中科院遥感所博士生课程虚拟地理环境导论

虚拟地理环境中的智能模拟实验龚建华，2006/6/27中国科学院遥感应用研究所遥感科学国家重点实验室电话：10-64849299，Email:[e-mail]虚拟地理环境网站：中科院遥感所博士生课程“虚拟地理环境导论”（2006），虚拟地理环境实验室：版权所有。•“实验地理学”概论•地理模拟实验现状•虚拟地理实验室•智能模拟与应用实验•智能模拟实验思考•小结与思考1“实验地理学”概论1）逻辑、实验、计算是科学的昀基本方法；2）发展“实验地理学”的必要性•任美鍔院士与李吉均院士在2002年的地理学年会上，提出了“复兴/振兴地理学”的问题；（地理学科，学科发展危机）•信息社会下的区域可持续发展问题（现实需求，复杂性问题）•传统地理学家的地理思考与工作模式，现代海量科学数据下的现代地理学方法（继承与发展）（地理工作模式调整，我们与前辈地理学家）需要发展“实验地理学”1.1发展“实验地理学”3）发展“实验地理学”的可能性““实验经济学实验经济学””给予的启示给予的启示2002年经济学诺贝尔奖项：美国经济学家弗农·史密斯：实验经济学运用实验方法和技术来研究经济问题的经济学分支，它通过在可控实验环境下对经济现象和经济行为的分析和考察，来检验和完善传统的经济学理论，并对政策制定提供指导。为此，他发展了一系列经济实验方法，并提出了构成一个可靠的经济实验的五项原则。钱学森院士：地理科学，“从定性到定量综合集成研讨厅”体系•在80年代末、90年代初先后提出的“从定性到定量综合集成方法”以及“从定性到定量综合集成研讨厅体系”。•研讨厅体系的实质是将专家体系、统计数据和信息资料、计算机技术这三者结合起来，构成一个高度智能化的人、机结合，人、网结合的体系，用于研究复杂巨系统问题。•“从定性到定量综合集成研讨厅体系”，对于研究作为复杂性开放巨系统的地理系统，对“虚拟地理实验室”的建立与应用有着重要而又深远的理论与方法论上的指导意义。1.2“实验地理学”研究现状1）“实验地理学”的位置与重要性马蔼乃教授，“地理实验学”（虚拟现实）现现代代地地理理科科学学MMooddeerrnnGGeeooggrraapphhiiccSScciieennccee基基楚楚科科学学技技术术科科学学工工程程技技术术理理论论地地理理科科学学部部门门地地理理科科学学区区域域地地理理科科学学TThheeoorreettiiccaallGGeeooggrraapphhiiccSScciieenncceeDDeeppaarrttmmeennttGGeeooggrraapphhiiccSScciieenncceeRReeggiioonnaallGGeeooggrraapphhiiccSScciieennccee地地理理观观察察学学（（GGeeooggrraapphhiiccOObbsseerrvvaattiioonn））RRSS地地理理测测量量学学（（GGeeooggrraapphhiiccMMeeaassuurreemmeenntt））GPS地地理理实实验验学学（（GGeeooggrraapphhiiccEExxppeerriimmeenntt））VR地地理理信信息息科科学学地地理理计计量量学学（（GGeeooggrraapphhiiccMMeettrroollooggyy））DDCCSS环环境境工工程程（（EEnnvviirroonnmmeennttEEnnggiinneeeerriinngg））生生态态系系统统（（EEccoossyysstteemm））资资源源调调查查（（RReessoouurrcceeIInnvveessttiiggaattiioonn））人人口口调调控控（（PPooppuullaattiioonnCCoonnttrroolllliinngg））城城乡乡建建设设（（CCiittiieessaannddTToowwnnssCCoonnssttrruuccttiioonn））基基础础设设施施（（FFoouunnddaattiioonnaallIInnssttaallllaattiioonn））产产业业结结构构（（EEssttaatteessSSttrruuccttuurree））地地理理系系统统工工程程GGeeooggrraapphhiiccSSyysstteemmEEnnggiinneeeerriinngg（（GGeeooggrraapphhiiccIInnffoorrmmaattiioonnSScciieennccee））•阎守邕研究员，“实验人地系统科学”区域人地系统科学专题人地系统科学实验人地系统科学技术人地系统科学人地系统科学的分支学科及其相互关系，据阎守邕•何建邦等，1993，“实验地理学”（牛文元，1989）地球表层学现代地理学理论地理学技术地理学实验地理学定点观测网站遥感技术地理信息系统图：现代地理学主要构成框架2）“实验地理学”的实验模式与方法地理野外定位试验物理模型实验数学地理建模、遥感信息模型计算机的计算与模拟地理实验我国自然地理野外定位试验研究我国自然地理野外定位试验研究（黄秉维等，（黄秉维等，19901990））（从物理、化学、生物的三类自然过程，进行实验研究）（从物理、化学、生物的三类自然过程，进行实验研究）•50年代：在沙漠、冰川与湖泊水文德研究中开始定位观测与实验；•60年代：开展了地表热量平衡与水分平衡、积雪与雪崩以及坡地侵蚀等定位观测与实验；•70年代-80年代：大批野外定位实验站德兴建，开展了更多的野外定位实验研究。实验仪器的研制与改进：测定总蒸发的大型蒸发渗漏仪，测定总蒸发的波文比装置，测定CO2和水汽流的涡度相关装置，测定土壤水分的中子探测仪，测定作物冠层温度的红外测温仪等。