基于虛擬現實技術的流域大壩典型邊坡時空數據可視化模型研究

沈定斌，孫川良，馮 俊，張榮鑫

(1.國電大渡河流域水電開發有限公司，四川 成都 610016；2.廣州亮風臺信息科技有限公司，廣東 廣州 510653)

0 引 言

虛擬現實技術研究最早可追溯到20世紀60年代，當時有人認為人類可以將顯示屏作為一扇窗戶，通過顯示屏觀察計算機中存在的虛擬世界，其難點在于如何確保顯示屏中圖像的真實感，而且圖像中物體的行為也同樣要具有較強的真實感[1-2]。直到上世紀末，美國科學家才正式提出虛擬現實技術。隨后隨著計算機技術的迅速崛起，虛擬現實技術在世界范圍中得到發展[3]。虛擬現實技術實際上是在計算機仿真技術、圖像學、多媒體技術上發展起來的，應用于醫學、軍事、航天事業中。但實際上，虛擬現實技術還沒有一個準確的定義，通常情況下，可將其定義為建立和體驗虛擬世界的計算機系統。虛擬現實技術通過計算機構建虛擬環境，利用聽覺、視覺、觸覺等感官對用戶發生作用，使用戶產生身臨其境的現實交互感覺[4- 6]。可視化技術主要用于文本信息高效組織，通過抽取轉換信息對象，再實行高度抽象整合，使用動畫、圖形或圖像的方式對信息對象特征實行表達，降低信息瀏覽的盲目性，節省操作時間[7]。

我國領土幅員遼闊，江河湖海密布，眾多河流湖泊都在高山峽谷中穿行，水利水電工程以及流域大壩建造環境越來越復雜，邊坡高度也越來越大。為提升邊坡的穩定性，諸多研究者對此進行了研究，有學者設計了一種針對走滑斷層區域公路邊坡的北斗監測方法，該方法使用北斗自動檢測技術，通過遙感實現邊坡情況的監測，但該系統受自然因素影響較大，導致監測結果的穩定性不佳[8]；還有學者提出一種露天礦高陡邊坡物聯網監測方法，通過構建多層多代理分布的系統拓撲模型對邊坡進行監測，但該方法的結構過于復雜，存在響應時間方面的缺陷[9]。除此之外，地質問題需要從空間和時間2個維度映射數據信息，以提升監測結果的全面性，但以上方法僅從1個維度反映信息構成，難以對地質問題進行全面表現，不能滿足高度發展的信息速度需求，起到提供全面監測信息的作用。

為解決以上問題，從時間、空間雙重維度對流域大壩典型邊坡進行監測，本文利用虛擬現實技術，設計一種流域大壩典型邊坡時空數據可視化模型，以期為提高流域大壩邊坡檢測效率以及提升流域大壩邊坡穩定性提供一定幫助。

1 流域大壩典型邊坡時空數據可視化模型構建

本文采用虛擬現實技術對流域大壩典型邊坡實行建模，建模完成后，構建三維時空數據模型，從時空角度出發，實現流域大壩典型邊坡精確時空虛擬現實可視化。

1.1 三維時空模型構建

首先采用時空數據模型對時間、空間相關數據進行描述[10]，依據時空數據虛擬現實可視化需求構建三維時空模型。模型結構見圖1。

三維時空模型可將河流、邊坡、地形等地理信息在某時間下的狀態定義成模型中的最小單元對象，并與表示UserID關聯的數個時間狀態對象共同構成一個時空過程。各個狀態對象均能表示此時空過程在某個時刻或時間段的形態，每個ID是各狀態對象的位移標識[11]。各狀態對象都包含時間和空間信息，在本文構建的模型中，空間信息是流域大壩典型邊坡模型，時間信息是記錄狀態持續時間的起始。本文設計的三維時空模型將狀態對象的有效持續時間設定為“出現時間”至“消失時間”這一時間段。該時間段是由當前狀態時刻記錄被下一狀態時刻記錄減去而獲得的。

為實現時空數據的可視化，需要對時空過程的時間差值進行模擬，依據前一個狀態變化到后一個狀態的時間長短，采用“開始”至“完成”的時間段表示“出現”和“消失”2個時間外延變化過程所花費的時間。為盡量貼合實際記錄狀態出現和消失的過程，添加2個模擬時間段，以解決可視化中出現的“突變”和“跳躍”現象。

