■王健翔

（安徽省煤田地質(zhì)局第一勘探隊(duì)安徽淮南232001）

探索虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與水文地質(zhì)應(yīng)用關(guān)系

■王健翔

（安徽省煤田地質(zhì)局第一勘探隊(duì)安徽淮南232001）

隨著科學(xué)的進(jìn)步，技術(shù)的提高以及計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在水文地質(zhì)方面的應(yīng)用也必將逐步發(fā)展起來(lái)。為水文地質(zhì)的發(fā)展提供了三維立體表達(dá)、科學(xué)可視化開(kāi)辟了一個(gè)新的方向。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)水文地質(zhì)應(yīng)用

1 前言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VRT），實(shí)際上是一種可創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它是以仿真的方式給用戶(hù)創(chuàng)造一個(gè)實(shí)時(shí)反映實(shí)體變化與相互作用的三維世界，并通過(guò)頭盔顯示器(HMD)數(shù)據(jù)手套等輔助傳感設(shè)備，提供給用戶(hù)一個(gè)觀測(cè)與該虛擬世界交互的三維界面，使用戶(hù)可以直接參與并探索仿真對(duì)象在所處環(huán)境中的作用與變化，它具有多媒體信息感知性、沉浸感、交互性、自主性等特點(diǎn)。

2 虛擬環(huán)境建模

虛擬環(huán)境建模方法分為基于圖像和基于景物幾何兩大類(lèi)。前者是以虛擬景觀瀏覽為目的，用專(zhuān)用全景攝影機(jī)或者普通照相機(jī)拍攝的照片等為素材、利用圖像數(shù)字化變形技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上生成與實(shí)際視覺(jué)效果相一致的虛擬世界。該方法須采用圖像透視變換、圖像拼合、圖像變形、圖像合成與裁剪等技術(shù)，用二維圖像描述三維世界。與幾何模型場(chǎng)景的真實(shí)感圖形生成算法相比，其計(jì)算量較小，也不受場(chǎng)景復(fù)雜度的限制，且對(duì)硬件的要求也不及幾何建模那樣高，還可以在微機(jī)上實(shí)現(xiàn)。為增加場(chǎng)景的真實(shí)性，礦井虛擬環(huán)境采用圖像與景物幾何兩者相結(jié)合的虛擬環(huán)境建模方法來(lái)完成。

3 虛擬環(huán)境漫游與交互

對(duì)虛擬環(huán)境進(jìn)行漫游實(shí)際上就是在場(chǎng)景中設(shè)置一個(gè)照相機(jī)，用戶(hù)通過(guò)鍵盤(pán)或鼠標(biāo)改變照相機(jī)的各種參數(shù)，系統(tǒng)繪制在當(dāng)前照相機(jī)參數(shù)下所成的圖像。漫游過(guò)程要用到常用的技術(shù)，如視見(jiàn)體裁減、可見(jiàn)性刪除和背面多邊形刪除等等。虛擬通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了3種漫游方式：自動(dòng)漫游，查詢(xún)式漫游，交互式漫游。在漫游過(guò)程中進(jìn)行的碰撞檢測(cè)，其一是根據(jù)巷道的四壁對(duì)攝像機(jī)高度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，避免在交互式漫游過(guò)程中發(fā)生鉆入煤層的現(xiàn)象。其二是根據(jù)建筑物和設(shè)備的輪廓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，防止“穿墻”而過(guò)的現(xiàn)象。

4 VRT在水文地質(zhì)中的應(yīng)用

隨著計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在近年逐步發(fā)展起來(lái)，但在城市或小區(qū)規(guī)劃中應(yīng)用較多，在地質(zhì)方面應(yīng)用較少，主要用于礦產(chǎn)儲(chǔ)量的虛擬表達(dá)和儲(chǔ)量計(jì)算以及礦山開(kāi)采方面的虛擬，在水文地質(zhì)方面，目前剛剛起步，還沒(méi)有成型的軟件和相應(yīng)研究成果。但隨著科學(xué)的進(jìn)步，技術(shù)的提高以及計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在水文地質(zhì)方面的應(yīng)用也必將逐步發(fā)展起來(lái)。虛擬現(xiàn)實(shí)的主要功能是其沉浸感、三維立體表現(xiàn)事物的各個(gè)特征以及實(shí)時(shí)地表達(dá)，即虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有表現(xiàn)現(xiàn)實(shí)存在的或不存在的事物在三維空間隨時(shí)間變化的功能，水文地質(zhì)研究的也正是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)不可或很難見(jiàn)到的事物在三維空間隨時(shí)間變化的特征。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在水文地質(zhì)研究中主要可以完成以下方面的工作。

