林珲教授：从GIS到虚拟地理环境的认知转变

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2023-03-22 16:00:42 848

主旨报告

2022第十届高校GIS论坛，国际欧亚科学院院士、江西师范大学教授林珲作主旨报告《从GIS到虚拟地理环境的认知转变》。

以下为报告视频及报告内容整理（未经本人确认）：

报告内容

01 当年我们如何走向GIS？

1980年代初，陈述彭院士强力呼吁GIS发展，号召大家跳出上世纪六十年代领先发展的计算机制图。王之卓院士全力支持陈述彭院士的建议。这是GIS从机械化走向信息化的转变，以图形学为基础的计算机制图框架无法装下技术进步带来的以数据库为核心的地理信息系统，计算机制图融合成为GIS框架里面的一部分。1983年，中科院遥感所信息室自行研发的二滩水电站GIS系统亮相北京大学国际会议。越来越多的中国学者为GIS发展及国产化建设而努力着，在这个过程中，国际华人地理信息科学协会（CPGIS）做出了特殊贡献。

1994年，我在渥太华GIS之父Tomlinson博士家请教他GIS三元素（地理编码数据库、空间分析和可视化）理论，得出以下结论，即GIS发展的意义：

1）以地图数据库支撑的地理信息空间分析方法论。GIS的发展，使得王劲峰、黎夏、赵作权以及黄波教授等中国学者在空间统计关系探测、时空地理加权回归等方法的探索与复杂模型集成上取得可喜的进展。除此之外，GIS还促进了学科交叉与融合。例如武汉大学与美国芝加哥大学以及密执安大学2018年成立社会地理计算联合中心，举办空间综合人文学与社会科学论坛。

2）促进政府精细化管理。例如郭仁忠院士提出的城市操作系统、武汉大学朱欣焰教授团队的武汉市交管“大脑”平台、江西师大鄱阳湖湖湿地与流域研究教育部重点实验室的“星-空-地”立体化鄱阳湖生态安全监控系统等。

3）为IT产业带来新方向，促进新型服务业的发展。如陶闯教授的Wayz.ai、高德地图、腾讯地图WeMap等。

02 我们为何选择虚拟地理环境？

1991年在美国科罗拉多州Boulder举行的第一届GIS与环境模拟国际会议开始一场争论：“究竟是将现有模型连接到GIS还是利用GIS提供的空间数据支持新的模型建模？”GIS专家多数赞成第一种观点，但是遭遇水文地理学家等强烈的质疑，大多数地理学家持第二种观点。增强GIS系统时间要素被提上日程。但是，GIS专家仍然致力于从数据库出发的思路，直至大数据时代的实时应用系统与Google地图等大型搜索引擎的出现。

认知的改变是方法更新的起点。地理环境的整体性与规律性认知对现有GIS系统构建提出了严峻挑战。传统GIS存在数据支持能力不足、时空模拟能力不足、表达与交互能力不足以及缺乏对多用户协同探索的自然支持等问题，其对地理认知所涉及的沟通与协作缺乏重视，难以支撑跨领域背景的协同感知与认知。如何继承与发展GIS，使之适应于当前地理环境认知的时代新需求，成为地理信息科学领域至关重要的议题。GIS自此从信息化向智能化转变。

诸多学者开始虚拟地理环境研究的初期探索。1993年我回香港工作后，和闾国年教授开展合作，1995年启动潮波系统与海岸带演变模拟研究项目，推动地学过程模型与GIS集成。1997年，龚建华教授加入团队，开展虚拟香港郊野公园项目的研究，将地理学的地理环境与计算机科学的虚拟环境结合。除了地理学的自然地理过程模拟，进一步探讨了虚拟地理环境在可持续发展中的意义，尤其是人类在虚拟地理环境的作用。

2001年，《虚拟地理环境》一书出版。通过讨论“第二人生”等游戏软件，早期探讨了类似当前的“元宇宙”提出的虚拟社会现象和人类行为。同年，第一届“虚拟现实与地理学”学术研讨会在深圳召开。2003年，朱庆教授团队异军突起，以三维地理数据库的扎实基础，推动虚拟城市环境研究与实用化。奠定了后期开展实景三维、数字孪生的研究基础。同年，郭仁忠教授的深圳市规划局虚拟城市环境团队与高俊院士指导下的游雄教授的虚拟战场团队成果面世。这两个团队实战目标明确，加快了虚拟地理环境的工程化。

2008年，国家教育部批准在南京师范大学成立虚拟地理环境教育部重点实验室，这是虚拟地理环境第二个发展阶段的重要标志。这期间，连续三次国际会议的召开与英文文集的出版也意味着虚拟地理环境研究开始走向世界，西方主流学者对于中国学者的研究给予积极回应，虚拟地理环境作为现代地理科学的研究方向被中外科学词典和大百科全书收录。

虚拟地理环境研究形成了地学过程模拟实验和环境心理学实验两个主要学术方向。在地学过程模拟方面，我们面对的不再仅仅是可视化，而是通过虚拟环境调动人对于客观世界的嗅觉、味觉、触觉等各方面的感知。在环境心理学方面，通过虚拟场景的交互，已经有研究证实：内嗅皮层是海马体与新皮层之间的主要媒介。内嗅皮层具有一系列重要脑部功能，与记忆、空间定位、时间感知等能力紧密相关。虚拟地理环境为眼动视觉认知研究实验、江西省峡江水利工程应用、活化历史等其他领域也提出了新课题。

03 结语

虚拟地理环境有两个基本法则：一是自然法则，通过时空参考系统，依据科学规律，实现虚实的联动。二是社会法则，通过践行适合社会发展的法律规范，提高生产与服务效率，提升社会文明水准，降低社会安全风险。

“虚”不仅是事物的像，还可以代表我们的理想；“实”不仅是事物的载体，还可以在“虚”的指导下发展和优化。“虚”和“实”的三层境界首先是形似，是数字化建设的过程，包括实景三维建设，各类物联网的快速数据获取。其次是神似，是我们走向信息化建设的过程，包括各个领域与行业的知识库建设，物联网信息的快速提取。最后是融合，是智能化建设的过程，包括融合各种信息与知识的人工智能与机器智能建设，达至虚实融合、人机融合。

老子在《道德经》里讲：“有无相生。”世间事物的“有”和“无”是在时间空间流程中相互转化的。数字孪生，数字是形式，孪生是内容，其中“生”是核心，涉及真实空间与虚拟空间的变化/转化过程。实景三维是数字孪生场景构建的支撑技术。因此，数字孪生是通过数字方式联通“虚”和“实”空间的动态过程，是一个通过连接真实空间的虚拟空间去感知认知真实空间，并指导实际空间活动的技术方法。与人类活动相关的数字孪生“空间”就是中国学者长期研究的“虚拟地理环境”中的空间。

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