修订日期：2008-11-05 地理环境是人类赖以生存的自然环境和人文环境的总和。当代地理学主要研究地理环境(地球表层系统)各界面间的物理、化学、生物和人文过程，及多种过程相互作用的机理，探求人类活动与资源环境相互协调与可持续发展的规律。地理学以“格局—结构—过程—机理”的研究思路贯穿始终。但是，地理学传统研究方法大多采用实地现场勘察以及利用地图与资料分析两大类。长期以来，许多地理学的研究只注重把解释性的描述和地理数据表达为报告和地图，而不重视科学技术的全面发展[1]。在近、现代地理学发展历程中，不少地理学家意识到地理学传统研究模式的缺陷。竺可桢曾经强调“加强定性和定量相结合的分析”，黄秉维积极引入新思想、新技术和新方法，开拓了实验地理学研究的新方向，寄希望于把地理学变成一门实验科学[2]。陈述彭提倡采用系统论、信息论、控制论等现代科学方法和现代科技手段(包括地学工程)研究地理系统，并从地球系统科学的高度推动地球信息科学等地理学研究方法的发展[3，4]。20世纪80年代以来，卫星应用、地理信息系统(GIS)、科学计算以及通讯网络的迅速发展，逐渐改变了传统地理学那种满足于静态而脱离地理过程研究的方式，更紧密地与空间分析和过程研究结合起来。最近，Peuquet又提出，GIS中时空信息的多元表达需要从数据驱动转变到综合的概念及理论驱动的方法，需要从形态表达发展到过程表达与模拟，探求能够提供用户之间灵活而全面的互动能力与方式的新一代时空表达、可视化与分析工具[5]。 虚拟地理环境(Virtual Geographic Environments,VGE)是最近几年由地理学与地理信息学的学者们提出的一个跨学科研究的新方向[6-10]。VGE是基于网络的多用户三维虚拟环境，它支持可视与不可视的地学数据表达、未来场景预见、地理协同工作和群体决策，可用于模拟和分析复杂的地学现象与过程，发布地学多维数据，也可用于地理教育、虚拟旅游等人类数字式生活方式。作为新兴的地理信息与知识的集成平台，VGE注重人地关系的理论研究及地理学模型的表达与知识交流，强调科学计算与虚拟实验、三维可视化、人机交融与地理协同在地理现象时空动态发展过程的分析模拟与预测决策中的作用，重视公众参与和地理知识的获取与共享。VGE可提供开展虚拟地理实验的工作空间和平台，帮助人们更好地理解和分析现实地理环境，是地理学研究的新的工具和手段，将有力促进实验地理学研究方法的发展。 1 VGE研究产生的背景 VGE是基于地理模型的虚拟环境系统，是地学工作者表达与描述、研究与分析、获取与共享关于地理过程及空间现象的空间分布、相互作用、演变规律和发展机制的地理知识的多用户分布式三维虚拟地理信息世界[11]。VGE系统有别于其他虚拟环境系统和传统地理信息技术系统，与前者的区别在于VGE系统强调对地理模型功能的支持并实现地理模型库与几何空间数据库的融合；与后者的区别在于VGE系统除支持传统地理信息技术系统的功能之外，还具有其所难以支持的地理模型库管理、地理现象与过程的三维可视、身临其境式人机交互或多用户分布式地理协同的系统功能。可以认为，VGE系统具有以下五大方面的特征：(1)地理模型库与几何模型库集成管理与互操作：即将各类复杂的地理模型集成在统一的平台下并实现模型之间的有机互动；(2)真三维地学可视化：包括表达静态地物的几何模型以及表达动态地理过程的地理模型的真三维可视化；(3)可融入的虚拟交互：用户可以进入虚拟地理世界中，有“身临其境”、“融为一体”之感，而且是VGE的组成部分并可以与虚拟地理世界交互；(4)分布式地理协同：支持来自不同地理位置的地学专家开展同时性的交流讨论、分析决策与合作研究；(5)公众参与：VGE强调具有社会特性的公众参与作用，因此其针对用户不仅仅是专家和专业用户，还有普通大众。 VGE的产生有着深刻的地理科学发展背景，同时也离不开当前飞速发展的计算机技术、信息科技以及社会科学，其发展还与地球系统科学的发展密切相关，最终将服务于全球环境变化和区域可持续发展研究。 1.1 地球系统科学研究的发展需要新的研究手段和信息平台 人类活动正在引起全球范围的重大变化，人类正面临着人口、资源、环境和发展的严峻挑战。这一挑战促使了地球系统科学研究的兴起和发展。全球环境变化与可持续发展是地球系统科学研究的重要内容，需要通过科学方法探索地球上各种自然现象发生、发展的过程，找到其中的关系，模拟和预测地球的过去和未来。为更深入了解地球各部分之间相互作用及其形成过程，发展和增强人类预测未来的因自然因素和人类活动所引起的各种变化的能力，必须利用全球观测技术和建立物理模式和数值模式对地球进行系统性科学研究[12，13]。对地观测技术的迅速发展积累了大量的地球系统各圈层定量的历史演变资料，为地球科学研究提供基础支撑。地球系统科学研究需要对这些资料进行统一规范下的同化、融合和集成。20世纪90年代末，日本以研究全球变化为目的而开发研制地球模拟器(Earth Simulator)并开展一系列模拟研究[14]。地球模拟器提供了大规模计算能力，可以运行水平空间分辨率达10km的全球气候系统模式的数值模拟试验。科学家以地球系统动力学和预测理论研究为基础，借助地球模拟器，通过数值模拟来预测无法进行实验的自然现象，包括整个地球的大气海洋循环预测、全球变暖预测、地壳变动、地震发生等，从而帮助人类进行环境资源管理和适当的经济活动支援，为人类与自然的和谐共存以及人类的可持续发展作出贡献。