4.1 VRT對(duì)含水層的表達(dá)

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三維可視化功能可以真實(shí)地再現(xiàn)地下含水層和隔水層的分布、含水層的厚度、空間的變化情況。以往工作中，僅能通過(guò)剖面圖展示含水層、隔水層的垂向分布特點(diǎn)，在平面圖中通過(guò)含水層厚度等值線(xiàn)表現(xiàn)含水層的空間分布狀況，總的來(lái)說(shuō)不直觀也不全面。在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中隨著資料的進(jìn)一步完善，神秘的地下含水系統(tǒng)將真實(shí)地展現(xiàn)在人們的面前。

4.2 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)對(duì)地下水流的表達(dá)

水文地質(zhì)研究中的主要部分是地下水流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，如果說(shuō)含水層是水文地質(zhì)研究中的一個(gè)不變的靜態(tài)因素，地下水流則是一個(gè)動(dòng)態(tài)的變化過(guò)程，是目前水文地質(zhì)研究中最為活躍的因素。利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以研究的不僅是含水層的展布，同時(shí)利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)變化功能也可以對(duì)地下水流的運(yùn)動(dòng)變化特征進(jìn)行虛擬表達(dá)，充分展現(xiàn)地下水流的特點(diǎn)，其流向、流速和流量乃至于儲(chǔ)存量的變化，特別是人類(lèi)開(kāi)采利用地下水對(duì)含水系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，邊界條件對(duì)地下水流的約束和控制作用等。通過(guò)應(yīng)用過(guò)程中不斷地完善地下水流的虛擬模型，不僅可以對(duì)地下水進(jìn)行科學(xué)可視化的管理，而且可以設(shè)計(jì)不同的開(kāi)采方案和管理模式，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不僅可以對(duì)其進(jìn)行演示和表達(dá)，還可以對(duì)其進(jìn)行不斷的修改、補(bǔ)充和完善，使之成為比較完善的管理模型。

4.3 水文地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題

近些年，由于大量開(kāi)采利用地下水誘發(fā)了區(qū)域地下水位持續(xù)下降、水資源枯竭、地面沉降、海水入侵、土壤沙漠化等一系列的環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題，引地表水灌溉，導(dǎo)致地下水位上升而產(chǎn)生沼澤化等問(wèn)題。這一系列問(wèn)題的研究，由于地下水水流變化的不可見(jiàn)性、環(huán)境問(wèn)題產(chǎn)生初期不可預(yù)知，形成機(jī)理無(wú)法模擬研究以及時(shí)間、場(chǎng)景不可再現(xiàn)等原因，水文地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題的研究始終處于滯后的局面，也始終在環(huán)境問(wèn)題嚴(yán)重了以后才開(kāi)始進(jìn)行分析研究。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有虛擬事物不同發(fā)展過(guò)程的能力，可以虛擬已經(jīng)存在的事物，也可以虛擬不存在的事物，可以虛擬事物過(guò)去的存在狀態(tài)，也可以虛擬其發(fā)展過(guò)程。因此通過(guò)實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)的虛擬，可以對(duì)事物的發(fā)展作一個(gè)不斷完善的研究和展示，為由于地下水的開(kāi)采而造成的環(huán)境問(wèn)題的研究提供了一個(gè)很好的工作平臺(tái)。

4.4 水資源規(guī)劃

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在最開(kāi)始主要用于小區(qū)的規(guī)劃方面，這種功能在目前及以后的水資源規(guī)劃和水源地建立時(shí)同樣為規(guī)劃設(shè)計(jì)提供了一個(gè)非常好的平臺(tái)。在水資源開(kāi)發(fā)利用之初，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立水資源開(kāi)發(fā)利用區(qū)的環(huán)境條件、水文地質(zhì)條件等，在規(guī)劃開(kāi)始，將各種規(guī)劃方案和由此而產(chǎn)生的環(huán)境變化結(jié)果虛擬出來(lái)，使水資源規(guī)劃方案能夠更完善，真正實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一種計(jì)算機(jī)方面最新的研究成果，為研究地下水賦存條件、地下水水質(zhì)變化、污染物運(yùn)移機(jī)理和由地下水開(kāi)發(fā)利用導(dǎo)致的環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題等方面的研究提供了新的研究手段，為不可見(jiàn)的水文地質(zhì)現(xiàn)象提供了三維立體表達(dá)、科學(xué)可視化開(kāi)辟了一個(gè)新的方向。

[1]許勇順，陳君，阮雪榆. 虛擬模具CAD/CAE/CAM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架及其環(huán)境技術(shù) [J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，32(5)：23-27.

[2]申蔚，夏立文. 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) [M]. 北京：北京希望電子出版社，2002.

[3]楊寶民，朱一寧. 分布式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其應(yīng)用 [M]. 北京：科學(xué)出版社，2000.

P64[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-6-147-1

王健翔（），畢業(yè)于河北工程大學(xué)資源勘查工程專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)供職于安徽省煤田地質(zhì)局第一勘探隊(duì)。