探索虛擬現實技術與水文地質應用關系

■王健翔

（安徽省煤田地質局第一勘探隊安徽淮南232001）

探索虛擬現實技術與水文地質應用關系

■王健翔

（安徽省煤田地質局第一勘探隊安徽淮南232001）

隨著科學的進步，技術的提高以及計算機硬件的發展，虛擬現實技術在水文地質方面的應用也必將逐步發展起來。為水文地質的發展提供了三維立體表達、科學可視化開辟了一個新的方向。

虛擬現實技術水文地質應用

1 前言

虛擬現實技術（VRT），實際上是一種可創建和體驗虛擬世界的計算機系統。它是以仿真的方式給用戶創造一個實時反映實體變化與相互作用的三維世界，并通過頭盔顯示器(HMD)數據手套等輔助傳感設備，提供給用戶一個觀測與該虛擬世界交互的三維界面，使用戶可以直接參與并探索仿真對象在所處環境中的作用與變化，它具有多媒體信息感知性、沉浸感、交互性、自主性等特點。

2 虛擬環境建模

虛擬環境建模方法分為基于圖像和基于景物幾何兩大類。前者是以虛擬景觀瀏覽為目的，用專用全景攝影機或者普通照相機拍攝的照片等為素材、利用圖像數字化變形技術，在計算機上生成與實際視覺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，用二維圖像描述三維世界。與幾何模型場景的真實感圖形生成算法相比，其計算量較小，也不受場景復雜度的限制，且對硬件的要求也不及幾何建模那樣高，還可以在微機上實現。為增加場景的真實性，礦井虛擬環境采用圖像與景物幾何兩者相結合的虛擬環境建模方法來完成。

3 虛擬環境漫游與交互

對虛擬環境進行漫游實際上就是在場景中設置一個照相機，用戶通過鍵盤或鼠標改變照相機的各種參數，系統繪制在當前照相機參數下所成的圖像。漫游過程要用到常用的技術，如視見體裁減、可見性刪除和背面多邊形刪除等等。虛擬通風系統實現了3種漫游方式：自動漫游，查詢式漫游，交互式漫游。在漫游過程中進行的碰撞檢測，其一是根據巷道的四壁對攝像機高度進行監測，避免在交互式漫游過程中發生鉆入煤層的現象。其二是根據建筑物和設備的輪廓進行監測，防止“穿墻”而過的現象。

4 VRT在水文地質中的應用

隨著計算機硬件的發展，虛擬現實技術在近年逐步發展起來，但在城市或小區規劃中應用較多，在地質方面應用較少，主要用于礦產儲量的虛擬表達和儲量計算以及礦山開采方面的虛擬，在水文地質方面，目前剛剛起步，還沒有成型的軟件和相應研究成果。但隨著科學的進步，技術的提高以及計算機硬件的發展，虛擬現實技術在水文地質方面的應用也必將逐步發展起來。虛擬現實的主要功能是其沉浸感、三維立體表現事物的各個特征以及實時地表達，即虛擬現實技術具有表現現實存在的或不存在的事物在三維空間隨時間變化的功能，水文地質研究的也正是利用虛擬現實技術對不可或很難見到的事物在三維空間隨時間變化的特征。虛擬現實技術在水文地質研究中主要可以完成以下方面的工作。

4.1 VRT對含水層的表達

利用虛擬現實技術的三維可視化功能可以真實地再現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，僅能通過剖面圖展示含水層、隔水層的垂向分布特點，在平面圖中通過含水層厚度等值線表現含水層的空間分布狀況，總的來說不直觀也不全面。在虛擬現實系統中隨著資料的進一步完善，神秘的地下含水系統將真實地展現在人們的面前。

4.2 虛擬現實系統對地下水流的表達

水文地質研究中的主要部分是地下水流的運動規律，如果說含水層是水文地質研究中的一個不變的靜態因素，地下水流則是一個動態的變化過程，是目前水文地質研究中最為活躍的因素。利用虛擬現實系統可以研究的不僅是含水層的展布，同時利用虛擬現實系統的實時變化功能也可以對地下水流的運動變化特征進行虛擬表達，充分展現地下水流的特點，其流向、流速和流量乃至于儲存量的變化，特別是人類開采利用地下水對含水系統產生的影響，邊界條件對地下水流的約束和控制作用等。通過應用過程中不斷地完善地下水流的虛擬模型，不僅可以對地下水進行科學可視化的管理，而且可以設計不同的開采方案和管理模式，利用虛擬現實技術不僅可以對其進行演示和表達，還可以對其進行不斷的修改、補充和完善，使之成為比較完善的管理模型。

4.3 水文地質環境問題

近些年，由于大量開采利用地下水誘發了區域地下水位持續下降、水資源枯竭、地面沉降、海水入侵、土壤沙漠化等一系列的環境地質問題，引地表水灌溉，導致地下水位上升而產生沼澤化等問題。這一系列問題的研究，由于地下水水流變化的不可見性、環境問題產生初期不可預知，形成機理無法模擬研究以及時間、場景不可再現等原因，水文地質環境問題的研究始終處于滯后的局面，也始終在環境問題嚴重了以后才開始進行分析研究。虛擬現實技術具有虛擬事物不同發展過程的能力，可以虛擬已經存在的事物，也可以虛擬不存在的事物，可以虛擬事物過去的存在狀態，也可以虛擬其發展過程。因此通過實時的動態的虛擬，可以對事物的發展作一個不斷完善的研究和展示，為由于地下水的開采而造成的環境問題的研究提供了一個很好的工作平臺。

4.4 水資源規劃

虛擬現實技術在最開始主要用于小區的規劃方面，這種功能在目前及以后的水資源規劃和水源地建立時同樣為規劃設計提供了一個非常好的平臺。在水資源開發利用之初，利用虛擬現實技術建立水資源開發利用區的環境條件、水文地質條件等，在規劃開始，將各種規劃方案和由此而產生的環境變化結果虛擬出來，使水資源規劃方案能夠更完善，真正實現水資源的可持續利用。

5 結語

綜上所述，虛擬現實技術作為一種計算機方面最新的研究成果，為研究地下水賦存條件、地下水水質變化、污染物運移機理和由地下水開發利用導致的環境地質問題等方面的研究提供了新的研究手段，為不可見的水文地質現象提供了三維立體表達、科學可視化開辟了一個新的方向。

[1]許勇順，陳君，阮雪榆. 虛擬模具CAD/CAE/CAM系統結構框架及其環境技術 [J].上海交通大學學報，1998，32(5)：23-27.

[2]申蔚，夏立文. 虛擬現實技術 [M]. 北京：北京希望電子出版社，2002.

[3]楊寶民，朱一寧. 分布式虛擬現實技術及其應用 [M]. 北京：科學出版社，2000.

P64[文獻碼]B

1000-405X（2016）-6-147-1

王健翔（），畢業于河北工程大學資源勘查工程專業，現供職于安徽省煤田地質局第一勘探隊。