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论虚拟地理实验思想与方法
2015年11月13日    评论:    分享:

    来源:第三维度
    作者:龚建华
    单位:遥感科学国家重点实验室(北京)
       中科院遥感与数字地球研究所(北京)
       浙江中科空间信息技术应用研发中心(浙江)

    摘要: 结合传统的实验思想与方法以及最新的虚拟地理技术,阐述并发展“虚拟地理实验”思想、概念、特征与方法。从虚拟地理环境、三条黄河、仿真虚拟科学等阐述了虚拟地理实验思想的最初形成与发展; 从实践哲学角度,探讨了虚拟实践的特征、以及与现实实践的相互关系,并认为复杂性地理科学的研究需要集成现场实验、实验室实验以及计算虚拟实验等的多样化实践形式。探讨虚拟地理实验的特征、类型,尝试建立虚拟地理实验核心理论的虚实相似原理和虚实协同原理; 最后,以洪水动力过程与人群活动过程为例,开展了虚拟自然地理实验与虚拟人文地理实验的初步应用原型试验。

    逻辑与实验从有科学以来一直是所有科学学科的两大方法支柱。实验,是科学研究的一种基本实践活动,是在一个可控环境下,实验者( 主体) 依据一定的假设、理论等,通过中介交互方法( 或工具) 人为地调控或改变研究对象( 客体) 的某些条件、要素,使某些事物( 或现象、过程) 发生或再现,从而发现或验证知识、获取与认识规律。

    近年来,随着仿真、计算机数值计算、虚拟现实、以及网络空间技术等的发展,虚拟( 仿真、或计算)方法逐渐成为科学研究的第 3 种重要工具和新的实践方式[1-4],而把计算、仿真虚拟与实验方法结合起来,探索与研究复杂性地理系统与地理问题,也已逐渐成为地理( 信息) 科学研究前沿[5-7]。

    1 虚拟地理实验思想的发展与现状

    1.1 从虚拟地理环境( 地图、GIS) 到虚拟地理实验

    集成地理学与虚拟现实,虚拟地理环境概念在 2001 年正式提出并发表以后,近年来逐渐成为地理信息系统( GIS) 、地图学以及可视化的一个最新前沿发展[8-16]。2003 年,在撰写国家自然科学重点基金理论创新的思考过程中,结合虚拟地理环境与实验地理学,本文作者与鲁学军首次提出了“虚拟地理实验”的概念; 结合虚拟香港中文大学的设计与构建,林珲、闾国年等阐述了虚拟地理环境的最新前沿研究与虚拟实验的相关应用实践[8,10]。应该说,虚拟地理实验,是虚拟地理环境发展的进一步思考与探索,并希求从理论与方法上对于地理信息科学做出新贡献的一个尝试。

    同时,Goodchild 等认为[17]“历史上地理信息技术的发展受到科学的驱动很有限,GIS 主要是与政府机构的数据收集与决策、景观设计学、地图学、以及测量相关的制图科学”。受这一观点启发,我们认识到 GIS( 以及地图、虚拟地理环境) 是以地球表层系统与地理环境的观测与表达分析为主,是属于一种观察( 测) 科学与技术; 目前还不是以“地理问题”以及“探索地理新知识,发现地理规律”为视角、起点与核心的地理实验科学。

    另外,目前的地理信息科学与技术,虽然已是地理科学中方法与技术体系中重要组成部分,但是对于现代地理科学的核心新概念、新基本理论与原理等的形成与发展贡献却是不足的。所以,本文认为需要把实验科学思想与方法,引进到地理信息技术与科学领域,与地图学、GIS 以及虚拟地理环境等研究结合起来,发展“虚拟地理实验”理论与技术,以增强地理信息领域研究发展的科学驱动力,从而推进地理信息科学的理论与方法发展。

    1.2 “三条黄河”与实验地理学

    实验是现代科学发展的重要特征与标志。中国的地理学家在 20 世纪 50—60 年代已经认识到实验 对 于 地 理 科 学 理 论 与 方 法 发 展 的 重 要性[18-20],建立了大量的野外地理观测台站、野外实验基地以及室内用于地理实验的物理模型。目前在我国地貌实验室站有 30 多个,包括流水地貌实验、风沙地貌观测与实验、泥石流观测实验、侵蚀地貌实验等。

