虛擬現實(shí)技術(shù)在水文地質(zhì)研究中的應用

  1 虛擬現實(shí)技術(shù)

 

  虛擬現實(shí)技術(shù)(virtual reali ty technology ,VRT)是1989 年美國VPL .Research 公司的創(chuàng )始人Jaron .Lanie r 創(chuàng )造的, 通常被譯為虛擬現實(shí)。

 

  VRT 是指利用計算機生成的虛擬環(huán)境逼真地模擬人在自然環(huán)境中的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、運動(dòng)等行為的人機界面的技術(shù)。其基本特征分為3 個(gè)方面:一是沉浸(投入, immersio n), 即借助于頭盔、數據手套等硬件設備, 讓參與者有身臨其境的感覺(jué);二是交互(interact ion), 通過(guò)使用虛擬交互接口設備實(shí)現人類(lèi)自然技能對虛擬環(huán)境對象的交互考察與操作;三是構想(imagination), 強調三維圖形的立體顯示。

 

  虛擬現實(shí)系統的發(fā)展依據虛擬環(huán)境的發(fā)展可分為兩個(gè)基本方向, 一是基于虛擬現實(shí)技術(shù)的發(fā)展, 二是基于因特網(wǎng)和萬(wàn)維網(wǎng)的三維圖形環(huán)境的發(fā)展。如果從參與者的投入感劃分, 則基于虛擬現實(shí)技術(shù)的發(fā)展可稱(chēng)為投入型虛擬環(huán)境和非投入型虛擬環(huán)境。

 

  投入型虛擬環(huán)境是參與者作為虛擬三維世界的一部分, 人沉浸在虛擬世界里, 探索行走, 與虛擬物體交互, 具有如同現實(shí)物質(zhì)世界一樣或相似的感覺(jué),參與者一般要帶上立體顯示頭盔、數據手套、數據衣等。投入型虛擬環(huán)境也可分為完全投入型虛擬環(huán)境和半投入式的虛擬環(huán)境。完全投入型虛擬環(huán)境, 是參與者要帶上頭盔, 人完全與現實(shí)物質(zhì)世界相隔離,當參與者移動(dòng)頭部或轉動(dòng)頭部方向時(shí), 三維景象都要被立即更新。

 

  半投入式的虛擬環(huán)境, 有大屏幕投影的方式和虛擬工作臺式工作方式(vir tual w ork bench)。三維圖形景象投影在單個(gè)屏幕或者桌面上, 參與者也同樣帶上立體眼鏡觀(guān)察, 但三維立體圖形景象不隨參與者頭部的活動(dòng)而快速更新。

 

  非投入型虛擬環(huán)境, 也可稱(chēng)為分布式非投入型

 

  虛擬環(huán)境, 是指基于因特網(wǎng)和萬(wàn)維網(wǎng)的計算機軟硬件環(huán)境, 也可利用單機操作。該環(huán)境具有三維圖形空間, 參與者可以從世界各地上網(wǎng)連接到該三維空間, 并以化身(ava tar)表示各自在該共享環(huán)境中的身份, 并進(jìn)行相互交流。參與者不必戴上頭盔、立體眼鏡、數據手套就可參與。

 

  VRT 自20 世紀90 年代開(kāi)始發(fā)展以來(lái), 目前主要是利用其三維立體圖形功能和與現實(shí)無(wú)限貼近的特點(diǎn), 直接以計算機中的虛擬現實(shí)結果來(lái)代替現實(shí)和科研中難以實(shí)現的復雜結果, 或利用計算機虛擬不同的現實(shí)條件, 達到多種條件下的不同結果。目前虛擬現實(shí)技術(shù)主要應用于軍事、遠程高等教育、電子儀器檢測、模具的制作、新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)等方面。

 

  2 VRT 的優(yōu)點(diǎn)及應用條件

 

  2 .1 優(yōu)點(diǎn)

 

  (1)實(shí)時(shí)表達功能, 可以虛擬不同時(shí)間、不同條件的環(huán)境變化, 可以反映事物隨著(zhù)時(shí)間的變化過(guò)程。

