分布式地学虚拟环境特征与发展背景

分布式地学虚拟环境（Distributed Virtual Geographic Environments），是指基于因特网、万维网的多用户虚拟三维环境，可用于发布地学多维数据，模拟和分析复杂的地学现象过程，支持可视和不可视的地学数据解释、未来场景预见（现）、设计规划和决策等；同时它也可以用于教育、旅游和娱乐。

1．分布式地学虚拟环境的特征

（1）基于因特网和万维网。因特网和万维网作为分布式地学虚拟环境存在和发展的基础，是分布式的异构开放环境，它要求分布式地学虚拟环境可让一般用户使用标准的万维网浏览器，就可以连接和进入虚拟环境。

（2）用户交流是实时快速的。在分布式地学虚拟环境中，多用户之间的信息通信、传输，系统之间的共享三维对象传输，要求是（准）实时快速的（Singhal and Zyda，1999）。

（3）设备要有三维计算和显示能力。用户与三维图形世界的交互是（准）实时的，这要求快速的三维世界图形计算和显示能力（一般要求每秒达到15帧以上，最好是25帧，甚至是30帧）。

（4）用户是三维化身。用户在分布式地学虚拟环境中，一般是以三维化身表达，用户之间的交互则通过化身、文本以及声音或实时传输的摄像等。

（5）信息是分布式共享的。三维图形世界和各种三维对象是分布式共享的，即若在任何一个用户的三维世界增加、删除或改变某一个三维物体，那么其他的在线用户应立即能在他们的虚拟环境里观察到这一三维物体的变化。

（6）描述可视和不可视现象。三维图形世界既描述地球科学中的可视空间现象，如地形、地貌、地层、海洋、城市等，也可以描述不可视空间现象，如温度、风场、人口分布等。

（7）用户可自由探索和操作。用户在三维虚拟环境中，除了可作三维空间探索行走外，还可以进行地学数据查询、空间分析、模型计算与模拟等。

2．分布式地学虚拟环境的发展背景

作为一个新的发展方向，分布式地学虚拟环境的形成发展背景是复杂的。下面我们将从在线社群社会，网上三维图形、CAD和可视化以及虚拟地理信息系统三方面探讨其发展背景。

（1）在线虚拟社群。在因特网的虚拟界中，存在大量的实时在线交谈社群。这些虚拟社群在开始形成时，一般是以文本方式进行信息交流的，而社群成员身份仅是用一个名字（匿名）表达。但随着社群的发展，这种社会交往方式，因为交流渠道单一（仅用文宇符号），缺乏变化多样的交流内容和事件，与现实界的拥有三维地方、三维地理场景、丰富身份特征（声音、三维身体形态、表情、动作等）等形式的社群／社会生活相比，有较大的差距和局限性。为了突破上述局限，结合网络语言工具如Java、虚拟现实构模语言VRML等的发展，以文本交流方式存在的在线虚拟社群也逐渐采用三维图形和文本相结合的方式进行社会交往。这时，虚拟社群就发展成为在线三维虚拟环境，该虚拟环境中，三维虚拟世界一般模拟现实界的某一个地方，或者是凭想象创建一个现实不存在的三维场景，而社群成员的身份以名字和三维化身表达。这样，如果在线三维虚拟环境的三维虚拟世界是模拟某一地学现象或过程、用于地学三维或多维数据的发布和分析，那么，该虚拟环境就可称为分布式地学虚拟环境。所以，分布式地学虚拟环境从信息传播、社会学方面看，与在线虚拟社群（社区）的发展是密切相关并相互影响的。

（2）网上三维图形、CAD和科学计算可视化。网络信息世界的快速发展与超文本语言HTML以及万维网浏览器如Netscape和Internet Explorer等的应用是分不开的。但HTML并不处理三维图形世界，为了能在万维网上显示三维数据，描述三维世界，基于三维图形构模语言Open Inventor的场景描述格式，计算机专家设计了虚拟现实构模语言VRML。最初的VRML1．0只能描述静态的三维世界，而VRML2．0与VRML1．0相比有较大的改变，并能描述动态的三维世界。在1997年，VRML97成为描述基于万维网三维动态世界的国际工业标准，自此，VRML的应用及其各种浏览器的开发得到了很大的发展，各种网上三维世界如三维赛博城市、三维虚拟校园等也相继出现。另外，与VRML世界的交互，可以应用Java Script或VRML EAL（External Authoring Interface）来实现，这样为网上建立基于VRML和Java的可交互三维虚拟环境提供了可能。显然，VRML可用于描述三维及多维的地学现象或过程，Java语言可用于建立用户之间的相互通信以及用户与VRML地学世界的交互，从而可以开发基于万维网的三维地学虚拟环境。