    1998 年,黄河水利委员会以“数字地球”概念为基础,提出治理黄河的“三条黄河”理念与框架[21]。“三条黄河”,即“原型黄河”,“模型黄河”以及“数字黄河”,其中“模型黄河”与实验地理学相关,“数字黄河”则涉及地理信息科学与空间信息技术。目前,“模型黄河”试验基地占地约 280亩,已建成 3 座大型试验厅,分别修建了三门峡库区、小浪底库区、黄河下游河道的实体模型。实际上,“三条黄河”提出了实验地理学的问题,提出了实验地理学与现代空间信息技术的相互关系问题,这对于现代地理科学的发展,尤其是方法论的研究,有着重要的学术与应用价值,然而这一点并没有在地理学界得到足够的关注与重视。本文认为“三条黄河”涉及到虚拟地理实验问题,其实践与应用对于“虚拟地理实验”理论与方法发展有着重要的价值和意义。

    1.3 地学模拟与计算地理学

    随着元胞自动机、多智能体等技术的应用发展,黎夏等[22]提出并构建地理模拟系统,开展自下而上的虚拟模拟实验,用以研究地理现象格局、过程与演变。地理模拟系统研究与虚拟地理环境、虚拟地理实验密切相关,但是两者目前还没有建立统一的理论与方法基础。

    从地理计算角度,王铮等提出并发展[7]“计算地理学”,并认为“计算地理学作为一个新兴学科,不仅是一个方法性学科,而且从根本上创新了地理学思想和分析模式”; 同时认为,作为计算地理学的实验人文地理学平台“可以利用 GIS 构成一个虚拟地理环境,针对某些人文现象,设计实验,让现实的人在虚拟地理环境中做出行为选择,发现人文地理规律,检验人文地理理论”。

    应该指出的是,虚拟地理实验与计算( 地理)实验,是从不同角度( 虚拟、计算) 提出的两个密切相关、相类似的概念,其本质与目标是一致的。但是在理念与方式上,还有一些差别,如计算地理学,是从“计算( 机、数据) ”出发,强调“计算”; 而虚拟地理实验,是从“人”出发,特别强调“虚”以及“虚拟”的作用,强调人的主体性( 形象思维、社会群体思维、主动性与自主性等) 作用,强调“不在场”、“多种可能”的地理世界与方案等。

    地学模拟系统与模拟实验、计算地理学与实验人文地理学平台、以及虚拟地理环境与虚拟地理实验,是目前地理( 信息) 科学中密切相关的 3个研究领域,未来可以互相借鉴、互相促进,一起发展。

    1.4 仿真科学与虚拟工程

    经历半个世纪的飞速发展,仿真科学与技术已初步形成了学科的理论与技术体系,并逐渐成为科学研究中除理论研究、实验研究之外的第 3种方法[4,23]。王精业等[24]认为仿真科学与技术逐渐突破了孕育该学科的原学科范畴,拥有了稳定的研究对象,分清了与相关学科的界面。整个科学与技术体系,成为以相似理论、建模理论、仿真系统理论、仿真方法论、仿真的可信性理论和仿真综合应用理论为基本理论,以计算机、相关物理效应设备及仿真器为工具; 利用模型运行对已有或假想系统进行研究、分析、设计、生产、试验、评估、运行和维护活动的一门学科,是一门具有综合性、实验性的新学科。例如,我国的“南水北调”水资源调配工程仿真平台,服务于 2008 年北京奥运会开闭幕式、2009 年首都国庆 60 周年晚会和群众游行方案的大规模并行人群活动指挥控制、大规模人群紧急疏散仿真系统等,都是近年来仿真试验工程的成功案例。

    另一方面,从计算机软件与模拟角度,庄茁等[25]认为,人类需要借助各种工具来增强、延伸和扩大自己认识世界的能力,而虚拟工程与科学就是这样的工具。它是对科学现象、工程或产品的功能、性能和运行行为实施计算机模拟的方法体系,如受控热核反应、核聚变、地壳运动、环境污染、溃坝、车辆或飞机的碰撞等。

    仿真科学、虚拟科学与工程,结合实验科学,形成的仿真实验与虚拟实验等理论( 如相似理论) 、方法与大量应用实践,为虚拟地理实验的发展,提供了更加广阔的学科发展背景和理论方法基础。

