基于虛擬現實的水質預警

趙自越，張 晨，高學平

(天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072)

2007 年江蘇太湖藍藻大規模暴發，導致水體急劇惡化，嚴重影響當地居民的正常生活，是當年影響民生的十大事件之一。太湖水體污染問題是長期積聚而導致的一場公共危機，歸根結底在于缺乏對水質的實時監控以及對可能出現水質狀況的預警。控制水質最有效的方法是防患于未然，在即將發生惡化之前采取相應的措施延緩并改善水體狀況，減少因水質惡化帶來的經濟損失和不良影響。因此，采用科學、先進的手段對水質進行預警十分必要。

長期以來，計算機技術在水質預警中的應用一直局限于平面設計、數值模擬等方面。近年來關于生態決策系統的可視化［1］和水庫的信息化系統建設［2-4］的研究較多，取得了一定的成果，有較強的實用價值。但受到硬件或軟件平臺的限制，存在很多局限性，不能進行實時的交互，很大程度上是一種工程設計成果的三維可視化，缺乏交互能力?；诖?，筆者引入虛擬現實(virtual reality，簡稱VR)技術［5］，為水質監測與預警提供一種全新的環境［6-9］，從而探索新的管理方法和理論，徹底擺脫傳統的管理手段和思想帶來的局限性。該技術可實現真正的實時交互，讓場景中的水質信息、設施的運行狀態實時更新，為管理與決策提供科學、直觀、高效的信息。

1 VR 技術概述

虛擬現實技術是以沉浸性、交互性和構想性為基本特征的計算機高級人機界面。它綜合了計算機圖形技術、計算機仿真技術、傳感器技術、顯示技術等多種科學技術。在多維信息空間上創建一個虛擬信息環境，能使用戶具有身臨其境的沉浸感，具有與環境完善的交互作用能力，并有助于啟發構思。當前，VR 已不僅僅被關注于計算機圖像領域，而且涉及更廣的領域，如電視會議、網絡技術和分布計算技術，并向分布式虛擬現實發展。

虛擬現實技術將是21 世紀信息技術的代表，它的發展將改變人們的工作方式和生活方式。隨著計算機技術的發展，在PC 計算機上實現虛擬現實技術已成為可能。目前虛擬現實系統的運行趨勢為單機桌面和互聯網兩種主要方式，因此它對計算機硬件技術和網絡技術的發展和應用也有很大的刺激作用［4-5］。

隨著虛擬技術的發展，虛擬現實開發平臺也不斷涌現出來。虛擬現實開發平臺應用VC + + 和Open GL 進行開發，借助虛擬現實平臺上已生成的可視化的基本圖元的可重用性，在平臺界面上拖拽基本圖形元素，并配以一定的操作，能可視化地組建各種三維圖形和三維場景?，F階段主流的虛擬現實平臺(virtual reality-platform)如Unity3d、Virtools、Quest3d、VR-P 等在各領域得到了廣泛的應用。

2 水質預警系統的建立

2.1 水質預警VR 建模

本研究建立的水質預警系統可分為兩個模塊:可視化模塊、水質評價與預警模塊。兩模塊間既有一定的獨立性，又保持數據的實時互通。對于可視化模塊，運用虛擬現實平臺，以節點的形式對場景內的物體進行管理，賦予每個物體獨立的屬性。通過外接數據庫使得VR-P 場景內的各物體的幾何信息和物理信息通過其字段號聯系起來，使得虛擬空間內的各物體屬性與水質預警系統建立映射關系，系統內信息與狀態的變化會通過這層映射關系反映到可視化模塊中。以高效的虛擬現實平臺軟件VR-P為內核，將所有的靜、動態模型按相互間的空間邏輯關系有序地組織到統一的場景中，同時添加各類特效，例如天空、光源、霧化等，形成一個具有交互性、構想性和沉浸感的三維可視化系統，水質預警系統框架如圖1 所示。對于水質評價與預警模塊，筆者采用水質狀態預警，通過水質數據的采集、數據庫的整合與比對，對水質現狀進行綜合評價，得出各個區域的水質優劣狀況，以此為基礎提出是否警報;與此同時將實時的水質信息傳遞給可視化模塊展現出來。

圖1 水質預警系統框架

2.2 模型的建立與拾取

在水質預警系統中的模型均屬于靜態，即隨著時間的推移模型的各定點的幾何數據及空間拓撲關系保持不變，包括靜態的物體如湖體周邊的建筑和景物、湖內的島嶼、水面等，以及可運動的物體如各進出水口的控制閘門等。對于這類模型，通過改變其空間坐標及尺寸、顏色、貼圖等來進行模擬。為滿足模型的視覺效果和精度上的要求，采用AutoCAD、3DSMax 等模型工具建立三維模型，并在3DSMax 內對模型進行渲染達到預期效果后進行烘焙，并通過工具轉化為標準的網格形式存入模型庫。對于可以運動的物體，分析其運動的基本規律，運用3DSMax、Maya 等工具建立骨骼動畫并存入模型庫。