為實現時空篩選，在可視化渲染管線內遍歷檢查全部場景的節點包圍體，檢查包圍體空間范圍是否存在于視口中。經空間篩選，在渲染列表中添加需繪制的實體，在時間維采用空間篩選的思路，檢查場景內全部節點的持續時間，分析當前視口時間是否在持續時段中，并經時間篩選得出需繪制的實體，實現靈活切換不同的時間數據。

經時空篩選，提升時空數據動態可視化效果，隨著變換時間切換時空數據，最終效果類似幻燈片播放的動態可視化。由于一旦出現時間跳躍會導致可視化失真，時空切換不平滑[12]，為解決這一問題，本文采用時間差值作為時空過程模擬方法，計算前一時間和后一時間之間的時間間隔，以時間為基礎的線性差值公式為

(1)

式中，A(t)為任意變量或函數在t時刻下的值；Tb與Te分別表示前一時間和后一時間。采用時空模型模擬的出現過程與消失過程，模擬出鄰近時空數據變化過程，實現數據平滑過渡，從而模擬時空切換過程[13]。

1.2 流域大壩典型邊坡時空可視化模型構建

采用虛擬現實技術構建流域大壩典型邊坡可視化模型，以展現邊坡實體幾何結構和拓撲關系。邊坡工程時空數據的表達方式是構建邊坡虛擬現實可視化模型的基礎[14]。流域大壩邊坡多維巖石結構一般包含地上、地下、地質三方面的結構，較為復雜，建模所需信息量較大，對可視化要求也較高。為解決這些問題，本文采用常見的虛擬現實技術結合裁剪NURBS(非均勻有理B樣條)曲面與B-Rep(邊界表示法)構建邊坡虛擬現實可視化模型，邊坡三維模型邊界曲線和NURBS曲面裁剪采用NURBS結構，裁剪NURBS曲面空間拓撲關系采用B-Rep實體數據實現。

1.2.1 裁剪NURBS結構

(2)

任意拓撲結構的復雜自由曲面難以采用常規的塊狀NURBS全面表示，曲面參數空間定義曲線裁剪NURBS曲面得到裁剪NURBS曲面[15]。符合以下約定才能實現裁剪NURBS曲面：①曲面環內部出現保留是因為面向逆時針循環裁剪曲線環，如果順時針循環裁剪NURBS曲面則得到曲線環外部保留。②復合裁剪曲線環可以出現在同1個裁剪曲面中，前提是最外邊界的曲線環始終保持面向逆時針。③參數空間正視圖方向由v軸定義，u是曲線環的面向。流域大壩典型邊坡時空數據可視化過程中的大多數地質模型都可以通過裁剪NURBS曲面實現模型結構界面進行表達。

1.2.2 B-Rep半邊結構

為減少流域大壩典型邊坡時空數據運算花費時間，本文采用B-Rep(翼邊數據結構邊界表示法)描述1條邊和對應的4條鄰邊、2個頂點以及2個鄰面拓撲關系之間的數據結構。采用翼邊結構確定當前邊所處的面和環存在一定困難，所以需要采用改進的翼邊結構，將1條邊分成2條半邊，2條半邊各自屬于各自相鄰的邊環，構成1個整體的半邊結構。Loop、Face、Half Edge、Solid以及Vertex等5個層次組成半邊結構的實體模型數據，方便查詢組成元素的相關信息，保證不修改實體數據結構，實現實體局部操作。拓撲結構相同的物體可采用統一數據結構描述形狀和尺寸，同時附加其他非幾何信息在數據結構中，從而實現功能擴展與信息融合。另外，B-Rep結構可采用邊界面定義實體來實現描述幾何對象。在B-Rep結構中，邊界可以是任何1個自由曲面、邊。因此，在對流域大壩典型邊坡實行三維建模時，需要通過裁剪NURBS曲面構成地質、地形和地理，采用B-Rep簡化邊坡局部區域。采用歐拉函數對較復雜的邊坡工程進行洞室、地質和地面等對象實體的構建，從而完成相關數據的可視化展現。至此，完成流域大壩典型邊坡時空數據可視化模型的構建。