    2 虚拟( 地理) 实验的实践哲学基础

    虚拟( 地理) 实验是虚拟实践的一种方式。在马克思哲学视域内,实践是主体和客体之间的实际的交互作用和物质、能量、信息变换的过程,是一种感性的客观过程,一般包括物质生产实践和社会交往实践。而随着计算机技术、通信与网络技术、以及虚拟现实技术等的发展,网络虚拟空间( 或赛博空间) 逐渐形成与出现,人类社会生产与交往实践进入到一个新的形态阶段,即虚拟实践阶段。张明仓认为[26]虚拟实践是由实践主体、客体和中介构成的系统,是人在虚拟空间中利用数字化手段进行的有目的的、双向( 主体与客体)对象化的感性活动,是人利用数字化中介手段对现实性的感性超越。并且,虚拟实践,具有与现实( 现场) 实践一样的临场感与沉浸感,通过空间感知以及反复体会、分析与综合相关虚拟世界信息,从而去认识实践对象及其环境的属性、关系、本质与规律[2]。

    从复杂性科学视角,苗东升对于传统的现场实践、实验室实验以及最新的计算试验、虚拟实践等进行了系统的思考[2],认为经典的实验室实验是在还原论科学方法论指导下的、主要针对简单性系统与问题的科学实践,其主要方法就是把实验对象对外隔离、对内分解,由于其可控性、可重复性、高效性和有效性,在工业文明时代取得了巨大的成功,成为科学实践中的主导方法; 而对于复杂性系统,则由于实验对象不能完全地从环境隔离出来、且整体性不能从分系统( 子系统) 中集成复原,不能控制复杂的分层子系统以及多维属性之间的非线性关系与相互作用,以及不能处理复杂性系统的不确定性与涌现性等,传统的实验室实验方法则表现出巨大的局限性,必须要再次回归到现实世界实践、回到变革开放复杂巨系统的现场实践。例如,由于地理系统与地理问题的复杂性,大型现场地理实验与实验室室内实验都相对比较困难,导致实验地理学的发展比较缓慢。

    另外,苗东升认为计算机数值试验是人类社会实践的一种新方式,具有检验和证实理论的实践特征,并且对于复杂性研究,实验专家可以通过反复的数值模拟计算试验,从而获得关于某专业专题研究对象的感性材料,激活专家潜藏在意识深处的经验知识以及灵感、洞见; 而基于虚拟现实技术的虚拟实践,则也理解为一种新的社会实践方式,具有临场感和沉浸感,可产生认知的功能,但与数值计算试验( 实践) 不一样的是虚拟实践同时可以使实践主体和客体相互作用、相互影响,可以改造实践主体的身心与认识。

    传统认识上,一般把“思想实验”、“模拟作战”等,看作是现实实践的准备过程或替代手段而已[26]; 但是,在“虚拟空间”成为现实社会现实以后,把“虚拟”作为正式的实践领域,把“虚拟实践”看做是对“现实实践”的重要补充、辅助,或者在某些情况与“现实实践”具有同等地位与重要性的实践认识,是实践哲学的重要最新发展。

    虚拟实践,与现实实践具有密切的相互关系基于文献[2,26],本文总结为以下特征。

    1) 现实实践是虚拟实践的前提和基础。现实实践是虚拟实践赖以形成的源头,现实实践的不足呼唤着虚拟实践的崛起,虚拟实践具有现实实践不可比拟的可控性和重复性; 但虚拟实践的合理性最终需要现实实践加以检验。

    2) 虚拟实践是现实实践的延伸和升华。拟实践是人类实践活动由现实社会空间向虚拟空间延伸,虚拟实践以信息的生产、分配和使用为核心,给人带来全新的生存体验,是人的感性器官以及能力的延伸,有可能比现实实践具有更好的沉浸感和现场感,突出了人的个性、主体性。

    3) 虚拟实践与现实实践交融互动。虚拟实践不单是现实实践的延伸与升华,而且对于现实实践本身会产生重要的冲击和影响; 虚拟实践与现实实践各自都是人类实践整体中的一部分,其相互作用、相互制约,共同塑造着人类社会的现状与未来。但是,虚拟技术是智慧的产物,产生的是人工世界,具有非自然性,并可以使主体在虚实间产生身份矛盾或社会伦理等问题,其实践功能还有消极的一面,不可忽视。

    4) 复杂性科学需要多样性的现实与虚拟实践。现实实践,包括变革复杂巨系统的现场实践、针对复杂巨系统的亚现场实践( 如实兵战场演习) 、微型现场实践( 如典型试验) 、以及实验室实验,虚拟实践则包括计算实验( 试验) 、仿真虚拟实验等。复杂性科学的实践,需要实践形式的多样性,需要现实实践与虚拟实践的结合和综合应用。

