VRGIS及其在向家壩水電站工程中的應(yīng)用

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1.前言

當(dāng)今社會(huì)已步入信息化時(shí)代，計(jì)算機(jī)信息管理的水平，已成為衡量大型工程現(xiàn)代化施工管理水平的重要標(biāo)志之一。在大型工程的建設(shè)過程中，勘測(cè)資料、設(shè)計(jì)資料、施工資料、驗(yàn)收資料等數(shù)據(jù)量浩如煙海，這就給收集、匯總、查找工作帶來了極大不便，而且，資料的管理不善還會(huì)延誤工期，造成不必要的國(guó)民經(jīng)濟(jì)損失，這是業(yè)主和施工管理者面臨的一大難題。因此，對(duì)重大工程來說，建立一個(gè)適合自身需要的信息管理系統(tǒng)勢(shì)在必行^[1,2]。

向家壩水電站位于金沙江下游，是金沙江流域水電開發(fā)中的重要控制性工程。其設(shè)計(jì)正常蓄水位380.00ｍ，最大壩高161m，總裝機(jī)容量6000MW。該工程地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，勘測(cè)數(shù)據(jù)龐大，地質(zhì)工作者很難對(duì)其在工程巖土體中的分布規(guī)律有一個(gè)整體和直觀的把握，為了適應(yīng)這一當(dāng)代巨型水電工程建設(shè)的需要，提高地質(zhì)工作者的工作效率，促進(jìn)可變更設(shè)計(jì)與信息化施工等新技術(shù)的推廣和應(yīng)用，利用三維建模技術(shù)^[3,4]與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，建立一個(gè)VRGIS系統(tǒng)是極為必要的。

領(lǐng)域

用途

科學(xué)視覺化

數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物、考古、地質(zhì)演化、災(zāi)害模擬、行星表面重建，虛擬風(fēng)洞試驗(yàn)，分子結(jié)構(gòu)分析

醫(yī)學(xué)

外科手術(shù)，遠(yuǎn)程遙控手術(shù)，身體復(fù)建，虛擬超音波影像，藥物合成

教育

虛擬天文館，遠(yuǎn)程教學(xué)，虛擬實(shí)習(xí)

藝術(shù)

虛擬博物館，音樂

商業(yè)

電傳會(huì)議，電話網(wǎng)路管理，空中交通管制

景觀模擬

建筑設(shè)計(jì)，室內(nèi)設(shè)計(jì)，工業(yè)設(shè)計(jì)，地形地圖

軍事

飛行模擬，軍事演習(xí)，武器操控

太空

太空訓(xùn)練，太空載具駕駛模擬

機(jī)械人

機(jī)械人輔助設(shè)計(jì)，機(jī)械人操作模擬，遠(yuǎn)程操控

工業(yè)

電腦輔助設(shè)計(jì)

娛樂

電腦游戲

2. VR與VRGIS

2.1 VR技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Virtual Reality，VR)是一種在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)仿真、傳感技術(shù)、顯示技術(shù)等多種學(xué)科交叉融合的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的計(jì)算機(jī)技術(shù)，最早可以追溯到美國(guó)學(xué)者Ivan Sutherland于1965年所發(fā)表的論文“終極顯示”（Ultimate Display）^[5]。經(jīng)歷了20余年的發(fā)展，該技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于許多行業(yè)中，如表1所示。它具有以下三個(gè)基本特征：

（1）沉浸性。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是根據(jù)人類的視覺、聽覺的生理心理特點(diǎn)，由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生逼真的三維立體圖像．使用者戴上頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套等交互設(shè)備，便可將自己置身于虛擬環(huán)境中，達(dá)到身臨其境的感覺。

（2）交互性。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的人機(jī)交互是一種近乎自然的交互，使用者不僅可以利用電腦鍵盤、鼠標(biāo)進(jìn)行交互，而且能夠通過特殊頭盔、數(shù)據(jù)手套等傳感設(shè)備進(jìn)行交互。計(jì)算機(jī)能根據(jù)使用者的頭、手、眼、語言及身體的運(yùn)動(dòng)，對(duì)虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行考察或操作。

（3）多感知性。由于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中裝有視、聽、觸、動(dòng)覺的傳感及反應(yīng)裝置，因此，使用者在虛擬環(huán)境中可獲得視覺、聽覺、觸覺、動(dòng)覺等多種感知，從而達(dá)到身臨其境的感受。

