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地理系统是开放的复杂巨系统，地理问题是复杂性问题，目前地理科学的发展存在着理论基础相对薄弱、结论不易验证、先进科学技术方法缺乏强有力支持等问题。实验地理学是地理学发展的重要推动力，虚拟地理实验(Virtual Geographic Experiment，VGEX)，特别是支持协同的虚拟地理实验，是实验地理学结合当今地理信息、遥感、虚拟现实以及计算机网络通讯等技术的新兴实验手段。同时，对于地理信息科学与技术，也必须要结合实验科学、实验地理学，才能为地理科学的基础理论体系构建发挥重要的作用。
虚拟地理实验室(Virtual Geographic Laboratory，VGL)，由作为实验地理学技术平台的虚拟地理环境和以人为中心的地理协同空间环境组成。它是一个以大型的多源、多尺度集成数据库为基础的、以地理可视化表达为界面的、具有分布式群体协同工作机制、并符合地理空间感知与图解思维规律的主动式、集成化计算与分析环境。它与现实地理环境保持连续的通信，并对过去地理现实进行反演和验证，可以发现新知识并完善现有地理模型方法。通过对虚拟地理实验室的研究、建立与应用，能够积极促进有关实验地理学的研究，并极大地推动现代地理科学的发展。
本文探讨了网络技术和虚拟现实技术支持下虚拟地理实验室的理论原理与设计思路，提出了一种符合综合集成研讨厅体系以及空间认知和知识发现规律的虚拟地理实验框架，阐述了虚拟实验相关的理论与技术，并以辽宁省浑河洪水演进模拟为案例对以上理论和技术进行了初步的试验。本文的主要工作如下：
在理论上：
(1)对VGEX以及VGL的基本概念进行了整理和总结。从内涵以及外延两方面给出了VGEX以及VGL的基本定义；就地理学、传统实验地理学以及虚拟地理实验的研究对象进行了研究，探讨了VGEX的研究对象——现实世界地理模型、物理模型以及数字虚拟模型的机理以及之间的联系；探讨了实验的基本任务——揭示地理规律、完善地理模型、开拓知识领域、提供决策支持；就虚拟地理实验与传统地理实验以及GIS的异同点进行了对比，并分析了虚拟地理实验的基本特征。
(2)研究了VGEX的原理和方法。认为实验的基本原理包括相似性理论、地理空间认知理论和可计算人地关系理论；提出了虚实结合的虚拟地理实验研究方法，分析了虚拟地理实验在量测坐标系和尺度上与传统实验地理学的异同，并认为虚拟地理实验中实验方法的类型可以分为混合虚拟地理实验与完全虚拟地理实验两种。
(3)将相似性理论应用到虚拟地理实验的建模与实验结果的评估上，提出了地理实验相似建模的概念，并根据建立相似模型的手段的不同，探讨了实体地理实验相似建模和虚拟地理实验相似建模中的问题，并研究了虚拟地理实验相似建模的流程。
在技术上：
(4)对协同环境下实验前数据的组织与分发技术进行了研究，建立了全球瓦片数据的优化组织方法，结合人眼视觉对屏幕分辨率的感知对全球数据分层分块的方法进行改进；提出了DEM自适应的改进SPIHT小波压缩技术，该技术基于虚拟场景可视化对数字高程模型(DEM)的地形复杂程度进行评估，并以此为根据对编码算法进行调节，能采用合适的压缩比对地形数据进行压缩；并研究了智能控制的多线程网络传输技术和多级缓存的数据流机制。
(5)将协同实验中的消息分为实验方案消息、实验状态消息、实验者消息、实验结果消息，并研究了协同实验中过程共享与并发控制技术。对虚拟地理实验室的可视化技术进行了研究，分析了虚拟地理实验室的实验对象、虚拟实验仪器、实验室场景的可视化方法。
在应用上，以辽宁省浑河流域沈阳段城市洪水演进为例，对虚拟地理实验相似建模理论进行了应用分析，建立了浑河流域地理实验相似建模方法以及相似性评价标准。采用元胞自动机(cellular Automata，CA)结合圣维南模型的浑河洪水演进模拟方法，对模拟精度进行了评估，并在虚拟地理实验室中实现了计算可视化与动态模拟试验。