多感知(视觉、听觉、力觉等) 的3 维空间,其中3维视觉感知是最主要的。虚拟地理环境是由许多3 维物体如山脉、平原、房屋、树、化身等构成的3维境象世界,它是内表达数据层面的外化、知觉化。内表达3 维数据的3 维图形视觉表达,一般采用3 维透视和双眼立体视觉方法。外表达3 维境象层面,让用户可以直觉地、高效地、逼真地与虚拟地理环境中的虚拟物体和化身交互,从而为虚拟地理环境的虚拟景观和社会系统的向前演化提供了基础。

2. 4 　单主体感知认知层面

在虚拟地理环境中,用户除了应用视觉器官感知虚拟世界外,还可以应用听觉、力觉、触觉,甚至嗅觉、味觉等器官与虚拟物体进行信息交互。多感觉、多通道的信息交互方式,让用户更加沉融于虚拟环境中,并将大大扩展虚拟地理环境系统和服务功能,最终将模糊虚拟地理环境与现实地理环境的界线,使它们融为一体。

在多感觉交互方式中,视觉感知与空间认知研究得较多,也较成熟。用户在虚拟环境中一般以化身表达,图1 表达的是3 维图形描述的男女化身。化身的形体大小、高度,化身的视点高度,化身运动的速度与方向将会影响到用户对环境的感觉和认知。

图1 　3 维化身

2. 5 　互主体社会层面

虚拟地理环境表达的是化身人类主体之间(即为互主体) ,以及化身人类主体与软硬件环境、虚拟数据图形环境等的相互关系。化身人类主体是自然人与化身的结合。虚拟地理环境中的化身是化身人类在虚拟世界中的身份,采用不同形态、性别的化身会影响化身人类在虚拟世界和现实世界的心理状态和社会行为。

虚拟地理环境的互主体社会行为还表现在虚拟社群(社区) 的不同形态、特点与运作上。虚拟社群(社区) 是指以一定的虚拟空间区域,或一定的主题、共同兴趣、服务功能等为形成原则的社会组织。化身人类社会互动的结果会形成复杂的虚拟社会文化结构。

3 　虚拟地理环境的孕育演进

基于因特网虚拟地理环境的孕育演进是一个从“无”到“有”的过程,一般是从一个网络节点开始展开,逐渐经历类似于现实世界人类社会文明的发展历史,即经历从虚拟群落社会,虚拟村落社会,再到虚拟城市社会的3 个阶段[10] 。

3. 1 　虚拟群落社会

虚拟群落社会是仅有虚拟空间,没有位置(地方) 的社会,是虚拟地理环境的孕育阶段。例如,因特网中的在线交谈社群,就是虚拟群落社会,这个社群中的成员一般是随机的、不确定的。现实生活中的英语角就类似于网络中的虚拟群落。虚拟群落社会的特征是:

①社群成员相聚大多是随机的;

②成员交谈一般以文字、声音方式,没有脸部、身体等交流行为;

③成员多以一对一交谈,也可以多人在一起交谈;

④成员的身份是随时可变的,从而这在一定程度上消除了人与人之间交流的障碍。

虚拟群落社会发展到一定阶段时,就会出现许多问题,例如,除了聊天没有更多的有用价值;成员之间很难建立起信任感;身份的易变从而使虚拟社会难以管理;只有交谈空间没有位置、地方概念,让人无法拥有家的感觉,同时也很难涉及有2 维、3 维空间现象的话题等等。要解决上述问题,虚拟群落社会必须发展到虚拟村落社会。

3. 2 　虚拟村落社会

虚拟村落社会是从游牧不定的虚拟群落社会演化而来,村落社会成员开始拥有固定的2 维/3维空间位置,并建立自己的家居。成员之间的相互关系变得稳定、长久;村落社会将具有虚拟3 维地理景观,并将其景观作为空间的记忆标志,叙说村落社会的发展历史,并有助于成员的记忆和村落社会生活的展开和社会的发展。

虚拟村落社会作为一个较为复杂的系统,其特征可总结为:

①成员的身份是固定的,从而可建立起互相信任的社会关系;成员一般以名称及3 维化身表示。

②拥有一定数量的成员(一般在几十到几千人) ,成员有自己的家居;村落的3 维空间面积不会很大,成员以步行方式在短时间内较容易到达。

③ 拥有一定的社会政治结构,例如,管理协调整个村落的村长,某个小组的组长等。

④能有计划地安排一些活动项目,如公众集会、娱乐游戏和专题讨论等,以丰富虚拟社会生活。

⑤拥有一定的法则,如成员对自己的创建物可作为私人财产,受到保护;成员可以对自己的家居设定权限,仅让得到允许的人进入等等。

⑥具有一定的经济行为和活动,如成员参加虚拟社会生活越多,则可得到较多的经济收入(以虚拟钱币表达) 等等。

3. 3 　虚拟城市社会

在虚拟村落社会阶段,成员一般在某个村落生活,活动空间范围也比较小,与其他村落、虚拟世界是相互隔绝、不连接的。但是,随着村落社会的发展,村落会越来越大,成员人口会越来越多,村落就会发展成城市;同时,许多不同的村落将会涌现,村落之间的相互连接和交流会日益加强,最后也会形成城市。所以,虚拟村落社会发展到一定阶段,就演变成虚拟城市社会。

对于虚拟城市社会的虚拟城市,其人口(注册成员和访问人员) 一般在几万、几十万以上,其3维空间范围也非常广阔。虚拟城市社会需要考虑村落与村落,城市与城市之间界线与连接,在社会、政治、经济结构上要比虚拟村落社会更丰富和复杂,是与现实世界的现实地理环境复杂程度相匹配的自组织、自主演进的虚拟地理环境。

4 　分布式虚拟环境与虚拟地理环境

从计算机技术角度看,虚拟地理环境是由分布式虚拟环境发展而来的。分布式虚拟环境是指基于因特网的由硬件、软件和人组成的一个系统,在该系统中人在计算机软硬件模拟产生的一个虚拟3 维空间中,可以自由地行走探索,并可多感知地与他人或其他虚拟物体进行交互[4] 。一般的虚拟环境仅涉及虚拟地理环境的地理位置层面,内表达数据层面,外表达境象层面以及单主体感知认知层面,没有涉及互主体社会层面;但是,它们若用之于社会生产、社会消费和社会生活,并在拥有大量虚拟居民(化身人类人口) 和相当复杂程度的虚拟3 维地理景观、虚拟社会、经济和政治结构等状况下,就演化发展为虚拟地理环境。所以,分布式虚拟环境与虚拟地理环境是有关联的,但又有区别的。虚拟环境,作为应用软件工具,是可以设计的;但虚拟地理环境并不只是一个软硬件计算机系统,不是几个人或是研究机构设计出来的,而是必须有大量的虚拟移民人口,并形成了复杂虚拟社会结构后长期演化产生的。目前,虚拟地理环境正在孕育演化之中,处于虚拟自然地理环境阶段。

5 　虚拟地理环境与现实地理环境相互关系

虚拟世界孕育并脱胎于现实世界,并且我们认为虚拟地理环境和现实地理环境都是实在的展现,是相互关联、相互影响、相互依存的2 个世界。那么,虚拟地理环境和现实地理环境在内容上有何种关系呢? 下面从“虚拟”的特征以及数字地球2 个角度进行讨论。

5. 1 　“虚拟”特征视角

依照Baudrillard 的关于图像演化过程观点[11]以及我们在《虚拟地理环境—在线虚拟现实的地理学透视》[4]一书中关于“虚拟”的特征分析,我们认为虚拟地理环境和现实地理环境在内容上可有3 种关系。

1. 虚拟地理环境中的部分世界是以现实地理环境为对象,通过数字化表达、真实性地模拟现实地理环境中的在场的可见地理自然景观、地理人文景观以及不可视但可感的人口、社会、经济和政治结构分布和功能特征,是现实地理环境世界在另一不同的时空媒介背景和上下文境况下的分化和重组。

2. 虚拟地理环境的部分世界表达与反映现实地理环境中不在场的、可能多样化存在和发生的现象和过程。3. 虚拟地理环境的部分世界仅是在逻辑上可能的、在现实中永远不存在的事物或现象,它们与现实地理环境世界没有任何对应关系。