2.2 VRGIS

VRGIS(Virtual Reality Geography Information System) ^[6]是地理信息系統(tǒng)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是目前地理信息系統(tǒng)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究的熱點(diǎn)和前沿方向之一。盡管GIS和VR技術(shù)的發(fā)展可追溯到20世紀(jì)60—70年代，但是，第一個(gè)較為成功的VRGIS卻出現(xiàn)在90年代初期，是美國(guó)僑治亞州教育學(xué)院的校園環(huán)境信息系統(tǒng)。從那以后，出現(xiàn)了大量的關(guān)于VR和GIS相結(jié)合的應(yīng)用和理論研究，VRGIS日益引人注目。

    簡(jiǎn)單地說，VRGIS可看作一個(gè)特殊的“傳統(tǒng)型”GIS，它具有傳統(tǒng)GIS系統(tǒng)所具有的空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理、查詢和分析等功能，只是將VR技術(shù)作為主要的用戶界面和交互方法。根據(jù)Faust在1993年提出的VRGIS概念，一個(gè)理想的VRGIS應(yīng)具有以下幾個(gè)方面的特征：（1）空間數(shù)據(jù)的真實(shí)表現(xiàn)；（2）用戶可從任意角度進(jìn)行觀察、浸入、實(shí)時(shí)交互，可在所選擇的地理范圍內(nèi)外自由移動(dòng)；（3）具有基于三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)的基本GIS功能；（4）可視化部分作為用戶接口是一個(gè)自然而完整的部分。

4.VRGIS在向家壩水電站工程應(yīng)用

4.1系統(tǒng)功能需求

向家壩水電站地處松潘甘孜褶皺與揚(yáng)子地臺(tái)的交接部位，地質(zhì)歷史時(shí)期經(jīng)歷了復(fù)雜的構(gòu)造演化過程，地層出露齊全、地質(zhì)造構(gòu)復(fù)雜。大量工程實(shí)踐證明，重大工程的前期工程地質(zhì)勘測(cè)起著舉足輕重的作用，地質(zhì)構(gòu)造不查清，重要不良地質(zhì)現(xiàn)象被忽視，往往是工程事故的隱患。對(duì)于工程設(shè)計(jì)與勘測(cè)部門來說，不僅要搞清工程區(qū)的地層分布情況、巖土物理力學(xué)參數(shù)，更要清楚工程區(qū)的巖體結(jié)構(gòu)與不良地質(zhì)情況對(duì)工程設(shè)施的影響，并據(jù)此提出相應(yīng)的工程處理措施。

為了滿足向家壩水電站可行性研究階段勘測(cè)設(shè)計(jì)的需要，作者利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）與三維建模技術(shù)，建立了向家壩VII壩址虛擬漫游信息系統(tǒng)（VRGIS），這對(duì)輔助工程決策、壩址地質(zhì)分析和預(yù)測(cè)，有著十分積極的意義。

4.2系統(tǒng)開發(fā)步驟簡(jiǎn)介

首先，作者對(duì)已有的鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，建立一個(gè)龐大的鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)。接下來，定義屬性模板，從而在三維空間中定義鉆孔位置屬性。與此同時(shí)，針對(duì)一些平面圖、剖面圖數(shù)據(jù)，在AutoCAD環(huán)境下進(jìn)行預(yù)處理及配準(zhǔn)工作，從而在三維空間中定義地層、斷層位置屬性。

然后，是系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵步驟，建立壩址區(qū)的地址模型。通過選取合適的數(shù)據(jù)，建立各個(gè)地層面和斷層面、風(fēng)化面、水位面、基巖與覆蓋層分界面，進(jìn)而通過地層面建立各個(gè)地層的實(shí)體模型，用地形表面和覆蓋層裁剪模型，得到向家壩VII壩址的三維地質(zhì)模型^[4]，如圖2所示。

最后，也是本系統(tǒng)開發(fā)最核心步驟，采用三維虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)（VRMap）建立三維虛擬場(chǎng)景。VRMap是一種功能較強(qiáng)的由北京靈圖公司開發(fā)的桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，它的主要功能是提供三維場(chǎng)景虛擬與三維物體管理與查詢的功能，并且提供二次開發(fā)類型庫(kù)，使用戶能方便靈活地建立滿足特定要求的三維管理信息系統(tǒng)。采用該系統(tǒng)導(dǎo)入地址模型后，定義場(chǎng)景中的物體（地層、斷層）信息屬性，建立相關(guān)的屬性數(shù)據(jù)庫(kù)，最終實(shí)現(xiàn)信息查詢、圖層管理、虛擬現(xiàn)實(shí)操作、場(chǎng)景操作等功能。