 

  (2)三維立體表達功能, 虛擬技術(shù)可以使其所表達的內容從不同的角度展示和進(jìn)行研究。

 

  (3)可以反映研究物體的全貌和細微處的差別。

 

  (4)不僅能夠細致地表達已經(jīng)存在的事物, 而且能夠虛擬現實(shí)世界不存在, 但有可能發(fā)生的事情和事物的發(fā)展變化。

 

  (5)建立一個(gè)虛擬現實(shí)系統, 相當于建立一個(gè)虛擬現實(shí)實(shí)驗室, 不僅可以虛擬事物的發(fā)生發(fā)展過(guò)程,還可以根據不同的條件, 虛擬出不同的結果。

 

  (6)虛擬現實(shí)技術(shù)為微觀(guān)世界、危險環(huán)境、不易重復的條件及醫學(xué)教學(xué)等方面的研究提供一個(gè)新的研究方法和新的研究方向。

 

  2 .2 應用條件

 

  VRT 具有較強的使事物三維可視化的功能, 但是以海量數據作為支持條件?；A資料是虛擬現實(shí)的保證, 資料越多、越豐富, 那么虛擬的結果就越貼近現實(shí)。

 

  3 VRT 在水文地質(zhì)中的應用

 

  隨著(zhù)計算機硬件的發(fā)展, 虛擬現實(shí)技術(shù)在近年逐步發(fā)展起來(lái), 但在城市或小區規劃中應用較多, 在地質(zhì)方面應用較少, 主要用于礦產(chǎn)儲量的虛擬表達和儲量計算以及礦山開(kāi)采方面的虛擬, 在水文地質(zhì)方面, 目前剛剛起步, 還沒(méi)有成型的軟件和相應研究成果。但隨著(zhù)科學(xué)的進(jìn)步, 技術(shù)的提高以及計算機硬件的發(fā)展, 虛擬現實(shí)技術(shù)在水文地質(zhì)方面的應用也必將逐步發(fā)展起來(lái)。

 

  虛擬現實(shí)的主要功能是其沉浸感、三維立體表現事物的各個(gè)特征以及實(shí)時(shí)地表達, 即虛擬現實(shí)技術(shù)具有表現現實(shí)存在的或不存在的事物在三維空間隨時(shí)間變化的功能, 水文地質(zhì)研究的也正是利用虛擬現實(shí)技術(shù)對不可或很難見(jiàn)到的事物在三維空間隨時(shí)間變化的特征。虛擬現實(shí)技術(shù)在水文地質(zhì)研究中主要可以完成以下方面的工作。

 

  3 .1 VRT 對含水層的表達

 

  利用虛擬現實(shí)技術(shù)的三維可視化功能可以真實(shí)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(guò)剖面圖展示含水層、隔水層的垂向分布特點(diǎn), 在平面圖中通過(guò)含水層厚度等值線(xiàn)表現含水層的空間分布狀況, 總的來(lái)說(shuō)不直觀(guān)也不全面。在虛擬現實(shí)系統中隨著(zhù)資料的進(jìn)一步完善, 神秘的地下含水系統將真實(shí)地展現在人們的面前。

 

  3 .2 虛擬現實(shí)系統對地下水流的表達

 

  水文地質(zhì)研究中的主要部分是地下水流的運動(dòng)規律, 如果說(shuō)含水層是水文地質(zhì)研究中的一個(gè)不變的靜態(tài)因素, 地下水流則是一個(gè)動(dòng)態(tài)的變化過(guò)程, 是目前水文地質(zhì)研究中最為活躍的因素。

 

  利用虛擬現實(shí)系統可以研究的不僅是含水層的展布, 同時(shí)利用虛擬現實(shí)系統的實(shí)時(shí)變化功能也可以對地下水流的運動(dòng)變化特征進(jìn)行虛擬表達, 充分展現地下水流的特點(diǎn), 其流向、流速和流量乃至于儲存量的變化, 特別是人類(lèi)開(kāi)采利用地下水對含水系統產(chǎn)生的影響, 邊界條件對地下水流的約束和控制作用等。通過(guò)應用過(guò)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(jìn)行科學(xué)可視化的管理,而且可以設計不同的開(kāi)采方案和管理模式, 利用虛擬現實(shí)技術(shù)不僅可以對其進(jìn)行演示和表達, 還可以對其進(jìn)行不斷的修改、補充和完善, 使之成為比較完善的管理模型。