虚拟地理环境并不只是现实地理环境的简单映射、镜像、复制和模拟,是以现实地理环境为基石的一种新的创造。然而应该强调,虚拟地理环境与现实地理环境的关系,是互补性的,而不是替代性的,2 者是紧密相连、不能脱离分开的,是属于阴阳互补、互动关系。

5. 2 　数字地球视角

虚拟地理环境包括有许多不同的3 维虚拟世界,有的是模拟现实物质世界建立的,如数字地球、虚拟火星、虚拟月亮等;有的是依托想像而建造的,在现实世界没有对应物,如图2 所示。但是数字地球是虚拟地理环境中最特殊的一个赛博星球。数字地球,作为对应于现实物质地球的虚拟物,其3 维虚拟景观世界是现实地球上各种自然和人文景观的真实模拟和表达[12] ,其信息流会直接影响现实地球上的物质流、能量流,改变现实地球上的资源、环境、社会和经济结构,影响现实地球及其人类社会的演进方向和进程,进而反过来影响数字地球和虚拟地理环境生存发展。

图2 　虚拟地理环境与现实地理环境相互关系

但是,从虚拟地理环境的结构层面看,数字地球目前不涉及到互主体社会行为层面;从与现实地理环境的相互关系看,数字地球仅模拟和表达了可视的自然和人文景观,表达关于社会的历史数据,而对于现实地理环境人类社会中的活生生的人与人相互关系和互动行为,社会、经济和政治结构关系和互动,并不强调和重视,所以,当前的数字地球是没有人(化身人)“居住”和“互动”的一个3 维虚拟世界。因此,如果把数字地球链接或镶嵌于某虚拟地理环境中,那么,数字地球可以认为仅是一个虚拟自然地理环境。

另一方面,从学科、学术角度看,数字地球的提出,具有政治性、社会性的全球战略背景,它的建设和应用涉及通信、计算机、地球/地理科学、空间技术、管理等领域。而虚拟地理环境是以地理学为背景的一个学术概念,与地理学的地理环境(自然与人文) 、人地关系系统、地理认知与地理行为、区域空间分异、全球化与区域经济、城市规划与发展、社区发展、公众参与决策等理论与方法密切相关,例如,虚拟地理环境涉及网上虚拟社区(社群) 以及零距离带来的赛博地理学、虚拟地理学的讨论,但在数字地球中是不包含的。

6 　结束语

虚拟地理环境概念是逐渐形成并界定的,它主要基于如下方面提出的:因特网(万维网) 中客观存在并快速发展的3 维在线社区(社群) ,网上虚拟现实,数字地球概念的提出,以及引起的广泛讨论与实践,零距离带来的对传统地理学的挑战,地理学表达语言的发展,区域可持续发展公众参与的平台和媒介需求“, 身临其境”的多感体验、自然的人机交互和以图像/形象为主的交感思维,及其现实地理环境实体与概念等。

我们提出和定义与现实地理环境相对应的虚拟地理环境概念,是希望借助于传统地理学或现代地理科学的一些理论和方法,来透视虚拟地理环境这个新的客观世界的发展特征和规律,并同时在传统现实地理学的基础上发展新的虚拟地理学,从而来研究以零距离为特征的信息社会/知识社会的地理学现象和特征。

最后,从语言学视角,如果说虚拟环境(虚拟现实) 是一种新的地理学语言,即是从1 维文本、2维图形/图像/地图、地理信息系统发展到3 维(多维) 的“身临其境”并可超越现实的地理语言,那么,根据海德格尔的“语言是存在之家”的语言本体论认识,从虚拟环境发展形成的虚拟地理环境则是一种体现世界本体意义的特殊语言,让人类可“游”、可“居”、可生存、生产和消费,对于人类的发展和演进具有重要的意义。

参考文献:

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作者简介:

林珲(19542) ,男,广东汕头人,中国科学院暨香港中文大学地球信息科学联合实验室主任,1992 年获美国布法罗大学博士学位。研究方向包括虚拟地理环境、空间数据挖掘、雷达遥感,以及相关应用。

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