2 試驗驗證

為驗證本文構建模型的效果，以三峽大壩作為研究對象，將該大壩邊坡數據輸入模型中，以實現時空數據的可視化。三峽大壩全長約3 335 m，壩頂高程185 m，于2018年發電量突破1 000億kW·h，創單座電站年發電量新的世界紀錄，是目前世界上最大的水力發電工程，供電范圍多達10個省。雖然大壩建成后造成部分魚類生存環境的改變，但對區域發展仍具有十分重要的意義。本文選取該項目2018年1月～12月4個季度的水量變化情況，根據本文構建的基于虛擬現實技術的流域大壩典型邊坡時空數據可視化模型，得到流域大壩典型邊坡時空數據可視化效果圖。圖2是利用本文模型做出的大壩邊坡范圍中整體環境隨著時空變化出現的場景變化。

在系統中隨著切換時間范圍，第1、4季度為旱季，降水較少，下游進入枯水季節，研究區域大壩開閘泄洪，水位下降；第3、4季度研究區域進入蓄水期，水位上升。隨著時間與空間的切換，本文模型始終能準確呈現出準確的可視化效果，而且模擬的圖像并未失真，頁面之間平滑切換，具有良好的虛擬現實效果和可視化效果，既能直接監測時空變換后，流域邊坡的防御能力以及邊坡防護范圍中水位的變化情況，也能幫助相關部門實現流域邊坡的可視化監測。

由于本文模型采用裁剪NURBS結構和B-Rep半邊結構，因此可以實現邊坡的剖切可視化效果，可以通過已有邊坡數據生成邊坡斷面地質條件的可視化效果圖，有助于監測邊坡地質變化情況和邊坡物理量變化規律，分析當地地質特性，防止大壩邊坡出現地質問題，杜絕安全隱患的出現。圖3為不同測量高度邊坡剖面的可視化效果。從圖3可以看出，本文模型可獲得視覺效果良好的流域大壩典型邊坡剖面可視化圖像，為邊坡安全監測工程提供可視化顯示效果，作為地質報告的可靠依據。

在可視化過程中，數據傳輸速度需要達到60 b/s 才能保證可視化效果圖構建效率。為對比模型性能，同時將走滑斷層區域公路邊坡的北斗監測方法(對比方法1)和露天礦高陡邊坡物聯網監測方法(對比方法2)應用于研究區域的邊坡監測分析中，本文系統與對比系統的數據傳輸速率對比見表1。從表1可以看出，對比方法1僅有2次測試數據傳輸速率達到60 b/s，該方法在使用時卡頓比較嚴重；而對比方法2共有6次試驗結果達到60 b/s以上，說明在運行時出現差錯的情況較少，能實現基本使用的需求；本文方法的數據傳輸速率都達到60 b/s以上，隨著試驗次數的增加，數據傳輸速率達到80 b/s以上，能在更短的時間內完成邊坡時空數據的可視化展現，說明本文方法具有較好的使用體驗。

表1 數據傳輸速率對比 b/s

本文方法主要是結合虛擬現實技術實現流域邊坡各項數據的可視化，邊坡相關信息都集中在數據處理環節中，使可視化效果圖加載呈現承受較大的壓力，對不同數據量可視化效果圖加載呈現所耗費的時間進行分析，結果見表2。

表2 效果圖加載呈現耗費時間 s

從表2可以看出，隨著數據量的增加，效果圖加載呈現耗費時間也不斷增加，2種對比方法隨著數據個數的增加，加載耗費時間升高較大，當數據個數達到6 000個時，對比方法1需要耗費9.05 s才能加載出可視化效果圖，而本文方法效果圖加載呈現耗費時間保持在4 s以下，能夠提供良好的用戶體驗。

3 結 語

為實現對流域大壩典型邊坡的有效監控，本文構建了三維時空模型和邊坡虛擬現實模型，采用裁剪NURBS曲面構建邊坡三維虛擬現實模型，利用半邊B-Rep組織裁剪NURBS曲面的空間拓撲關系，從而實現流域大壩典型邊坡時空數據的可視化。同時，本文系統還能通過調節選取時間段切換整個邊坡的虛擬現實可視化效果，不僅能展現出整體邊坡的情況，還能展示邊坡內部的巖土結構，為實現流域大壩典型邊坡的有效監控提供幫助。