1．VR-GIS的地学应用

    （1）运用VR-GIS技术对地球系统科学和信息科学的研究对象进行模拟实验时，一定要具备以下四个条件：

    第一，对所要进行虚拟实验的地学应用的机理进行研究；

    第二，根据上述机理及应用要求建立模型，包括数理模型或概念模型，如不能建立模型时，就采用人工智能及可视化技术；

    第三，进行模拟、虚拟实验分析；

    第四，进行试点工作，验证其可信度，反馈信息。

    （2）地球系统的各种现象或过程都可以进行虚拟实验，包括：

    ①对地球系统的结构进行虚拟

    ·分子结构、晶体结构、基因图谱等进行模拟；

    ·宇宙构造、地球构造、地质构造、火山构造、地貌构造、景观结构等进行模拟；

    ·城市、交通、大型工程结构进行模拟。

    ②对地球系统的运动现象与过程进行模拟

    ·地壳运动、褶皱断裂过程、地震发生机制与过程、火山爆发过程进行虚拟；

    ·河流地貌过程、风化地貌过程、冰川地貌过程、冲积平原、洪扇、三角洲的演化过程虚拟实验；

    ·天气过程、龙卷风、雷暴雨、锋面天气、强对流天气、海气交互作用过程的虚拟实验；

    ·森林生态系统、草场生态系统、湖泊生态系统、沼泽生态系统进行虚拟；

    ·农业生态系统、养殖生态系统、城市生态系统、区域生态系统的虚拟；

    ·洪涝灾害与救灾、森林草场火灾及救灾、山崩、滑坡、泥石流、雪灾、垮坝灾害、荒漠化过程、土壤侵蚀与水土虚拟；

    ·城市规划与改造、区域可持续发展虚拟；

    ·南水北调、黄河水资源调控、三峡工程、小浪砥等工程虚拟；

    ·上海大港建设、杭州湾整治、苏北五条沙开发与整治、长江河流开发与整治VR实验。

    ③综合开发与治理虚拟实验

    ·区域可持续发展实验；

    ·流域开发与综合治理实验。

    ④污染与整治虚拟实验

    ·大气污染过程、水质污染过程与扩散过程实验；

    ·噪声污染实验。

    （3）虚拟地理信息系统特别适用于教育和培训工作，具有一切影像教育的特点，可以将对地球科学的知识、抽象的概念，用生动的逼近真实的感觉来表达，使实学者易于接受和了解复杂系统。

    （4）虚拟地理信息系统是一门综合技术，又是一门艺术，在很多应用场合，艺术成分往往超过技术。它要求用户具有想像力和形像化的思维和艺术的修养，才能构造完美的虚拟世界，如“侏罗纪公园”、“龙卷风”等影视娱乐虚拟世界等。

    虚拟地理信息系统距真正的虚拟现实技术尚有较大的距离，实际上是介于虚拟现实与计算机仿真技术之间的一种过渡的技术，可以称它为虚拟，也可以称它为仿真。它没有触摸感和力学感，但有交互感，即身临其境感（虽然它是由听觉和视觉造成的）。

    2．虚拟技术在地球科学研究中的应用实例

    （1）虚拟城市规划：美国的VR技术专家和城市管理专家综合，对洛杉矶和拉斯维加斯两个城市改造进行了虚拟实验，将城市的街道及建筑物，尤其是高层建筑物，根据城市的功能和城市美学的原则，进行了多种方案的对比分析，同时还对街道树种的选择进行比较，包括幼年树和成年树绿化效果及美观情况作了一一比较，最后作出了人行道树种的抉择。

    （2）地震虚拟实验：美国科学家对圣安得列斯断层地震进行了虚拟实验，科学家运用VR-GIS技术将DEM与TM卫星影像进行叠加处理形成虚拟的圣安得列斯地区的地形，并将地下构造和断层叠加，形成三维立体图。当虚拟地震发生时，地下与地表产生了强烈的震动，出现了山崩和地震时一样的情况，地下构造也发生了强烈的震动和位移，逼真地显示了强烈地震的情景。

    （3）古生物虚拟：除了众所周知的“侏罗纪公园”影视片外，还有“恐龙”和“寒武纪毛孔虫及奇形虾”的虚拟科教影视。虚拟“恐龙”科教影视扼要地介绍了侏罗纪时环境背景和恐龙的生活状况，活龙活现地再现了当时恐龙的奔跑和吼叫声等。寒武纪毛孔虫及奇形虾的虚拟科教影视，由地质学家在寒武纪地层发现毛孔虫和奇形虾的化石开始，研究了它们的生活环境，用虚拟技术再现了毛孔虫及奇形虾的形状及它们生活的寒武纪时海洋环境，以它们的生活状况、活动、游泳等，生动和逼真地复原寒武纪时环境与生物的状况。

    （4）石油地质及开采的虚拟实验：美国ABCO石油公司，借助了三维虚拟技术，研究了西部Texas贮油区的深部地质构造，并结合采油技术进行了虚拟实验，包括注水换油虚拟和化学剂泡沫采油虚拟实验等，在生产上获得了较好的效果。