 

  3 .3 地下水水質(zhì)的虛擬表現

 

  水質(zhì)天然狀態(tài)的變化目前, 由于多方面因素的影響, 地下水水質(zhì)的變化較大。通過(guò)對地下水水質(zhì)在天然狀態(tài)下逐漸變化過(guò)程的虛擬, 可以確定對地下水水質(zhì)影響最大的因素, 從而更深刻地理解水質(zhì)變化的機理, 為控制水質(zhì)的惡化, 使之向良性循環(huán)轉化提供依據。

 

  地下水水質(zhì)虛擬實(shí)驗室目前, 由于地表水體污染等多種因素的作用, 地下水水質(zhì)遭受到前所未有的污染, 展示地下水中有關(guān)離子的運移、變化規律、變化趨勢等是對地下水水質(zhì)進(jìn)行研究的關(guān)鍵。

 

  以往在地下水水質(zhì)方面, 主要是通過(guò)野外試驗和模擬實(shí)驗對水質(zhì)的運移機理進(jìn)行研究, 因此試驗在水質(zhì)運移研究中占有極其重要的地位。但是實(shí)驗室的模擬實(shí)驗不能夠完全真實(shí)地再現野外的某些因素的影響, 野外試驗受費用、場(chǎng)地等條件的限制, 這些因素抑制了地下水水質(zhì)運移機理、污染物彌散等方面的研究。目前利用虛擬現實(shí)技術(shù), 只要有足夠的、充分的資料, 就可以真實(shí)地表現地下水流和含水層的特征, 以及地下水流中溶質(zhì)的運移規律和發(fā)展趨勢,這為地下水水質(zhì)管理開(kāi)辟了新的途徑和思路。

 

  3 .4 水文地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題

 

  近些年, 由于大量開(kāi)采利用地下水誘發(fā)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(huán)境地質(zhì)問(wèn)題, 引地表水灌溉, 導致地下水位上升而產(chǎn)生沼澤化等問(wèn)題。這一系列問(wèn)題的研究, 由于地下水水流變化的不可見(jiàn)性、環(huán)境問(wèn)題產(chǎn)生初期不可預知, 形成機理無(wú)法模擬研究以及時(shí)間、場(chǎng)景不可再現等原因, 水文地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題的研究始終處于滯后的局面, 也始終在環(huán)境問(wèn)題嚴重了以后才開(kāi)始進(jìn)行分析研究。虛擬現實(shí)技術(shù)具有虛擬事物不同發(fā)展過(guò)程的能力, 可以虛擬已經(jīng)存在的事物, 也可以虛擬不存在的事物, 可以虛擬事物過(guò)去的存在狀態(tài), 也可以虛擬其發(fā)展過(guò)程。因此通過(guò)實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)的虛擬, 可以對事物的發(fā)展作一個(gè)不斷完善的研究和展示, 為由于地下水的開(kāi)采而造成的環(huán)境問(wèn)題的研究提供了一個(gè)很好的工作平臺。

 

  地下水降落漏斗發(fā)展規律的虛擬表達隨著(zhù)社會(huì )經(jīng)濟的發(fā)展, 人類(lèi)對水資源的需求與日俱增, 作為水資源重要組成部分的地下水, 開(kāi)采量也越來(lái)越大。

 

