虚拟现实技术在水文地质研究中的应用

  1 虚拟现实技术

 

  虚拟现实技术(virtual reali ty technology ,VRT)是1989 年美国VPL .Research 公司的创始人Jaron .Lanie r 创造的, 通常被译为虚拟现实。

 

  VRT 是指利用计算机生成的虚拟环境逼真地模拟人在自然环境中的视觉、听觉、运动等行为的人机界面的技术。其基本特征分为3 个方面:一是沉浸(投入, immersio n), 即借助于头盔、数据手套等硬件设备, 让参与者有身临其境的感觉;二是交互(interact ion), 通过使用虚拟交互接口设备实现人类自然技能对虚拟环境对象的交互考察与操作;三是构想(imagination), 强调三维图形的立体显示。

 

  虚拟现实系统的发展依据虚拟环境的发展可分为两个基本方向, 一是基于虚拟现实技术的发展, 二是基于因特网和万维网的三维图形环境的发展。如果从参与者的投入感划分, 则基于虚拟现实技术的发展可称为投入型虚拟环境和非投入型虚拟环境。

 

  投入型虚拟环境是参与者作为虚拟三维世界的一部分, 人沉浸在虚拟世界里, 探索行走, 与虚拟物体交互, 具有如同现实物质世界一样或相似的感觉,参与者一般要带上立体显示头盔、数据手套、数据衣等。投入型虚拟环境也可分为完全投入型虚拟环境和半投入式的虚拟环境。完全投入型虚拟环境, 是参与者要带上头盔, 人完全与现实物质世界相隔离,当参与者移动头部或转动头部方向时, 三维景象都要被立即更新。

 

  半投入式的虚拟环境, 有大屏幕投影的方式和虚拟工作台式工作方式(vir tual w ork bench)。三维图形景象投影在单个屏幕或者桌面上, 参与者也同样带上立体眼镜观察, 但三维立体图形景象不随参与者头部的活动而快速更新。

 

  非投入型虚拟环境, 也可称为分布式非投入型

 

  虚拟环境, 是指基于因特网和万维网的计算机软硬件环境, 也可利用单机操作。该环境具有三维图形空间, 参与者可以从世界各地上网连接到该三维空间, 并以化身(ava tar)表示各自在该共享环境中的身份, 并进行相互交流。参与者不必戴上头盔、立体眼镜、数据手套就可参与。

 

  VRT 自20 世纪90 年代开始发展以来, 目前主要是利用其三维立体图形功能和与现实无限贴近的特点, 直接以计算机中的虚拟现实结果来代替现实和科研中难以实现的复杂结果, 或利用计算机虚拟不同的现实条件, 达到多种条件下的不同结果。目前虚拟现实技术主要应用于军事、远程高等教育、电子仪器检测、模具的制作、新产品开发等方面。

 

  2 VRT 的优点及应用条件

 

  2 .1 优点

 

  (1)实时表达功能, 可以虚拟不同时间、不同条件的环境变化, 可以反映事物随着时间的变化过程。

 

  (2)三维立体表达功能, 虚拟技术可以使其所表达的内容从不同的角度展示和进行研究。

 

  (3)可以反映研究物体的全貌和细微处的差别。

 

  (4)不仅能够细致地表达已经存在的事物, 而且能够虚拟现实世界不存在, 但有可能发生的事情和事物的发展变化。

 

  (5)建立一个虚拟现实系统, 相当于建立一个虚拟现实实验室, 不仅可以虚拟事物的发生发展过程,还可以根据不同的条件, 虚拟出不同的结果。

 

  (6)虚拟现实技术为微观世界、危险环境、不易重复的条件及医学教学等方面的研究提供一个新的研究方法和新的研究方向。

 

  2 .2 应用条件

 

  VRT 具有较强的使事物三维可视化的功能, 但是以海量数据作为支持条件。基础资料是虚拟现实的保证, 资料越多、越丰富, 那么虚拟的结果就越贴近现实。

 

  3 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。

 

  3 .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。

 

  3 .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。

 

  3 .3 地下水水质的虚拟表现

 

  水质天然状态的变化目前, 由于多方面因素的影响, 地下水水质的变化较大。通过对地下水水质在天然状态下逐渐变化过程的虚拟, 可以确定对地下水水质影响最大的因素, 从而更深刻地理解水质变化的机理, 为控制水质的恶化, 使之向良性循环转化提供依据。

 

  地下水水质虚拟实验室目前, 由于地表水体污染等多种因素的作用, 地下水水质遭受到前所未有的污染, 展示地下水中有关离子的运移、变化规律、变化趋势等是对地下水水质进行研究的关键。

 

  以往在地下水水质方面, 主要是通过野外试验和模拟实验对水质的运移机理进行研究, 因此试验在水质运移研究中占有极其重要的地位。但是实验室的模拟实验不能够完全真实地再现野外的某些因素的影响, 野外试验受费用、场地等条件的限制, 这些因素抑制了地下水水质运移机理、污染物弥散等方面的研究。目前利用虚拟现实技术, 只要有足够的、充分的资料, 就可以真实地表现地下水流和含水层的特征, 以及地下水流中溶质的运移规律和发展趋势,这为地下水水质管理开辟了新的途径和思路。

 

  3 .4 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。

 

  地下水降落漏斗发展规律的虚拟表达随着社会经济的发展, 人类对水资源的需求与日俱增, 作为水资源重要组成部分的地下水, 开采量也越来越大。

 

