虚拟地理环境第一章虚拟地理环境概述课件

第一章第一章 虚拟地理环境概述虚拟地理环境概述 1.1 虚虚拟地理地理环境概念境概念 v1 1 现实世界的地理环境现实世界的地理环境v 定义：定义：是指人类生存与发展的地球表层。地球表层的空间范围一般是上至同温层的底部，下到岩石圈的上部，指陆地往下56km，海洋往下约4km（钱学森，1994）。v 组成组成：地理环境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、经济环境、和社会文化环境相互联结、相互作用的系统整体（刘南威，1998，胡兆量，1998）。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。v2 2 虚拟地理环境虚拟地理环境 v 定定义义：也是一个客观实在，它可定义为包括作为主体的化身人类社会和围绕该主体存在的一切地理环境。v 组组成成：包括计算机、网络、传感器等硬件环境、软件环境、数据环境、虚拟图形镜像环境，虚拟经济环境，以及虚拟社会、政治和文化环境。v化化身身人人类类：是表示现实界中的人与虚拟界中的化身（avatar）相结合后的集合整体。v化身是用户在虚拟界中的三维图形表达。围绕化身人类主体的虚拟数据和图形镜像环境是三维空间的，并且是虚拟地理环境存在与发展的基础。v 有了具有统一坐标系的三维世界，化身人在虚拟界、网络世界中就有了生存的地方、生存的家和活动的场所。v 从地理学的角度也就有了关于化化身身人人类类社社会会与虚拟空间、虚拟位置相互关系的虚拟地理学。1.2 1.2 虚拟地理环境的结构层面分类与特征虚拟地理环境的结构层面分类与特征 v1.2.1 1.2.1 层面分类层面分类v（1 1）实境层面）实境层面:v 包括计算机、因特网、通讯与传感设备、包括计算机、因特网、通讯与传感设备、数据、图形等实体或符号。数据、图形等实体或符号。v（2 2）虚境层面）虚境层面:v 包包括括基基于于文文本本、图图形形、图图象象、摄摄像像等等媒媒介介，通通过过交交互互、感感知知、认认知知和和想想象象在在人人脑脑中中形形成成的的三三维维虚虚拟拟世世界界以以及及在在三三维维虚虚拟拟世世界界中中主主体体与主体相互交流交互形成的与主体相互交流交互形成的虚拟社会世界。虚拟社会世界。v(Strate 1996)(Strate 1996)v1.2.2 层面解释 地理位置层面 内表达数据层面 外表达镜像层面 单主体感知认知层面 互主体社会层面 （1 1）地理位置层面）地理位置层面v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，并赋予一个遵循TCP/IP协议的IP地址，有了IP地址，计算机就可以作为网络的一个连通的节点。v地地理理位位置置空空间间：根据地理位置而形成的计算机网络分布空间。v节节点点拓拓扑扑空空间间：如果不考虑地理位置，只考虑网络中计算机节点的相互联接关系，那么就形成了节点的拓扑空间，节点拓扑空间是一个逻辑空间。（2 2）内表达数据层面内表达数据层面v内表达数据内表达数据：存储在计算机物理介质中，用于表达虚拟地理环境的数据。v这些数据要通过其它计算机操作，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。v内表达数据层面的空间数据形式一般有点、线、面和体。但虚拟地理环境的三维支撑空间应是面或体结构。v （3 3）外表达镜像层面外表达镜像层面v外外表表达达镜镜像像层层面面：内表达数据层面的外化、知觉化。v虚拟地理环境是由许多三维物件，如山脉、平原、房屋、街道、树、云、化身等构成的三维镜像世界，它是内表达层面的外化、知觉化。v化身人生活的虚拟地理环境，应该是可以多感知（视觉、听觉、力觉等）的三维空间，其中三维视觉感知是最主要的。外表达三维镜像层面，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。（4 4）单主体感知认知层面单主体感知认知层面v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。v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。v单单主主体体感感知知认认知知层层面面：用户（化身）对虚拟环境的感知与认知。v用户在虚拟环境中一般以化身表达，化身的形状大小、高度性别、运动速度与方向将会影响到用户对环境的感觉和认知。（5 5）互主体社会层面互主体社会层面v互互主主体体社社会会层层面面：化身人对化身人、化身人对化身社会、化身人对虚拟环境的感觉和认知。v虚拟地理环境表达的是化身人主体之间（即互为主体），以及化身人类社会主体与软硬件环境、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界中的身份，采用不同的形态、性别的化身会影响化身人类在虚拟界和现实界的心理状态和社会行为。v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。虚拟社群是指以一定的虚拟空间区域，或一定的主题、共同的兴趣、服务功能等为形成原则的社会组织。如公共社区、商业区、大学区、海滨活动区。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。