1 VRGIS的概念和发展现状

VRGIS(Virtual Reality Geographic Information System)是地理信息系统与虚拟现实技术相结合的产物，是目前地理信息系统和虚拟现实技术研究的热点和前沿方向之一。尽管GIS和VR技术的发展可追溯到20世纪60~70年代，但是，第一个较为成功的VR-GIS却出现在90年代初期，是美国侨治亚州教育学院的校园环境信息系统。从那以后，出现了大量的关于VR和GIS相结合的应用和理论研究，VRGIS日益引人注目。简单地说，VRGIS可看作一个特殊的“传统型”GIS，它具有传统GIS系统所具有的空间数据的存储、处理、查询和分析等功能，只是将VR（虚拟现实）技术作为主要的用户界面和交互方法。

根据Faust在1993年提出的VRGIS概念，一个理想的VRGIS应具有以下几个方面的特征：第一，"空间数据的真实表现（如地形、环境等的真实再现，也包括对未来与过去不存在的事物的模拟真实表现）。第二用户可从任意角度进行观察、浸入、实时交互，可在所选择的地理带（地理范围）内外自由移动。第三，具有基于三维空间数据库的基本GIS功能（如查询、空间分析等）。第四，可视化部分应作为用户接口一个自然而完整的部分。

若具有以上几个方面特征的GIS，都可称之为VRGIS。但是，这只是理想的情况，由于受到与VRGIS息息相关的计算机技术、虚拟现实技术、GIS技术等发展水平的限制，一般这几方面的特征不能同时达到。针对目前的VRGIS的发展情况，经总结大致按以下两种不同观点进行发展。

1.1 利用虚拟现实建模语言实现VR与GIS的耦合

自1995年以来，VR与GIS虚拟现实建模语言一直被广大虚拟现实和地理信息研究人员所关注，它也为VRGIS的发展开辟了新的道路。由于它本身具有强大的功能，并且适合于在功能较强大的地理信息系统软件包（如ArcView，Maplnfo等）上做二次开发，因此用其进行VRGIS的开发所需的资金和人力相对投入较少，取得成效较快，非常适用于低投入的商业型VRGIS的开发。

根据这一情况，Berger（1996）等人认为，GIS和VR两个技术的连接，主要是通过虚拟现实建模语言（VRML）转换文件格式，将GIS信息转换到VR中表示，其关键在于如何利用VRML实现VR与GIS的耦合。VRGIS方法是基于一个耦合的系统，由一个GIS模块和一个VR模块组成。这种观点下的VRGIS的主要特征有：（1）系统的数据库是传统的GIS；（2）的功能是增加GIS的制图功能；（3）松耦合的VR和GIS软件，图形数据通常是通过一个共同的文件标准来转换，系统间的同步依赖于通信协议，如PCP。虽然VRML有强大的功能，但是，它在进行VR-GIS开发方面仍然存在着现在无法解决的问题。使用VRML更侧重于虚拟部分，对于数据的空间分析，查询并不是特别的适合。针对这种情况，结合当前计算机发展的状况，有人提出了关于VRGIS发展的另一种观点。

1.2 引入VGIS，暂时代替VRGIS

VGIS是Virtual Geographic Information System的缩写。它其实就是VRGIS的一个研究方面，只是由于现在计算机软硬件发展的限制，在VRGIS上侧重于GIS，而显示只是力求保证虚拟，而不强调仿真中的沉浸、进入等特性。VGIS的主要特点概括起来有：（1）强调数据结构的组织；（2）更加突出GIS中的分析功能，特别是基于三维数据库的分析；（3）对系统硬件的要求不高，大部分的系统都是基于桌面的VGIS。

VGIS由于强调的是GIS，对于主要进行分析的用户是有着深远的影响的，因此，现阶段大部分用于决策的VRGIS仍采用的是这种方案。现在较成功的例子是美国Georgia研究所的VGIS系统。从以下Georgia的VGIS系统的设计原始模型框图，可以很清楚地看到VGIS侧重于系统分析功能的设计这一特点。由于VGIS需要根据用户对于分析的要求从最底层开始建立适应用户实际需要的数据结构，框架设计，评价标准等，因此，需要投入的人力、物力、经费都比较高。通过对现今VRGIS发展的情况，可以看到这两种趋势和观点各有利弊。只有结合发展，逐步向符合Faust提出的理想VRGIS模型靠拢，才是解决问题的根本所在。

2  VRGIS发展的技术关键、技术难点和初步解决方案

由于计算机科学发展水平和其它一些相关原因的制约，使VRGIS的发展到今天仍然没有飞跃性的突破。VRGIS发展的技术难点和关键，概括起来大致有以下几方面的内容：

2.1 VRGIS的数据问题

长期以来，限制GIS发展的一个很重要的问题就是数据问题，在传统的GIS发展中，用于数据的费用高达80%。对于VRGIS的发展，数据问题同样也是一个难点和重点，同时为了分析所处环境的再现，需要建立三维数据库。现在完全解决数据问题的方法还没有，但是可以采取某些措施，使数据问题在某种程度上得到减缓。以下介绍两种当前比较公认的VRGIS数据问题缓解方案：

（1）加强VRGIS与RS，GPS的结合

GIS与RS、GPS的结合已成为这三方面专家的研究热点之一。RS是GIS重要的数据源和数据更新手段，GPS用于GIS数据实时更新和定位应用。为了给VRGIS这一GIS领域的新生儿提供强有力的数据支持，研究如何把VRGIS、RS和GPS三者有机地结合起来，是非常有必要的。加拿大Schwarz教授研制的VISAT系统为GIS、RS和GPS的集成做了有益的尝试。

