虛擬現實技術在隧道超前地質預報中的應用

馬軍旗，范賀凡，李 程，張志增，周 永

（1.中電建路橋集團有限公司，北京 100160；2.中原工學院建筑工程學院，河南 鄭州 450007；3.北京科技大學土木與環(huán)境工程學院，北京 100083）

21 世紀以來，隨著科技的發(fā)展，虛擬現實技術逐步得到完善，將虛擬現實技術與傳統施工工藝相結合可以有效提高工作效率，這已經成為了創(chuàng)新施工的重要探索方向。李衛(wèi)等[1]利用全景視頻技術對隧道施工實時監(jiān)控檢測；黃地龍等[2]利用三維地質建模進行虛擬隧道開挖，對開挖過程中的地質災害實施風險預警；何堅等[3]利用虛擬現實技術對隧道交通設施和環(huán)境進行評估；鐘登華等[4]利用三維地質建模技術創(chuàng)建動態(tài)仿真系統，為地下洞室的施工提供安全保證；陳一飛等[5]以虛擬現實技術為核心，建立隧道災害演練平臺，以實現災害模擬預演從而進行安全教育；周永等[6]將全景技術與遠程會議相結合，幫助用戶更有效地了解施工環(huán)境。縱觀已有研究，虛擬現實技術與傳統工藝相結合，是隧道施工工藝發(fā)展的一個重要方向，但尚未有將虛擬現實技術應用于隧道超前地質預報領域的研究。

地下工程行業(yè)日益發(fā)展，隧道施工環(huán)境復雜，受地質、工程技術等多方面因素制約，充滿著不確定性。在隧道施工之前對施工場地進行地質勘測是重要的準備工作，合理利用超前地質預報可以有效測量隧道施工場地環(huán)境，減少危險事故的發(fā)生。傳統的超前地質預報是以地質分析為基礎，以物探方法為手段，結合測繪、計算、設計等方法相互印證和補充，在隧道開挖時對掌子面前方及其周邊的圍巖與地層情況進行測量，得到相關數據后制得地質素描卡，為下一步的施工做好準備。

虛擬現實技術在隧道超前地質預報中的應用，主要是指開發(fā)一個隧道超前地質預報程序，在傳統地質素描卡的基礎上給用戶提供三維全景地質圍巖模型。相比于傳統的用表格來呈現觀測信息，該系統將隧道地質勘測結果和三維全景技術相結合，用三維全景的方式把隧道地質勘測結果形象地呈現給用戶，幫助用戶更加直觀地了解隧道工程地質信息，監(jiān)測施工條件，提高施工進度，保障施工安全。

1 系統創(chuàng)建準備工作

1.1 虛擬現實技術

虛擬現實，英文名稱Virtual Reality，縮寫為VR，是指通過傳感、計算機、人工智能、動作捕捉、光學和可穿戴顯示設備等技術的有效結合，構建起一種可以作用于人體感官的、與現實社會高度相似的、交互式動態(tài)虛擬場景，為用戶創(chuàng)造一個自然、逼真、具有視聽觸覺的虛擬環(huán)境。虛擬現實具有沉浸性、交互性和想象性，用戶可以在虛擬環(huán)境中與虛擬物體進行實時交互，從而幫助體驗者達到訓練、觀察、審閱等目的，為用戶帶來不同于傳統二維設備的新體驗，幫助用戶從被動的觀察者成為主動的參與者[7-8]。

1.2 相關軟硬件

1.2.1 3D Max

Autodesk 公司出品的三維動畫制作和渲染軟件，以其強大的三維制作功能被廣泛地應用于建筑設計、可視化仿真、動畫設計、游戲和虛擬現實等領域，制作流程簡潔高效，易于操作。使用3D Max 進行超前地質系統隧道模型的初始建模。

1.2.2 Vray

3D Max 外掛渲染插件，提供了真實豐富的材質、燈光、相機、渲染系統，可以幫助用戶快速制作出逼真的照片效果。幫助隧道模型的貼圖處理，使其更加逼真，便于在模型中更準確地區(qū)分不同地質條件。

1.2.3 Unity 3D

Unity 3D 是Unity Technologies 公司制作的一款具有良好跨平臺性、可以實現建筑可視化、以C#為編程語言的2D/3D 游戲制作引擎。借助該平臺對超前地質系統用戶操作界面進行設計，并對各模塊功能進行開發(fā)。

1.2.4 MySql 數據庫

MySql 數據庫屬于多用戶和多線程的SQL 數據庫服務器，它以關系模型為基礎，并借助于相關的數學概念和方法來對數據庫中的數據進行管理，幫助用戶使數據的存儲、更新和讀取更加容易。使用MySql 數據庫對采集到的地質信息進行儲存和組織。

1.2.5 HTC Vive 頭盔

HTC 與Valve 聯合開發(fā)的頭戴式三維交互設備，通過左右眼圖像的信息差，給用戶營造虛擬環(huán)境，使其仿佛身臨其境。

1.3 數據采集

隧道數據的采集大體分為3 個部分：

（1）隧道建筑數據的獲取。通過實地觀測以及施工方提供的隧道施工圖，準確了解隧道的基本建設數據。其中包括仰拱半徑、中線高度、隧道凈空、洞口尺寸和附屬建筑物等相關信息，以確保隧道模型建立的準確性，避免模型圍巖劃分時坐標位置信息出現偏差。