  大量地開(kāi)采地下水, 導致地下水位持續下降, 形成了大范圍的地下水位降落漏斗。隨著(zhù)開(kāi)采量的不斷增加, 地下水降落漏斗的分布范圍和深度也在許多地區不斷加大, 因此產(chǎn)生的環(huán)境問(wèn)題也越來(lái)越多, 后果也越來(lái)越嚴重。對地下水位降落漏斗的控制是目前水文地質(zhì)工作中極為重要的一部分。利用虛擬現實(shí)技術(shù)的三維立體表達功能和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示功能, 可以通過(guò)建立地下水開(kāi)采量與地下水降落漏斗的關(guān)系, 真實(shí)地實(shí)時(shí)表現隨著(zhù)地下水開(kāi)采量的增加、地下水補給量的獲得和地下水降落漏斗的擴展狀況和擴展形態(tài), 為水資源的管理和持續利用提供三維的、實(shí)時(shí)的與實(shí)際相符的依據。

 

  地面沉降的實(shí)時(shí)監測表達地面沉降是大量開(kāi)發(fā)利用地下水而導致的最為嚴重的環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題之一。到目前為止對于地面沉降的機理研究仍然是一個(gè)比較前沿的課題。但地面沉降的研究受環(huán)境條件的限制太多, 不能夠對其形成條件進(jìn)行現場(chǎng)的模擬和試驗, 使地面沉降僅限于理論上的研究和計算,而虛擬現實(shí)技術(shù)則可以利用計算機的虛擬現實(shí)世界, 真實(shí)地再現地面沉降的歷史現象, 為地面沉降研究提供一個(gè)較好的工作平臺?？梢岳们靶┠甑牡孛娉两涤^(guān)測資料建立一個(gè)地面沉降的虛擬實(shí)驗室,通過(guò)研究地面沉降的主要影響因素, 追溯地面沉降以前及地面逐漸沉降的過(guò)程和環(huán)境, 在計算機中不斷改變條件, 完善、完成虛擬地面沉降模型的建設。

 

  在建立地面沉降虛擬實(shí)驗室以后, 對不同條件下, 地面沉降可能的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程進(jìn)行進(jìn)一步的研究和預測, 真實(shí)地實(shí)時(shí)地表現地面沉降的發(fā)展變化過(guò)程,對于地面沉降的決策有著(zhù)不可估量的作用, 保證合理地利用資源, 同時(shí)最大可能地避免由此而產(chǎn)生的環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題。因此, 虛擬現實(shí)技術(shù)對于地面沉降的機理研究方面有著(zhù)極為廣闊的前景。

 

  土壤沙漠化由于地下水開(kāi)采, 導致水位下降,使土壤中的含水量減少, 干土層加厚, 土壤沙化。由地下水開(kāi)采或降水量減少造成的土壤沙化問(wèn)題和地下水位下降有著(zhù)極為密切的關(guān)系, 通過(guò)對地下水位變化的虛擬和土壤層含水量的表達, 可以動(dòng)態(tài)地表現地下水位的下降、降落漏斗的擴展與土壤沙化的進(jìn)程, 虛擬研究地下水水位下降與土壤沙化的相互關(guān)系和機理, 對地下水可持續開(kāi)發(fā)利用和相對減少和減輕可能產(chǎn)生的環(huán)境問(wèn)題有著(zhù)極為重要的意義。

 

  土壤鹽漬化由于氣候條件和地質(zhì)、水文地質(zhì)環(huán)境的變化會(huì )導致土壤鹽漬化的產(chǎn)生或加重。產(chǎn)生土壤鹽漬化的主要原因是由于氣候干旱導致潛水大量蒸發(fā), 水中的鹽分濃縮, 礦化度增大, 使鹽分在土壤中積存形成土壤鹽漬化。利用虛擬現實(shí)技術(shù), 建立地區的蒸發(fā)量與土壤水分的關(guān)系, 根據氣候條件和地下水位、地下水水質(zhì)演變過(guò)程進(jìn)行虛擬, 可以不斷跟蹤和不斷預測區域土壤鹽漬化的發(fā)展過(guò)程。為環(huán)境的監測和改善管理提供重要的依據。

 