4.3虛擬漫游信息系統(tǒng)（VRGIS）主要功能

虛擬漫游信息系統(tǒng)是一個(gè)集虛擬現(xiàn)實(shí)和信息管理為一體的軟件平臺(tái)。它能為工程信息管理提供具有三維真實(shí)感的實(shí)時(shí)瀏覽和查詢環(huán)境，使工程與工程地質(zhì)信息管理的水平躍上一個(gè)新臺(tái)階。并且可以根據(jù)用戶需要比較容易地裝載不同的工程場(chǎng)景和工程地質(zhì)模型，開發(fā)滿足不同專業(yè)需求的信息系統(tǒng)。

本信息系統(tǒng)可以與數(shù)據(jù)庫(kù)連接，實(shí)現(xiàn)信息查詢和信息管理，使用戶在瀏覽過程中可以隨時(shí)查詢各個(gè)實(shí)體的信息，如地層信息、斷層信息等。本信息系統(tǒng)還具有完善的圖層管理功能，用于復(fù)雜工程與地質(zhì)結(jié)構(gòu)的觀察、分析和信息分類管理。本信息系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便，可以利用鍵盤，完全由用戶手動(dòng)控制在三維場(chǎng)景中的飛行瀏覽路線。也可以采用自動(dòng)控制功能，自定義瀏覽路線并在需要的時(shí)候自動(dòng)回放。

4.3.1虛擬漫游

虛擬漫游有兩種方式，一種是手動(dòng)方式，用戶可以使用鍵盤上的四個(gè)方向鍵控制漫游的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，使用Home、End、Page Up和Page Down鍵控制漫游視點(diǎn)的升高、降低、俯視和仰視；另一種是自動(dòng)方式，即用戶可以預(yù)先定義一條漫游路徑，在需要漫游時(shí)直接播放即可。

4.3.2信息查詢功能

本系統(tǒng)可以與Access等數(shù)據(jù)庫(kù)連接，在給虛擬場(chǎng)景中的物體（地層、斷層）定義信息屬性后，在瀏覽的各個(gè)階段都可以隨時(shí)查詢各個(gè)物體（地層、斷層）的相關(guān)信息。

4.3.3圖層管理功能

虛擬場(chǎng)景中的各個(gè)物體都可以根據(jù)其性質(zhì)分別放置在不同的層中，在漫游時(shí)可以根據(jù)需要打開或關(guān)閉某個(gè)或多個(gè)圖層，是用戶對(duì)信息的把握更加集中。

4.3.4虛擬操作功能

場(chǎng)景中的各個(gè)物體的位置、方向和比例都可以隨時(shí)根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，對(duì)于場(chǎng)景較大范圍的調(diào)整也可以采用工具條上的縮放、旋轉(zhuǎn)、平移等工具進(jìn)行更加快捷的調(diào)整。

5. VRGIS功能應(yīng)用

具有以上功能的VRGIS已在向家壩水水電站的設(shè)計(jì)單位中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院內(nèi)使用，受到好評(píng)。其主要成功應(yīng)用表現(xiàn)為如下幾個(gè)方面：

5.1提供了更先進(jìn)、直觀、易用的勘探資料管理環(huán)境，提高勘探研究成果的技術(shù)含量； 

5.2可直觀地重新評(píng)價(jià)原始勘探資料解譯的合理性與正確性，提高勘探成果的水平；

5.3 對(duì)已有勘探成果進(jìn)行很好的展示，為各種匯報(bào)提供高度濃縮和有影響力的素材；

5.4 有利于領(lǐng)導(dǎo)、經(jīng)營(yíng)、設(shè)計(jì)、地質(zhì)與科研人員進(jìn)行充分交流與共同合理決策；

5.5 有助于確定更合理、更經(jīng)濟(jì)的地質(zhì)工作補(bǔ)充與加深的勘探方案；

5.6 更利于進(jìn)行合理的地質(zhì)分析、推測(cè)與預(yù)測(cè)；

5.7 為工程地質(zhì)分析評(píng)價(jià)、巖體穩(wěn)定分析、設(shè)計(jì)與施工等工作提供很好的基礎(chǔ)。

6. 結(jié)語

      虛擬現(xiàn)實(shí)與信息系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合的VRGIS，是解決大型工程資料管理的一種有效途徑，它可以在工程規(guī)劃階段，滿足動(dòng)態(tài)規(guī)劃和布局的需要，能充分利用工程前期勘探資料，并為合理布置正式勘探工作，節(jié)約工程勘探投資和設(shè)計(jì)施工成本提供幫助。另外該系統(tǒng)可以根據(jù)需要靈活裝載其它地質(zhì)模型，其應(yīng)用前景十分廣闊，并且已在機(jī)場(chǎng)建設(shè)，公路設(shè)計(jì)及其它水電工程中獲得了成功應(yīng)用。

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