（2）材質的獲取。建模完成以后需要對模型進行貼圖處理，在貼圖時選擇使用現實環(huán)境的真實圖片對其進行處理。在實際施工場地拍攝照片以獲得相關資料，包括隧道內襯、隧道外圍、圍巖巖石等，以便在貼圖處理時使隧道地質環(huán)境模型更加真實。

（3）地質信息的獲取。在掌子面開挖之前由檢測公司對施工現場進行地質檢測，一般通過雷達對隧道開挖面前方地質情況進行探測，并取得一系列數據。其中包括巖石種類、斷面層和富水帶巖石層等地質情況。根據檢測得到的傳統地質素描卡，了解隧道施工場地各個施工段的地質情況，以便在模型中對不同地質情況進行區(qū)分，能夠根據實際情況對隧道圍巖模型進行劃分建立。

2 隧道地質模型構建

根據項目需求將隧道場景的制作分為隧道所在地地形制作、隧道主體制作和隧道內部制作3 個部分。隧道模型的構建需要確保隧道模型能夠良好導入Unity 3D，不影響下一步系統的建立，并在質量、內存方面完全符合VR 的使用標準。因此，在建模過程中必須注意模型坐標的設置、單位的統一，從而避免導入文件或者合并文件時模型出現各種各樣的問題。

2.1 隧道地形的制作

隧道工程大多處于山丘高嶺地區(qū)，地表情況比較復雜，數據處理較為繁瑣。其他的建模方法對于隧道地形的描繪精準度往往不夠，數字地形模型能夠針對這種情況，利用連續(xù)的空間坐標值精確描繪隧道地形情況，因此采取三角網格法進行隧道地形模型的構建。對隧道所在地地形圖做原始處理后提取出坐標信息，嚴格按照繪畫原則對等高線離散化。等高線的離散代表著隧道地形的準確度，等高線之間疏密程度的合理選擇對模型的建立有重要影響，本系統隧道地形等高線間距采用20 m，在保證精準度的情況下也做到模型精簡化，以避免出現模型內存過大導致軟件無法運行的情況。

確定等高線間距后對模型進行建立，隧道地形建模是由點到線、線到面和面到體一步一步逐步完成的過程，建模過程中還需要對等高線進行處理，需要標注每條等高線高程，確保模型的準確性。

2.2 隧道模型的構建

隧道模型在構建之前需要獲取精準的隧道工程信息，將隧道CAD 圖紙簡潔處理刪掉無關的組和備注，只留下隧道地形相關信息。主要包括隧道輪廓和主要構造物，使隧道模型更加簡潔，模型創(chuàng)建處理更加順暢。CAD圖紙導入3D Max 之后將圖紙部分做成一個組塊，整體坐標和地形坐標調節(jié)一致，CAD 圖紙在3D Max 之中不能做任何處理，需要對圖像進行凍結。然后利用線條工具對隧道地質信息進行放樣，建模時候劃分好模塊，明確每個模塊需要制造的元素。通過一系列編輯多邊形、擠壓、布置和點線面的處理即完成隧道模型的創(chuàng)建。需要注意的是在建模的時候，應對不同地質模型區(qū)域，進行上色區(qū)分，以方便貼圖處理。隧道模型創(chuàng)建過程如圖1 所示。

圖1 隧道模型創(chuàng)建過程

2.3 隧道模型的貼圖

隧道模型構建完成之后，需要根據不同位置的實際圍巖條件對模型進行貼圖，使得構建的隧道模型展示更具真實性，以便幫助用戶更加準確真實地感受不同的地質條件。本系統隧道構建場景的貼圖采用在隧道建設中收集到的真實圖片，借助Vray 插件以及利用建模軟件中的UVW 貼圖，來進行貼圖操作。圖片導入后，通過調整X、Y、Z 3 個方向的大小來調整貼圖的比例，使得隧道模型的真實性更加貼近現實。隧道模型貼圖效果如圖2所示。

圖2 隧道模型貼圖效果

3 虛擬現實技術與地質模塊的耦合

超前地質預報系統的流程如圖3 所示。

圖3 虛擬現實技術應用于隧道超前地質預報系統流程圖

隧道場景模型構建完成后，將模型輸出為FBX 格式。將建造好的三維模型導入Unity 3D 工程中，下載VRTK資源包，制作用戶界面，其中包括平面模式、全景模式、退出按鈕等。用C#語言進行模塊功能的開發(fā)，使系統各模塊功能實現。最終將其發(fā)布成.EXE 可執(zhí)行文件[9-10]。

用戶在使用該程序時，可以選用全景模式并借助外部設備HTC Vive 頭盔[11-12]來查看圍巖情況，全景模式下用戶仿佛直接置身隧道之內，通過身體實際移動及轉向可以調整觀看范圍，從而更加真實地觀測圍巖地質情況。在平面模式下可以通過旋轉鼠標來改變觀看的場景，關于地質情況的詳細信息可以用文字的方式表述，在系統創(chuàng)建操作界面時進行插入，可以通過鼠標選擇來查看地質信息的具體展示。

本系統地質信息展示功能模塊隧道地質信息展示如圖4 所示。

圖4 隧道地質信息展示

4 結束語

（1）本文開發(fā)一個隧道超前地質預報程序，將虛擬現實技術應用于隧道超前地質預報。

（2）相比于傳統的用表格來呈現觀測信息，本系統可以使用戶更加直觀地觀看隧道圍巖的地質情況，大大提升了工程的施工效率，減少了危險事故的發(fā)生。