探索虚拟现实技术与水文地质应用关系

■王健翔

（安徽省煤田地质局第一勘探队安徽淮南232001）

探索虚拟现实技术与水文地质应用关系

■王健翔

（安徽省煤田地质局第一勘探队安徽淮南232001）

随着科学的进步，技术的提高以及计算机硬件的发展，虚拟现实技术在水文地质方面的应用也必将逐步发展起来。为水文地质的发展提供了三维立体表达、科学可视化开辟了一个新的方向。

虚拟现实技术水文地质应用

1 前言

虚拟现实技术（VRT），实际上是一种可创建和体验虚拟世界的计算机系统。它是以仿真的方式给用户创造一个实时反映实体变化与相互作用的三维世界，并通过头盔显示器(HMD)数据手套等辅助传感设备，提供给用户一个观测与该虚拟世界交互的三维界面，使用户可以直接参与并探索仿真对象在所处环境中的作用与变化，它具有多媒体信息感知性、沉浸感、交互性、自主性等特点。

2 虚拟环境建模

虚拟环境建模方法分为基于图像和基于景物几何两大类。前者是以虚拟景观浏览为目的，用专用全景摄影机或者普通照相机拍摄的照片等为素材、利用图像数字化变形技术，在计算机上生成与实际视觉效果相一致的虚拟世界。该方法须采用图像透视变换、图像拼合、图像变形、图像合成与裁剪等技术，用二维图像描述三维世界。与几何模型场景的真实感图形生成算法相比，其计算量较小，也不受场景复杂度的限制，且对硬件的要求也不及几何建模那样高，还可以在微机上实现。为增加场景的真实性，矿井虚拟环境采用图像与景物几何两者相结合的虚拟环境建模方法来完成。

3 虚拟环境漫游与交互

对虚拟环境进行漫游实际上就是在场景中设置一个照相机，用户通过键盘或鼠标改变照相机的各种参数，系统绘制在当前照相机参数下所成的图像。漫游过程要用到常用的技术，如视见体裁减、可见性删除和背面多边形删除等等。虚拟通风系统实现了3种漫游方式：自动漫游，查询式漫游，交互式漫游。在漫游过程中进行的碰撞检测，其一是根据巷道的四壁对摄像机高度进行监测，避免在交互式漫游过程中发生钻入煤层的现象。其二是根据建筑物和设备的轮廓进行监测，防止“穿墙”而过的现象。

4 VRT在水文地质中的应用

随着计算机硬件的发展，虚拟现实技术在近年逐步发展起来，但在城市或小区规划中应用较多，在地质方面应用较少，主要用于矿产储量的虚拟表达和储量计算以及矿山开采方面的虚拟，在水文地质方面，目前刚刚起步，还没有成型的软件和相应研究成果。但随着科学的进步，技术的提高以及计算机硬件的发展，虚拟现实技术在水文地质方面的应用也必将逐步发展起来。虚拟现实的主要功能是其沉浸感、三维立体表现事物的各个特征以及实时地表达，即虚拟现实技术具有表现现实存在的或不存在的事物在三维空间随时间变化的功能，水文地质研究的也正是利用虚拟现实技术对不可或很难见到的事物在三维空间随时间变化的特征。虚拟现实技术在水文地质研究中主要可以完成以下方面的工作。

4.1 VRT对含水层的表达

利用虚拟现实技术的三维可视化功能可以真实地再现地下含水层和隔水层的分布、含水层的厚度、空间的变化情况。以往工作中，仅能通过剖面图展示含水层、隔水层的垂向分布特点，在平面图中通过含水层厚度等值线表现含水层的空间分布状况，总的来说不直观也不全面。在虚拟现实系统中随着资料的进一步完善，神秘的地下含水系统将真实地展现在人们的面前。

4.2 虚拟现实系统对地下水流的表达

水文地质研究中的主要部分是地下水流的运动规律，如果说含水层是水文地质研究中的一个不变的静态因素，地下水流则是一个动态的变化过程，是目前水文地质研究中最为活跃的因素。利用虚拟现实系统可以研究的不仅是含水层的展布，同时利用虚拟现实系统的实时变化功能也可以对地下水流的运动变化特征进行虚拟表达，充分展现地下水流的特点，其流向、流速和流量乃至于储存量的变化，特别是人类开采利用地下水对含水系统产生的影响，边界条件对地下水流的约束和控制作用等。通过应用过程中不断地完善地下水流的虚拟模型，不仅可以对地下水进行科学可视化的管理，而且可以设计不同的开采方案和管理模式，利用虚拟现实技术不仅可以对其进行演示和表达，还可以对其进行不断的修改、补充和完善，使之成为比较完善的管理模型。

4.3 水文地质环境问题

近些年，由于大量开采利用地下水诱发了区域地下水位持续下降、水资源枯竭、地面沉降、海水入侵、土壤沙漠化等一系列的环境地质问题，引地表水灌溉，导致地下水位上升而产生沼泽化等问题。这一系列问题的研究，由于地下水水流变化的不可见性、环境问题产生初期不可预知，形成机理无法模拟研究以及时间、场景不可再现等原因，水文地质环境问题的研究始终处于滞后的局面，也始终在环境问题严重了以后才开始进行分析研究。虚拟现实技术具有虚拟事物不同发展过程的能力，可以虚拟已经存在的事物，也可以虚拟不存在的事物，可以虚拟事物过去的存在状态，也可以虚拟其发展过程。因此通过实时的动态的虚拟，可以对事物的发展作一个不断完善的研究和展示，为由于地下水的开采而造成的环境问题的研究提供了一个很好的工作平台。

4.4 水资源规划

虚拟现实技术在最开始主要用于小区的规划方面，这种功能在目前及以后的水资源规划和水源地建立时同样为规划设计提供了一个非常好的平台。在水资源开发利用之初，利用虚拟现实技术建立水资源开发利用区的环境条件、水文地质条件等，在规划开始，将各种规划方案和由此而产生的环境变化结果虚拟出来，使水资源规划方案能够更完善，真正实现水资源的可持续利用。

5 结语

综上所述，虚拟现实技术作为一种计算机方面最新的研究成果，为研究地下水赋存条件、地下水水质变化、污染物运移机理和由地下水开发利用导致的环境地质问题等方面的研究提供了新的研究手段，为不可见的水文地质现象提供了三维立体表达、科学可视化开辟了一个新的方向。

[1]许勇顺，陈君，阮雪榆. 虚拟模具CAD/CAE/CAM系统结构框架及其环境技术 [J].上海交通大学学报，1998，32(5)：23-27.

[2]申蔚，夏立文. 虚拟现实技术 [M]. 北京：北京希望电子出版社，2002.

[3]杨宝民，朱一宁. 分布式虚拟现实技术及其应用 [M]. 北京：科学出版社，2000.

P64[文献码]B

1000-405X（2016）-6-147-1

王健翔（），毕业于河北工程大学资源勘查工程专业，现供职于安徽省煤田地质局第一勘探队。