虚虚拟拟地理地理环环境境举举例例 Active WorldsvActive Worlds 主页vActive World TourvActive Worlds 演化1.31.3虚拟地理环境的孕育演进虚拟地理环境的孕育演进v 虚拟群落社会 v 虚拟村落社会 v 虚拟城市社会（1 1）虚拟群落社会虚拟群落社会v虚拟群落社会：虚拟群落社会：是仅有虚拟空间，没有位置的社会，是虚拟地理环境的孕育阶段。v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社群。（2 2）虚拟村落社会虚拟村落社会v虚拟村落社会是从游牧不滞的虚拟群落社会演化而来，村落社会成员开始拥有固定的二维或三维空间位置，并建立自己的家居。v成员之间的相互关系变得稳定、长久，村落社会将具有虚拟三维地理景观，并将其景观作为空间的记忆标志，有助于成员的记忆和村落社会生活的展开和社会的发展。（3 3）虚拟城市社会虚拟城市社会v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，村落就会发展为城市，所以虚拟村落社会发展到一定阶段，就演变为虚拟城市社会。v对于虚拟城市社会的虚拟城市，其人口（注册成员和访问成员）一般在几万、几十万以上，其三维空间范围也非常广泛，为了方便交通，必须拥有自行车、汽车、飞机等快速交通工具。虚拟城市必须考虑村落于村落、城市与城市之间的界线及连接，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。1.4 1.4 虚拟环境的分类虚拟环境的分类v 虚拟环境是指由硬件、软件和人组成的一个系统，该系统可以让人在计算机软硬件模拟产生的一个虚拟三维空间中，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。v 虚拟环境，可有不同的应用领域，如支持科学研究、教育与培训、决策及大众娱乐等。v 虚拟环境的发展，目前存在两个基本的方向：一是基于虚拟现实技术的发展；二是基于因特网和万维网的三维图形环境的发展。v 从参与者的投入感划分，前者可称为投入型虚拟环境，后者称为非投入型虚拟环境。1.4.1 1.4.1 投入型虚拟环境投入型虚拟环境v投 入 型 虚 拟 环 境（immersive virtual environments）是参与者作为虚拟三维世界的一部分，人沉浸在虚拟世界里，探索行走，与虚拟物体交互，具有如同在现实物质世界一样或相似的感觉。参与者一般要戴上立体显示头盔、数据手套、数据衣等。v完全投入型头盔式虚拟环境，是参与者要戴上头盔，人完全与现实物质世界相隔离，当参与者移动头部或转动头部时，三维镜像都要被立即更新。v 半投入型的虚拟环境，有大屏幕投影方式、，虚拟工作台（virtual workbench）方式等。三维图形镜像投影在单个屏幕或者桌面上，参与者也同样戴上立体眼镜观察三维物体，图形镜像不随参与者头部的活动而快速更新。v投入型虚拟环境,有的一人参与（如头盔）；有的多人同时参与，如cave系统、大屏幕投影式和虚拟工作台式虚拟环境.cave系统系统投影式虚投影式虚拟环拟环境境不需戴眼不需戴眼镜镜的虚的虚拟环拟环境系境系统统不需要戴立体眼镜的虚拟现实不需要戴立体眼镜的虚拟现实4Dvision公司开发公司开发桌面微机虚桌面微机虚拟环拟环境境1.4.2 1.4.2 非投入型虚拟环境非投入型虚拟环境v 非投入型虚拟环境,也可称分布式非投入型虚拟环境，是指基于因特网和万维网的计算机软硬件环境，该环境具有三维图形空间，参与者可以从世界各地上网连接到该三维空间，并以化身表示各自在该共享环境中的身份，并进行相互交流。v参与者不必戴上立体显示头盔、数据手套、数据衣等设备，只需要一般的计算机软硬件装置。该环境强调的参与度与普及度，对参与者的融入度不作为重点。该虚拟环境的建模工具一般采用基于万维网的虚拟现实构模语言VRML。1.5 1.5 虚拟地理环境的研究内容虚拟地理环境的研究内容1.5.1 虚拟地理环境基础理论研究 1）可计算人地关系理论（地理学视角）,人地系统论，地理认知，地理计算，人工智能；2）虚拟地理学，赛博地理学（地理学视角）3 3）地理表达、交流语言（符号学、语言学、社会媒体学视角）文本，地图，图形/图象，GIS，虚拟环境 4 4）人-机关系理论(计算机人机交互理论视角）人-机界面，人机/人人互动，人脑/电脑，认知，主客体关系 5 5）虚拟性哲学，信息哲学（哲学视角）现实性哲学，在场/不在场，超越现实，“虚拟开拓人类的发展空间，开拓了以可能性、以不可能的可能性来重构人和社会发展的时代1.5.21.5.2虚拟地理环境的技术研究虚拟地理环境的技术研究v1）虚拟地理环境系统v 系统框架结构，三维数据模型，系统建模，实时交互技术，共享空间和多用户操作，基于地学过程模型的虚拟环境，分布式协同工作和群体决策，地学智能体，地学智能人（化身）等；GIS+VR/VE+Internet；v计算可视化系统；v虚拟现实系统；v分布式虚拟环境系统；v仿真系统。v2）超现实地理环境（混合现实技术）v现实多媒体信息和虚拟空间的合成；v移动穿戴式混合现实.移动式GIS、GPS和虚拟现实技术的集成和融合，物理视觉目标和计算机中图形目标的配准算法，虚拟空间和现实空间的合成理论与方法等。v3）网格计算与虚拟环境v1.5.3 虚拟地理环境的应用实践研究v1）数字城市工程，数字区域工程；v2）地学图解虚拟环境系统；v3）虚拟地理环境与区域可持续发展实践（区域可持续发展虚拟决策支持环境,虚拟地理环境的现实空间分布与信息鸿沟问题）；v4）虚拟战场环境；v5）在线（远程）地理教学等.