中国自然地理野外定位试验站分布图中国自然地理野外定位试验站分布图（黄秉维等，（黄秉维等，19901990））物理模型实验遵循“相似原理与准则”以及“系统论的异构同功原理”（相似准则：几何形态相似，运动相似，动力相似，边界条件相似等）；地貌实验室及定位站一览表（截止1987）（据金德生，1991）数学模型实验（数值模拟）：确定性数学模拟试验与随机数学模拟试验。它借助包含数学变量、参数及常数，也包含有被研究对象的许多概念及实体在内的表达式，通过计算机重演被模拟对象、力学作用及地貌事件（金德生，1989）。3）模型黄河建设洪水威胁水资源供需矛盾生态系统恶化原型黄河模型黄河虚拟黄河堤防不决口河道不断流污染不超标河床不抬高“数字黄河”“数字黄河”国家信息基础设施（信息高速公路）数字地球数字地球全球层、国家层、区域层黄河问题治理手段治理目标地理信息系统全球定位系统遥感虚拟现实技术分布式空间数据库海量数据存储分布式计算元数据互操作……高性能计算机宽带网络……国家空间信息基础设施（地学信息高速公路）数字黄河建设（王光谦，2002）黄河与黄土高原问题，是一个复杂性地理问题！模型黄土高原研讨会模型黄土高原研讨会((西安西安,2004/12),2004/12)黄河流域黄土高原面积达64万平方公里，涉及多种气候和植被类型，包括13个水土流失类型区。((据黄河上中游管理局据黄河上中游管理局))原型（观测)实体模型(西峰水保站的南小河沟)人工模拟降雨系统比尺模型模型黄土高原建设模型黄土高原建设1.3其他学科1）虚拟风洞实验(NASA)TheVirtualWindtunnel(VWT)isanapplicationofvirtualrealityinterfacetechnologytothevisualizationoftheresultsofmoderncomputationalfluiddynamicssimulations.2）生物信息学（Bioinformatics)图视化“lightsaber”inavirtual-realityroomcouldbecomeafunwaytomakesenseofthefloodofgenomedataAMSTERDAM—InadarkchamberinthebowelsofStichtingAcademischRekencentrumAmsterdam(SARA),theDutchnationalsupercomputingfacility,AntonKoningthrustshishandintoagalaxy.“Thisgrouphereisinteresting,”hesays,pointingtoa英剑桥大学与联合利华公司共建分子信息学中心在13日于剑桥大学举行的新闻发布会上，中心主任罗伯特·格伦教授介绍说，科学研究产生的数据正以指数形式急速增长。例如已知的化学物质有2300万种，人类基因组碱基对数据有数十亿个，如何昀有效地运用这些数据，已成为一个迫切的问题。联合利华－剑桥分子信息学中心正是为此而建立的。该中心依附于剑桥大学化学系，完全投入运转后将有30名科研人员在此从事研究。他们将从全世界范围内收集分子数据，并开发能够处理大量数据的软件、智能浏览器等信息处理工具。中心还将研究“虚拟实验”技术，使科学家能够依据现有数据，在计算机上模拟化学反应，预测反应结果和分子的性质，并在实验室中进行验证。据认为，这将大大加快新型化学物质如药品的开发速度。DesigningDrugs•UnderstandingHowStructuresBindOtherMolecules(Function)•DesigningInhibitors•Docking,StructureModeling3）数字/虚拟人体与实验虚拟人体是将数据、生物物理和其它模型以及高级计算算法整合成一个研究环境，研究人体对外界刺激的反应。这样的研究的范围远远超出VHP（VisibleHumanProject）的解剖可视化的范围。它将物理学（例如组织的电和力学属性）和生物学（生理和生化信息）结合起来构成一个平台，能够预报对各种外界刺激（生理、生物化学乃至心理学）的反应并且能够观察结果。数字人体的应用领域包括：基因表达、细胞模型、器官模型、提高培训质量、仿生学研究、提高医疗实践水平（包括设计和测试医疗设备和处置、有利于发展组织工程学、开发人工器官和假体、有助于医护人员和病人的沟通、向每一个病人提供“双体人”，使诊断和治疗个性化、昀终要能够预测人体对新的治疗方法的响应）、开发人体的模拟替身（应用于车辆安全性、环境暴露、极端环境下的效果以及人体工学等）。美国科学家联盟由参与研制第一颗原子弹曼哈顿计划的科学家于1945年成立，属于私人资助的非盈利学术团体，发起人委员会中拥有58位诺贝尔奖得主。该联盟提出的虚拟人体总框架中包含VHP数据集和辅助数据集（MRI、CT、PET、常规放射学和解剖学）、虚拟人体的层次、疾病和综合症的临床信息基础、相关的医学学科（胚胎学、大体解剖学、显微和亚显微解剖学、生理学、生物化学）以及不断扩展的工具和产品。该联盟对数字人体的概念集中体现在以下方面：·提出系统论的观点开展基因、分子、细胞、组织、器官以及全身的全方位模拟；·回顾生理、细胞行为模拟取得的成就以及对临床的应用；·为了快速推动生物模拟的发展，有关生物模拟的数据库、新概论、描述、模型应该昀好公开。软件的源代码应该开放；·虚拟人体信息变化具有多种时间尺度，分子事件为10－12（－12为上角）秒，图形显示为10－1（－1为上角）秒，疾病的预后可以延伸到10年；·要根据不同情况采用多种方法学，包括有限元、多实体力学、马尔科夫链、神经网络、非牛顿力学等；·生物信息的提取要从离体上升到活体。生物信息的传递离体和活体往往有本质不同。只有能够研究各个部分的连续活动和变化（力学、电学和化学）才能真正掌握规律和具有实用价值。例如昀近华盛顿大学