来源：第三维度
    作者：李文航，龚建华，李小文，黄明祥
          杨卫军，张利辉
    单位：中国科学院遥感应用研究所
          遥感科学国家重点实验室

    摘要 虚拟实验是虚拟实验室建立的核心。虚拟实验由虚拟实验环境、虚拟实验对象、虚拟实验理论、虚拟实验过程、虚拟实验结果分析和结果反馈等五部分组成；认知理论和相似理论是虚拟实验的理论基础；虚拟实验源于现实、高于现实，并最终作用于现实；虚拟实验和客观现实一同构成正反馈系统是一个数据挖掘再挖掘、知识发现再发现的过程；虚拟实验具有可控性、交互性、可视性和定量化的特点，具有时间、空间、尺度、维度等属性，可以简单的分为完全虚拟实验和混合虚拟实验两种。虚拟地理实验是虚拟实验在地理范畴中的继承、应用和发展，地理科学的复杂性和巨系统性赋予了虚拟地理实验独有的特点：虚拟地理实验的研究对象是可计算的人地关系；而地理空间认知理论、广义地理相似理论和系统论在创建可计算人地关系的同时也奠定了虚拟地理实验的理论基石。最后，在虚拟实验和虚拟地理实验理论指导下，以遥感数据关于“垂直投影面积”和“地表真实面积”两个概念混用可能引起的误差传播及纠正方法为实验对象，以Java 3D 和DEM 构建虚拟实验环境，以DEM 对遥感影像进行维度扩充，并在一定范围内实行比例缩放，模拟连续的地表起伏，总结概念混用引起的误差分布规律，并提出纠正方法。最终把虚拟实验的结果在真实数据的面积纠正中反馈，结果表明，纠正取得很好的效果，同时证明，虚拟地理实验在理论和应用上是可行的。

    一．研究背景

    虚拟实验在众多学科的研究中得到了重视，但长期以来，由于地理学科的复杂性和巨系统特性，虚拟实验在地学中的研究和应用甚为鲜见。近年来，随着技术和理论的发展，数字地球的研究提供了可供参考的原型系统（Google Earth, 2005），虚拟现实、赛博空间和网格技术的逐渐成熟和广泛应用提供了研究复杂性问题的技术支持，更重要的是虚拟地理环境[2-4]的深入研究提供了大量理论支持并原创性提出虚拟地理实验的核心概念[5-6]，所有的一切都使得虚拟实验在地学中的应用——虚拟地理实验的开展成为可能，同时也使得系统性研究虚拟地理实验成为必要。

    本文首先探讨虚拟实验的基本特点和相关理论，在此基础上，根据地理学复杂性的特点，对虚拟实验进行继承和扩充，探讨虚拟地理实验的相关理论和方法。最后，在虚拟地理实验的理论指导和支持下，通过具体的实例，探讨虚拟地理实验理论的应用及具体实现，验证虚拟实验在复杂性地理科学中的应用——虚拟地理实验的可行性。

    首先分析两组相关概念。

    1．虚拟实验与虚拟实验室

    虚拟实验和虚拟实验室的构建是包括生物[7]、化学[8]、物理[9]、人体运动[10]、机械制造[11]等在内的众多学科、众多研究关注的热点，但目前多数集中于虚拟实验和虚拟实验室本身的物理技术实现，如分布式计算[1213]、网络协同[14]、客户机－服务器的实现[15]等。确切的说，探讨的是虚拟实验的物理环境及技术平台的搭建，而对虚拟实验室的核心部分——虚拟实验的设计需遵循什么样的原则，开展需符合什么样的标准以及虚拟实验本身的理论、方法及具体实现探讨较少。

    2．虚拟教学实验与虚拟科研实验

    目前文献中对这两个概念尚不加区别，统称为虚拟实验，而又以虚拟教学实验的讨论为多。[16-20]

    虚拟教学实验指把以往需要教学仪器、教学设备辅助完成的教学实验在计算机环境下，通过虚拟仪器、虚拟设备的形式完成的，用于教学为目的的虚拟实验。虚拟教学实验是对现实教学实验的计算机还原和再现，其实验过程、实验方法及试验结果已知。

    虚拟科研实验是以科研为主要目的的虚拟实验，其实验方法、实验过程由科研人员设计，实验结果在实验前不可或很难预知。虚拟科研实验具有原创性。当然，在某种情况下，虚拟科研实验可以转化为虚拟教学实验。本文探讨的虚拟实验特指虚拟科研实验。

    二．虚拟实验

    1．虚拟实验的组成

    同现实实验相对应，虚拟实验一般应包括以下几个组成部分：

    ① 虚拟实验环境（E）。虚拟实验环境是参照客观现实建造的、符合人们认知规律的、根据实验的具体需要对现实环境进行抽象、相似和再创造最终形成的虚拟实验进行的载体和平台。包括虚拟实验所处的虚拟环境以及虚拟实验所需虚拟设备等。

    ② 虚拟实验对象（O）。虚拟实验对象指欲在虚拟实验中验证、得出结论、总结其中规律的、对应于某一客观实在（包括现实对象、现实关系、现实现象和现实过程等）的化身。

    ③ 虚拟实验理论（T）。指用于指导虚拟实验设计和进行的理论支持，通常为现实世界中形成的先验知识、既有理论和一些必要的假设。

    ④ 虚拟实验过程（P）。指在虚拟实验环境下，在实验理论指导下，对实验对象按事先设计的实验方案和实验流程进行实验，并最终得到相关结果的过程。

    ⑤ 虚拟实验结果分析（R）和反馈（F）。这是虚拟实验最重要的组成部分，也是虚拟实验的根本目的之所在。虚拟实验是为了指导人们深入或重新认知客观现实。通过分析，决定着实验结果的接受和否定，而通过反馈，虚拟实验完成并最终形成后文所要阐述的源于现实、高于现实并最终作用于现实的正反馈系统。