在CAD设计和科学计算可视化研究领域，初期基于单机或本地的CAD系统或可视化系统，也逐渐发展为基于因特网和万维网的分布式CAD设计环境或可视化环境。如果这些环境可进行多用户远距离合作研究地学问题，那么，就可认为是一个分布式的三维地学虚拟环境。如Tecoplan公司和Blaxxun公司合作开发的分布式CAD虚拟设计环境——DMU Con－ference（Tecoplan，2000）。DMU Conference可以让来自不同地方的设计人员虚拟地相聚，一起讨论与解决有关设计的问题。又如，加利福尼亚大学计算机科学系研制的基于网络的合作三维可视化环境Cspray界面（Pang，2000），在该环境中，处在不同地方的用户（Alper and Tom）可进行计算可视化的分布式合作研究。

（3）虚拟地理信息系统。地理信息系统是关于地学数据处理、管理、显示、查询和分析的计算机系统，它的数据模型和图形显示因为仅考虑零维、一维和二维的地学信息，一般称为二维地理信息系统（2D GIS）。在二维GIS中，一般有一个三维可视化模块，主要用于数字高程模型的三维可视化表达与分析，但它在整个GIS系统中并不具有特别或中心的位置。

虚拟现实系统是一个真正的三维系统，用户可多感觉地（视觉、听觉、触觉等）与计算机生成的三维空间进行交互。地理信息系统和虚拟现实系统集成试验可以追溯到20世纪70年代，但从正式发表的文献看，Faust和Koller等在20世纪90年代初期比较成功地进行了地理信息系统和虚拟现实系统的集成试验，并提出虚拟地理信息系统概念（Virtual GIS）。Koller等开发可用于军事演习的虚拟地理信息系统。用户在该虚拟地理信息系统中除了在空间行走运动外，还可以查询有关场景中的物体和目标信息。

虚拟地理信息系统是把原先在二维地理信息系统中只占一般地位的三维可视化模块提高到了整个系统的核心地位，把用户与地学数据的三维视觉、听觉等多感觉实时交互作为系统的存在基础。由于把观察者（用户）加入到了地理信息系统中，使之成为一个参与者，并以参与者作为系统设计的重心，从而需要相应地改变数据模型设计、数据图形符号表达呈现方式等。如原先的森林，在二维地理信息系统中只用绿色表示；但在虚拟地理信息系统中，需要用许多真实的三维树表达；又如与三维地学数据的动态实时交互，则要求特殊的三维数据结构，以及考虑与用户距离远近、速度快慢等行为状态有关的动态处理算法等。

但是，随着因特网的发展和虚拟现实构模语言VRML的广泛应用，虚拟地理信息系统又被理解为因特网地理信息系统（Internet GIS）／分布式地理信息系统（Distributed GIS）与虚拟现实构模语言技术的综合应用和融合集成。我们把这种定义的虚拟地理信息系统称为基于因特网的虚拟地理信息系统，而前面地理信息系统与虚拟现实技术结合的虚拟地理信息系统可被称为投入式的虚拟地理信息系统。因特网地理信息系统是传统单机地理信息系统的发展，是在因特网环境下实现地学数据的发布和应用分析，但它仅处理和显示二维地学信息。虚拟现实构模语言是基于万维网的三维世界建模工具，因特网地理信息系统与它结合以后就能建立基于因特网的虚拟地理信息系统。但从目前的研究和理解看，基于因特网的虚拟地理信息系统与投入式的虚拟地理信息系统有些差别，它并不把基于虚拟现实构模语言的三维世界及用户与它的交互作为核心，同时用户（观察者／参与者）在系统中的地位并不突出。

如果把用户及其相互交流提高到系统的显要位置，把基于虚拟现实构模语言的三维世界及用户与它的实时动态交互作为系统存在的基础，那么基于因特网的虚拟地理信息系统，就可发展成为分布式地学虚拟环境。