  土壤沼澤化土壤沼澤化產(chǎn)生的主要原因是地下水位較高, 或由于引地表水灌溉, 導致地下水位抬升, 又因為排水不暢, 使土壤中含水量接近飽和。土壤沼澤化有天然因素和人為因素兩種情況。人為的后天因素則是對天然環(huán)境的一種破壞, 主要是在水利工程規劃的初期, 對環(huán)境條件和水文地質(zhì)因素的了解程度或重視程度不夠, 或在設計中沒(méi)有考慮而造成的。利用虛擬現實(shí)技術(shù)在規劃設計之初, 建立地區的虛擬現實(shí)模型, 虛擬出水利工程上馬以后各種環(huán)境條件變化及對周?chē)h(huán)境的影響, 則可以把不利因素消滅于萌芽之中。

 

  海水入侵的表達靠近海邊的地區, 由于地下水的開(kāi)發(fā)利用, 使陸地淡水壓力減小, 海邊的地下咸水則不斷地向陸地含水層中入侵。利用虛擬現實(shí)技術(shù)可真實(shí)地再現由于地下水開(kāi)采量增大, 淡水壓力不斷減小, 海水不斷入侵的過(guò)程。

 

  3 .5 水資源規劃

 

  虛擬現實(shí)技術(shù)在最開(kāi)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(shí)同樣為規劃設計提供了一個(gè)非常好的平臺。

 

  在水資源開(kāi)發(fā)利用之初, 利用虛擬現實(shí)技術(shù)建立水資源開(kāi)發(fā)利用區的環(huán)境條件、水文地質(zhì)條件等, 在規劃開(kāi)始, 將各種規劃方案和由此而產(chǎn)生的環(huán)境變化結果虛擬出來(lái), 使水資源規劃方案能夠更完善, 真正實(shí)現水資源的可持續利用。

 

  4 虛擬現實(shí)模型的研究步驟

 

  建立虛擬現實(shí)數據庫根據虛擬的要求、實(shí)際數據特點(diǎn)建立數據庫。虛擬現實(shí)技術(shù)以海量數據為基礎, 數據量決定虛擬成果的精度, 主要資料為與水文地質(zhì)條件有關(guān)的氣象、水文、地質(zhì)資料和水文地質(zhì)資料。但是, 建立數據庫的同時(shí)也要考慮進(jìn)行數據處理的計算機硬件的水平。

 

  建立三維地質(zhì)模型建立數據庫以后, 首先考慮建立靜態(tài)的三維地質(zhì)結構模型, 任何水文地質(zhì)問(wèn)題都與地質(zhì)條件有著(zhù)極為密切的關(guān)系, 所以地質(zhì)模型是水文地質(zhì)模型的基礎。

 

  建立地下水水流模型在地質(zhì)模型的基礎上,建立地下水流模型, 地下水流模型應是經(jīng)過(guò)調參和驗證的模型, 表現的是地下水流在空間上隨時(shí)間的變化過(guò)程。

 

  建立專(zhuān)業(yè)模型根據所要虛擬的內容和所要解決的實(shí)際問(wèn)題, 建立專(zhuān)業(yè)模型。專(zhuān)業(yè)模型是為表達某一項特殊的目的而建立的, 如要表達地面沉降, 則需要建立地面沉降模型, 如需要表達海水入侵, 則需要建立和海水入侵有關(guān)的地下水流與水質(zhì)模型, 如果需要模擬地下水水質(zhì)的變化則需要建立地下水水質(zhì)運移模型等。

 

  實(shí)時(shí)預測模型虛擬現實(shí)技術(shù)區別于其他的計算機表達形式的一方面是其沉浸感, 另一方面是其實(shí)時(shí)的功能。利用其實(shí)時(shí)表現功能, 將所建立的模型實(shí)時(shí)運轉起來(lái), 可以對其所研究的水文地質(zhì)內容進(jìn)行實(shí)時(shí)預測、分析和表達。實(shí)時(shí)預測是虛擬現實(shí)技術(shù)區別于其他三維立體表達的一個(gè)重要方面。

 

  綜上所述, 虛擬現實(shí)技術(shù)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(zhì)變化、污染物運移機理和由地下水開(kāi)發(fā)利用導致的環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題等方面的研究提供了新的研究手段, 為不可見(jiàn)的水文地質(zhì)現象提供了三維立體表達、科學(xué)可視化開(kāi)辟了一個(gè)新的方向。