图1 虚拟实验的组成

    2．虚拟实验的理论基础

    （1）认知理论

    认知是人们从特定的立场、特定的角度、特定的目的出发，对现实世界中的特定客观实在通过比较、分类、抽象、归纳、演绎、分析、创造等步骤，总结规律、形成概念、建立公式、提出理论的过程。认知是人们认识世界、揭示客观规律的过程，是虚拟实验环境、虚拟实验对象、虚拟实验理论等的直接来源，是虚拟实验结果反馈客观现实的依据，是整个虚拟实验开展的前提和基础。

    （2）相似理论

    相似理论对虚拟实验的指导意义至少包括以下三重：首先，相似理论决定质同。相似是虚拟实验同现实世界的相似，决定着虚拟实验及各组成部分的虚拟不是凭空的虚拟，而是来源于现实、符合客观规律的虚拟。其次，相似理论决定形似。虚拟实验不是对现实的原样复制和拷贝，而是在保持质同的前提下，依据实验目的和实验条件，对现实世界进行简化和一定程度的改变，从而得出相关结论的再加工、再创造的过程。最后，相似理论决定实验结果的相似。虚拟实验结果在一定条件下（指符合现实世界的时间、空间、尺度、维度和人们的认知规律）可应用于现实，直接决定着虚拟实验具有反作用于现实的特性。

    3．虚拟实验的特点

    认知理论和相似理论的基础决定了虚拟试验具有以下特点。

    （1）虚拟实验应源于现实

    虚拟实验的实验环境、实验对象、实验的理论等都不是凭空臆断，而是对客观世界的抽象，遵循人们对客观世界的认知规律，虚拟实验的最终目的也是为了解决现实问题。虚拟实验是对现实的实验。

    （2）虚拟实验高于现实

    相似理论的基础决定了虚拟实验只是对现实在质上的相似，应该以实验的顺利进行为目的，在不改变客观规律的前提下，有目的的改变时间、空间、尺度和维度，创造某些新的环境、新的对象甚至新的过程参与实验。虚拟实验是对现实本质的实验。

    （3）虚拟实验最终作用于现实

    虚拟实验的最终目的是为了检验、加深或重建人们对客观世界的认知。虚拟实验是以现实为起点也以现实为终点的实验。虚拟实验同客观现实一起构成正反馈系统，是数据挖掘再挖掘、知识发现再发现的过程。

图 2 现实世界-虚拟实验的正反馈系统

    4．虚拟实验的性质

    （1）虚拟实验具有可控性

    虚拟实验的可控性首先表现在认知的可控性上。认知是根据自身需要有选择的、特定角度的认知。其次，表现在实验过程的可控性上。作为实验主体的人，可以制定实验过程，可以控制实验的开始、实验的结束，也可设定新的初始状态开始新的实验。最后，表现在结果分析和反馈上。实验者可以对实验结果进行分析、取舍并最终决定实验结果对现实的反馈程度。

    （2）虚拟实验具有交互性

    交互是实现实验可控性的必要手段。虚拟实验的交互包括主体人同实验过程、主体人同主体人、实验过程同虚拟仪器、实验过程同现实仪器、虚拟仪器同现实仪器之间、甚至包括虚拟实验同现实实验之间的交互等，其中，最主要的表现是主体人同实验过程的交互。

    （3）虚拟实验具有可视性

    可视性是实现实验可控性的必要条件。各组成部分的状态、实验过程进度的可视显示，是通过交互对实验进行控制的最直接依据，可视性也是实现数据挖掘和知识发现的重要手段。

    （4）虚拟实验是定量的

    虚拟实验各组成部分的定量化是虚拟实验开展的前提，定量是虚拟实验结束的条件，定量是实验结果反馈于现实的保证。

    5．虚拟实验的属性

    虚拟实验也具有现实世界中的时间、空间、尺度、维度等属性。虚拟实验是对现实世界中特定时间、空间、特定尺度、维度下特定实验对象的虚拟表现，相应的，虚拟实验也不可或缺的具有这些属性。虽然在虚拟实验中可以根据需要进行“时间点－时间段”、“空间点－空间域”、“宏观－微观”、“维度压缩－维度扩展”等操作和转化，但最终结果对现实的反馈仍遵循四属性的限制和约束。

    6．虚拟实验的分类

    根据虚拟实验同现实交互的程度可以简单区分为完全虚拟实验和混合虚拟实验两种。完全虚拟实验是所有过程均在封闭的虚拟环境中以虚拟的形式进行，除与主体人的交互以及最终的结果反馈外，不与现实发生任何关系。而混合虚拟实验是虚实结合的虚拟实验，它把部分现实过程和现实仪器也纳入虚拟实验的环境中来，在实验过程中，除主体人与实验过程的交互外，还包括虚拟仪器同现实仪器、虚拟过程同现实过程等的虚实交互。

    7．虚拟实验与人

    人是虚拟实验的主体，是虚拟实验的发动者和控制者，是虚拟实验的神经中枢和智慧中心。人把现实过程抽象成虚拟实验，并把实验数据、信息升华为知识，并做出相应决策。人是连接虚拟和现实之间的桥梁。

图 3 人的核心

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