將制作好的模型、骨骼動畫等導入VR-P，并在VR-P 中進一步對模型進行修改達到理想的效果。接著在VR-P 中設置相機，創建一個行走相機用于在場景內自由巡視;創建若干個定點相機用來觀測各監測點所控制的區域，提供近距離的景象。在系統的應用過程中，需要對場景內的物體進行拾取操作并查詢各物體的信息。調用點擊觸發函數、查詢函數;通過鼠標拾取或鍵盤輸入，就可以得到需要的實體對象集合，進而得到實體對象指針，這樣就可進行實體信息查詢。在場景大致設置完畢后可以通過VR-P 自帶的語句在界面內編輯若干按鈕，來完成切換攝影機鏡頭、環游場景、顯示物體信息等操作，使得界面更加豐富生動，同時也方便操作。最后將虛擬的場景連接至數據庫，賦予物體所對應的信息。

2.3 預警模塊的建立

數據庫是水質評價與預警的基礎，是連接水質預警模塊和可視化模塊的橋梁。在數據庫中對實時的水質數據進行分析比較，得出當前的水質狀況后，將信息反映到對應的物體上。

監測數據評價分析是水質評價與預警的核心。讀取各監測點的水質信息數據(包括各區域的水溫、pH 值、電導率、TN、DO、CODMn、BOD5、TP 等)，通過已保存的固定格式導入數據庫;接著運用數據庫的內部語句，采用模糊數學方法［10-11］進行水質評價，根據監測數據建立各指標對各類標準的隸屬度集，形成模糊關系矩陣;將指標權重矩陣與模糊關系矩陣進行合成運算，獲得1 個綜合評價集;根據評價對象對各級標準的隸屬度，得出評價結果并與設定好各項參數的預警警戒線進行比對，并保存相應的數據。對于缺少水質參數的湖泊，選取該區域已知的水質信息作為主要水質參數，讀取這些已知水質信息后，采用單因子水質評價法［7］進行水質評價，將這些污染物實測濃度與該種污染物的評價標準進行比較以確定水質類別。即將每個水質監測參數與GB3838—2002《地面水環境質量標準》進行比較，確定水質類別，最后選擇其中最差級別作為該區域的水質狀況與設定好各項參數的預警警戒線進行比對，并保存相應的數據。將上述操作設定為一個循環，在下次讀取水質數據的時候重復上述操作。

預警因子及警戒線是水質評價與預警的標準。為了能夠全面地反映水體的水質狀況以及對所處區域的影響度，應適當地從水質等級、水溫、pH、電導率、TN、DO、CODMn、BOD5、TP 等選取若干個作為水質評價因子。同時，參照國家相關的水質標準以及選中的因子對所處地區的影響程度，確定預警評價的警戒線(表1)。

表1 水質預警因子及警戒線

在設定好水質預警警戒線之后，通過系統的運行，數據庫的自動比較，當水質情況超過了警戒線時進行預警，根據警報程度的不同給出相應的提示。隨著水質情況的更新［12］，系統內的信息也隨之變化，實時反映當前的水質情況。

3 工程應用

3.1 湖區模型建立

某人工湖水域面積5.6 km2，水岸線長度43.865 km，正常蓄水位為85.50 m，平均水深4.5 m，最大水深7.0 m，相應的水體體積為2680 萬m3。首先根據工程實際構造整個湖區的VR 模型，在3DSMax 中突出對水面的渲染使其更真實。接著根據水質監測點的布置原則，選取5 個監測點將湖區劃分為5 個相對獨立的區域，每個監測點的水質信息代表各區域的水質信息。利用上述方法對該人工湖在圖形仿真的基礎上實現可視化查詢操作。

3.2 湖區漫游

以高效的圖形處理內核為前提，使得在PC 上處理大幅的三維場景成為可能，并添加天空體，花草樹木、周邊建筑等實體，用戶可以在虛擬場景中任意漫游，充分了解各區域的水質狀況和景物。包括交互式的漫游和自動式的漫游，前者采用外設對漫游路徑、方向進行控制，比較靈活;后者是按照給定路徑進行演示，用于展現某些細節。

3.3 水質預警

建立好水質預警模塊，選取水溫、pH 值、電導率、TN、DO、CODMn、BOD5、TP 等作為預警因子，根據各監測點監測所得的實時數據經過模塊的分析，得到實時的水質信息;并與設定好的水質預警因子進行比較，提出相應警報，如圖2 所示。同時設定每天早上8 時系統自動更新水質信息與警報等級。

圖2 水質信息的查詢及預警界面

4 結 語

水質監測與預警是一個復雜的系統，大多數研究呈現出來的是大量的枯燥的數學字符與文字信息。本次研究根據水質監測與預警的特點，采用基于虛擬現實技術的水質監測與預警的方法，實現了直觀的水質信息的實時交互與可視化，將原本枯燥繁瑣的信息直觀簡要地展現出來。研究結果表明，基于VR 的水質預警系統使人與信息數據之間的交流方式發生了改變，許多冗繁而枯燥的數據變得直觀，基于VR 的水質預警系統將水庫調度決策問題清晰、科學地展現在管理決策者面前，為決策者提供可視化的環境。

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