（2）利用网络技术的发展，建立分布式的VRGIS的数据库

网络技术的发展，不但给人们的生活带来了翻天覆地的变化，同时也给GIS的发展带来了深远的影响。对于新技术VRGIS，由于其在数据方面的投入和时间都还比较少，因此，集合多方面的力量是非常有必要的。利用网络技术，建立分布式的GIS数据库应该是一个很好的解决途径。

除了以上介绍的方法外，建立数据标准，加强数据共享也是解决VRGIS数据问题的很好途径。总之，无论对于传统的GIS还是VRGIS而言，数据问题都将在较长时间内限制其发展。

2.2 VRGIS的图形显示问题

VRGIS的图形显示问题是限制VRGIS发展的“瓶颈”问题。这是由计算机的硬件发展现状、地理信息系统的应用要求和虚拟现实的需求这三方面之间的矛盾所决定的。由于受计算机硬件的限制，现在的虚拟现实要求在保证视觉需求的同时，数据量尽量少；而地理信息系统为了空间分析的需求，要求数据尽量详实，因此在图形显示上产生了矛盾。为了解决这个问题，大量的研究者做出了各种研究，下面简单介绍几种：

（1）研究如何建立优秀的VRGIS的数据结构，使VRGIS在显示要求下，保证信息的快速提取。比较有代表性的是Urban VRGIS中的三维拓扑结构和三维R-树结构。这种数据结构方便了相邻关系三维数据的获取，数据的快速遍历和获取。

（2）在VR显示方面尽可能在保证用户关注部分逼真度的前提下，减少数据量。这方面取得的进展主要集中在两个方面：第一个方面，在显示的不同区域的重要性方面做文章，即对于用户相对不重要，不关心的数据显示较为简略，而对于用户重要，关心的数据显示较为详细，如建立道路的VRGIS，对于天空，荒野之地等用户不太关心的数据采用较为简略的，而对于道路信息，则采用详细的；第二个方面，在视觉变化上做文章，也就是通常所说的LOD(Level Of Detail)，这方面现在已经有了较好的算法。

（3）利用计算机技术，减缓图形显示矛盾。这主要表现在加速硬件的发展，配备专门的图形加速卡等，同时，对于计算机有限的内存资源进行管理。如利用内存调用，分块内存管理等来加速图形的显示。

3 VGIS与“数字地球”

美国前副总统戈尔提出的“数字地球”概念在很多方面产生了深刻的影响。戈尔指出，数字地球是“一种可以嵌入海量地理数据的、多分辨率的和三维的地球的表示，可以在其上添加许多与我们所处的星球有关的数据”，同时戈尔用小孩参观一个地方博物馆的例子，生动而形象地描绘了数字地球的场景。

戈尔关于“数字地球”的构想，其实质就是一个具有超大信息的VRGIS：将整个地球利用虚拟现实技术真实的再现后，用户对其进行信息查询、分析等信息操作。这个具有超大信息的VRGIS与一般意义下的VRGIS相比又有其特殊性，不妨从以下三个技术方面进行分析：

3.1 海量数据的存取技术

数字地球的数据具有无边无缝的分布式数据层结构，包括多源、多比例尺、多分辨率的、历史和现时的、矢量格式和栅格格式的数据。因此，较一般的VRGIS

系统的数据存取具有更大的困难。要解决这个问题，应在空间数据智能提取、网络数据库、信息系统及分布式计算技术、数据仓库、交换中心及技术挖掘、多种数据融合与立体表达及OGIS（开放的地学数据互操作规范）的标准和互操作技术方面进行研究。

3.2 网络技术

较一般的VRGIS来说，数字地球对于网络的要求更加迫切，与网络的连接也更加紧密。因为数字地球是为全球、全国、城市、区域、资源、环境、社会、经济、减灾、可持续发展、科技与教育、行政及管理等开展全面性的服务，这就要求数字地球的用户可以以多种方式从中获取信息，任何一个用户都可以实时调用。因此，数字地球这个具有超大信息的VRGIS较一般的VR-GIS相比与WebGIS的连接更加紧密。关于这个问题，现在已经有人提出利用Bill Gates在《以思维的速度运作企业：利用数字神经系统》中提出的数字神经系统来解决。

3.3 仿真与虚拟技术

仿真与虚拟技术的主要任务之一是要创建一个合适的信息处理环境。数字地球的显示部分是一个庞大复杂的虚拟现实系统，它向传统的虚拟现实系统提出了挑战。数字地球的仿真与虚拟技术涉及到多方面的可视化建模理论和信息可视化技术，应从以下几个关键基础理论方面进行深入的研究：（1）多维动态时空信息可视化理论、无级比例尺数字地面模型生成；（2）显示、数字地面模型智能化信息提取和恢复理论。

4 VRGIS的研究构想

VRGIS作为一种综合技术，无论对于决策者还是学习者都有着重大的意义，无论是对于军事还是城市规划、考古等都起到了不可预料的作用，VRGIS的发展还有着很广阔的前景。结合目前技术条件和需求，可以在以下四个方面进行研究，将对VRGIS的发展起到以下重要的促进作用：加强软件工程的研究，利用软件工程的方法进行VRGIS的开发；加强计算机硬件研究，缓解以至最终解决VR-GIS的分析和图形显示之间的矛盾；加强VRGIS与Internet和WWW技术的联系，使VRGIS可以进一步走向实时、实用和大众化；加强计算机科学计算的研究，进一步优化现有的LOD模型。