    （5）大气、海洋与陆地的交互作用虚拟实验：美国全国超级计算应用中心负责人丹尼尔·布雷迪根据卫星遥感数据将大气、海洋与陆地的相互作用进行虚拟模拟，使之为天气预报服务，他认为没有形像化的绘图与图解，大气、海洋与陆地的相互作用的过程将永远不会为人们透彻地理解，运用虚拟现实技术进行模拟实验可能是一处最好的途径。

    （6）暴风雨和龙卷风的虚拟实验：美国气象学家罗伯特·B威廉姆森教授运用虚拟技术，模拟了暴雨和龙卷风的形成过程及其造成的破坏景象。同时，美国还制作了一部关于“龙卷风”的虚拟娱乐片，逼真生动地描述了龙卷风的过程及造成的破坏。

    （7）宇宙星系的虚拟：美国哈佛大学天文学家玛芯戈责特·盖勒在电脑上进行了三维星系虚拟，表达了 15 000 个已知星系的立体位置图像，可以用来探访宇宙的任何部分，可以在虚拟的宇宙空间中“任意飞行”，如身临其境，而且还获得了重要的发现，其中之一便是星系群构成一个看不见的泡状物，这是过去天文学家所未知的。

    （8）月球形成的虚拟：科罗拉多大学的天文学家们虚拟在45亿年前，一个比火星大3倍的星体撞击地球而形成了两个月球，其中一个运行了几千万年后，经星际引力作用而解体，部分脱离地球轨道，部分残体进入大气层中。

    （9）香港中文大学地球信息科学联合实验室提出虚拟地理环境概念，并运用GIS和CAD工具，Java和VRML语言研究基于万维网和虚拟现实技术的虚拟郊野公园和虚拟香港中文大学。

    （10）浙江大学潘云鹤教授研究了虚拟旅游（敦煌虚拟旅游）和城市交通的虚拟等。

    日本电气公司（NEC）指出；虚拟技术不仅在某种程度上可以替代实验室中的某些实验（如水工模拟实验、风洞模拟实验室等），而且还能起到显微镜和望远镜的作用。

    我们认为VR-GIS技术，尤其适用于地球科学。以前的所有实验技术和模拟技术（水工模拟、风洞模拟等）都不如 VR-GIS技术那么效果好，那么方便，何况很多地球系统的过程和现象是除VR-GIS技术以外任何实验技术和模拟技术所做不到的。VR-GIS技术为地球系统的过程和现象创造了很好的实验和模拟条件，对地球系统科学和地球信息科学能起到很大的推动作用。

    根据调查，下一个研究是VR-GIS可能性的实验，例如：

    都市规划：这个应用范围从产生大比例尺城市模型（Liggetti等，1995），到对环境的设计和规划（Dodge et al．， 1997），在这些应用中，重点是估计不同规划方法的可视化方面，以及允许一组规划人员通过规划过程相互交流。

    环境规划和效果评估：这是导致VR-GIS的可视化系列问题：评估一个规划森林的可视效果，到抽象现象的表示，如土地污染、大气污染。

    科学可视化：其目标是开发对不同科学目的的三维地理/制图表示的可能性，重点是目标本身的可视化方法。在这方面ACM、SIGGRADH的Carto。工程是值的注意的。

    考古模拟：这方面的应用主要是陆地景观和结构的重建。这个依赖于GIS的应用，通常用到GIS的处理数字高程模型（DEM）功能，然后把DEM面转换到VRML模型，重点是可视化分析和确认假设（Gillinss＆ Goodriclc，1996）。

    教育：这方面，虚拟野外课程方面的专题流行起来，例如 Birkbeck学院和Leicester大学开发的VFC以及Montercy Bay Aquariam研究所开发的虚拟峡谷，其目的是通过对偏远的难以到达的地方的可视化，来增强学习过程，这里VR多媒体功能起了重要作用。在VR场景上附加信息的能力也是一个重要方面。

    军事模拟和情报应用：军事模拟，特别是飞行模拟是VR实施的主要推动力，军事VR-GIS的一个目标是在未来演习力求允许“虚拟预演”。

    通过了解 VRGIS的应用领域，可以判断 VRGIS发展的一些因素。 VR-GIS的某些目的是明显的，一个主要目的是建立（或重建）陆地景观和都市设置——目前不存在的或正在规划中的，考古要重建目前不存在的三维古代陆地景观。

    第二个目的是抽象变量的可视化，“把它们带到现实中来”。这是目前VR应用比较流行的方面。然而，在VR-GIS中，这些应用是在“真实变量”的背景上对“虚拟变量”的混合表示。抽象变量通常是环境变量。

    第三个目的是提高在合作过程中思想和概念的交流，如体系结构的规划，这种过程中，VR-GIS在参与者之间扮演思路的调解者和传达人的角色（ Campbell＆ Davidjon，1996）。在GIS领域，目标是支持那些不会使用地图的用户，这个目标导致对空间技术的直觉界面的研究。

    最后导致VR-GIS的一个明显的目的是寻找要解决的问题。

    GIS获取和存贮空间数据，因为许多VR应用开发者正在寻找应用。这类应用如科学可视化。

    下面是各国在VR-GIS领域的研究统计（表15．1）：