    5) 虚拟实践活动根本地抛弃了“征服自然”这一传统现实实践的重要目标,彻底抛弃了不包含交互主体性的单独主体性; 在实践思维方式上,可以实现从传统的单纯实体型思维( 实体思维)转向动态关系型思维( 关系思维、虚拟思维) ,实现人类思维方式的重大转型。

    6) 虚拟实践主要是人类交互实践的变革,通过计算机网络系统,虚拟实践几乎摆脱了地域空间对于交往实践的局限与限制。虚拟实践的最高目的在于,通过虚-实实践、虚-实世界的结合、互动,促进人的自我超越与全面发展。

    虚拟实践、现实实践、以及复杂性科学多样性实践等的相关哲学研究,为虚拟地理实验的本质特征理解,提供了最根本的顶层认识框架,并为虚拟地理实验的未来发展提供了理论与方法论的哲学基础。

    3 虚拟地理实验特征与原理

    3.1 虚拟地理实验特征与类型

    虚拟地理实验,是在计算机网络虚拟空间与环境下开展的一种地理计算与协同分析实验,具体可以定义为: 基于协同虚拟地理环境,依据一定的假设、理论、模型、情景设想等,通过人机交互技术控制、调整某些参数、规则、或条件开展时空计算、数据统计、图谱协同分析、反馈互动等,从而在虚拟地理多维信息世界中“查考自然,逼迫自然自露真像”,以获取或验证某种地理经验与知识。

    依据一般实验的两类基本类型[27],虚拟地理实验可以具体分为: 经验驱动型虚拟地理实验和理论驱动型虚拟地理实验。其中经验驱动型虚拟地理实验,是没有预先明确的假设与理论,主要是依据实验主体相关地理问题与地理系统等的经验、零碎知识、直觉判断,通过不断的调控参数、条件、或情景设置等,探索与发展新的地理现象、模式、特征与规律等,属于逻辑归纳方法,可以认为是一种探索类虚拟地理实验; 理论驱动型虚拟地理实验,则是已经具有一定的假设或理论模型等,然后通过参数、规则等调整与修改,计算获取相应的现象与数据,从而分析已有理论或模型的有效性、正确性等,属于逻辑演绎方法,是一种验证类虚拟地理实验。在面对复杂性地理问题分析与求解的实际应用中,针对观测数据的丰富性、( 准)实时性,以及模型计算虚拟的便捷性、易控制性、易重复性等,这两类虚拟实验常常交叉、集成使用。

    现实地理实验,是物质、能量、信息为基本要素的实验,而虚拟地理实验的主要媒介与基础是“信息”。所以本文认为,虚拟地理实验能够实施与开展的驱动力来自于实验主体的知识与智慧不断互动输入、或来自于与现实地理客观世界的连接与信息互动、或来自于凝聚人类知识的理论模型的计算演化、或来自于实验人工信息世界赋予的智能性等等。

    虚拟地理实验系统应具有以下 5 个特征或功能:

    1) 首先需要建立一个地理虚拟实验环境,即虚拟地理实验室。这个虚拟地理实验室,需要支持群体协同工作,并能够支持探索性的地理大数据虚拟实验,以及验证性的模型计算与统计分析实验。

    2) 地理学研究需要“体认”,对多尺度、多维、非线性的现实地理环境( 及其问题) 进行相似性表达的虚拟地理环境,是虚拟地理实验开展的重要实验平台。该虚拟地理环境应该可以支持实验者以旁观者或参与者身份进行沉浸性时空感知体验、基于图形/图像的形象化认知思维以及人人协同互动的社会思维等。

    3) 虚拟地理实验应具有开放的、( 准) 实时的、系统组织的观测、量测、以及远操作体系。虚拟观测与传感器设备与网络体系的设计与建设,实时传感数据的接入与集成,以及基于虚拟仪器的远程操作与实验共享等,是虚拟实验科学数据量测、接入、生产、管理与操作等的重要建设内容与定量计算实验保障。

    4) 地理( 数值) 计算,是虚拟地理实验的重要“定量”实践部分,地理大数据、多尺度模型体系、智能演化等的密集计算,需要考虑目前最新的云计算、网格计算等前沿技术,尤其需要考虑地理大数据存储、模型密集计算、以及计算可视化的一体化解决方案。

    5) 地理系统与问题具有复杂性,需要复杂性的科学实践。可以基于“从定性到定量的综合集成法以及综合集成研讨厅体系”的复杂性科学方法框架[21,28],来设计与开展虚拟地理实验。

    同时,需要把虚拟地理实验、与野外现场地理实验、室内地理物理实验等结合与集成起来,开展面向复杂性地理问题的多样化地理实验。

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