  大量地开采地下水, 导致地下水位持续下降, 形成了大范围的地下水位降落漏斗。随着开采量的不断增加, 地下水降落漏斗的分布范围和深度也在许多地区不断加大, 因此产生的环境问题也越来越多, 后果也越来越严重。对地下水位降落漏斗的控制是目前水文地质工作中极为重要的一部分。利用虚拟现实技术的三维立体表达功能和实时动态显示功能, 可以通过建立地下水开采量与地下水降落漏斗的关系, 真实地实时表现随着地下水开采量的增加、地下水补给量的获得和地下水降落漏斗的扩展状况和扩展形态, 为水资源的管理和持续利用提供三维的、实时的与实际相符的依据。

 

  地面沉降的实时监测表达地面沉降是大量开发利用地下水而导致的最为严重的环境地质问题之一。到目前为止对于地面沉降的机理研究仍然是一个比较前沿的课题。但地面沉降的研究受环境条件的限制太多, 不能够对其形成条件进行现场的模拟和试验, 使地面沉降仅限于理论上的研究和计算,而虚拟现实技术则可以利用计算机的虚拟现实世界, 真实地再现地面沉降的历史现象, 为地面沉降研究提供一个较好的工作平台。可以利用前些年的地面沉降观测资料建立一个地面沉降的虚拟实验室,通过研究地面沉降的主要影响因素, 追溯地面沉降以前及地面逐渐沉降的过程和环境, 在计算机中不断改变条件, 完善、完成虚拟地面沉降模型的建设。

 

  在建立地面沉降虚拟实验室以后, 对不同条件下, 地面沉降可能的发生、发展过程进行进一步的研究和预测, 真实地实时地表现地面沉降的发展变化过程,对于地面沉降的决策有着不可估量的作用, 保证合理地利用资源, 同时最大可能地避免由此而产生的环境地质问题。因此, 虚拟现实技术对于地面沉降的机理研究方面有着极为广阔的前景。

 

  土壤沙漠化由于地下水开采, 导致水位下降,使土壤中的含水量减少, 干土层加厚, 土壤沙化。由地下水开采或降水量减少造成的土壤沙化问题和地下水位下降有着极为密切的关系, 通过对地下水位变化的虚拟和土壤层含水量的表达, 可以动态地表现地下水位的下降、降落漏斗的扩展与土壤沙化的进程, 虚拟研究地下水水位下降与土壤沙化的相互关系和机理, 对地下水可持续开发利用和相对减少和减轻可能产生的环境问题有着极为重要的意义。

 

  土壤盐渍化由于气候条件和地质、水文地质环境的变化会导致土壤盐渍化的产生或加重。产生土壤盐渍化的主要原因是由于气候干旱导致潜水大量蒸发, 水中的盐分浓缩, 矿化度增大, 使盐分在土壤中积存形成土壤盐渍化。利用虚拟现实技术, 建立地区的蒸发量与土壤水分的关系, 根据气候条件和地下水位、地下水水质演变过程进行虚拟, 可以不断跟踪和不断预测区域土壤盐渍化的发展过程。为环境的监测和改善管理提供重要的依据。

 

  土壤沼泽化土壤沼泽化产生的主要原因是地下水位较高, 或由于引地表水灌溉, 导致地下水位抬升, 又因为排水不畅, 使土壤中含水量接近饱和。土壤沼泽化有天然因素和人为因素两种情况。人为的后天因素则是对天然环境的一种破坏, 主要是在水利工程规划的初期, 对环境条件和水文地质因素的了解程度或重视程度不够, 或在设计中没有考虑而造成的。利用虚拟现实技术在规划设计之初, 建立地区的虚拟现实模型, 虚拟出水利工程上马以后各种环境条件变化及对周围环境的影响, 则可以把不利因素消灭于萌芽之中。

 

  海水入侵的表达靠近海边的地区, 由于地下水的开发利用, 使陆地淡水压力减小, 海边的地下咸水则不断地向陆地含水层中入侵。利用虚拟现实技术可真实地再现由于地下水开采量增大, 淡水压力不断减小, 海水不断入侵的过程。

 

  3 .5 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。

 

  4 虚拟现实模型的研究步骤

 

  建立虚拟现实数据库根据虚拟的要求、实际数据特点建立数据库。虚拟现实技术以海量数据为基础, 数据量决定虚拟成果的精度, 主要资料为与水文地质条件有关的气象、水文、地质资料和水文地质资料。但是, 建立数据库的同时也要考虑进行数据处理的计算机硬件的水平。

 

  建立三维地质模型建立数据库以后, 首先考虑建立静态的三维地质结构模型, 任何水文地质问题都与地质条件有着极为密切的关系, 所以地质模型是水文地质模型的基础。

 

  建立地下水水流模型在地质模型的基础上,建立地下水流模型, 地下水流模型应是经过调参和验证的模型, 表现的是地下水流在空间上随时间的变化过程。

 

  建立专业模型根据所要虚拟的内容和所要解决的实际问题, 建立专业模型。专业模型是为表达某一项特殊的目的而建立的, 如要表达地面沉降, 则需要建立地面沉降模型, 如需要表达海水入侵, 则需要建立和海水入侵有关的地下水流与水质模型, 如果需要模拟地下水水质的变化则需要建立地下水水质运移模型等。

 

  实时预测模型虚拟现实技术区别于其他的计算机表达形式的一方面是其沉浸感, 另一方面是其实时的功能。利用其实时表现功能, 将所建立的模型实时运转起来, 可以对其所研究的水文地质内容进行实时预测、分析和表达。实时预测是虚拟现实技术区别于其他三维立体表达的一个重要方面。

 

  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。