1 虛擬現實技術

 

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

 

  VRT 是指利用計算機生成的虛擬環境逼真地模擬人在自然環境中的視覺、聽覺、運動等行為的人機界面的技術。其基本特征分為3 個方面: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;二是交互(interact ion), 通過使用虛擬交互接口設備實現人類自然技能對虛擬環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。

 

  虛擬現實系統的發展依據虛擬環境的發展可分為兩個基本方向, 一是基于虛擬現實技術的發展, 二是基于因特網和萬維網的三維圖形環境的發展。如果從參與者的投入感劃分, 則基于虛擬現實技術的發展可稱為投入型虛擬環境和非投入型虛擬環境。

 

  投入型虛擬環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, 具有如同現實物質世界一樣或相似的感覺,參與者一般要帶上立體顯示頭盔、數據手套、數據衣等。投入型虛擬環境也可分為完全投入型虛擬環境和半投入式的虛擬環境。完全投入型虛擬環境, 是參與者要帶上頭盔, 人完全與現實物質世界相隔離,當參與者移動頭部或轉動頭部方向時, 三維景象都要被立即更新。

 

  半投入式的虛擬環境, 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屏幕或者桌面上, 參與者也同樣帶上立體眼鏡觀察, 但三維立體圖形景象不隨參與者頭部的活動而快速更新。

 

  非投入型虛擬環境, 也可稱為分布式非投入型

 

  虛擬環境, 是指基于因特網和萬維網的計算機軟硬件環境, 也可利用單機操作。該環境具有三維圖形空間, 參與者可以從世界各地上網連接到該三維空間, 并以化身(ava tar)表示各自在該共享環境中的身份, 并進行相互交流。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 年代開始發展以來, 目前主要是利用其三維立體圖形功能和與現實無限貼近的特點, 直接以計算機中的虛擬現實結果來代替現實和科研中難以實現的復雜結果, 或利用計算機虛擬不同的現實條件, 達到多種條件下的不同結果。目前虛擬現實技術主要應用于軍事、遠程高等教育、電子儀器檢測、模具的制作、新產品開發等方面。

 

  2 VRT 的優點及應用條件

 

  2 .1 優點

 

  (1)實時表達功能, 可以虛擬不同時間、不同條件的環境變化, 可以反映事物隨著時間的變化過程。

 

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

 

  (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存在的事物, 而且能夠虛擬現實世界不存在, 但有可能發生的事情和事物的發展變化。

 

  (5)建立一個虛擬現實系統, 相當于建立一個虛擬現實實驗室, 不僅可以虛擬事物的發生發展過程,還可以根據不同的條件, 虛擬出不同的結果。

 

  (6)虛擬現實技術為微觀世界、危險環境、不易重復的條件及醫學教學等方面的研究提供一個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。基礎資料是虛擬現實的保證, 資料越多、越豐富, 那么虛擬的結果就越貼近現實。

 

  3 VRT 在水文地質中的應用

 

  隨著計算機硬件的發展, 虛擬現實技術在近年逐步發展起來, 但在城市或小區規劃中應用較多, 在地質方面應用較少, 主要用于礦產儲量的虛擬表達和儲量計算以及礦山開采方面的虛擬, 在水文地質方面, 目前剛剛起步, 還沒有成型的軟件和相應研究成果。但隨著科學的進步, 技術的提高以及計算機硬件的發展, 虛擬現實技術在水文地質方面的應用也必將逐步發展起來。

 

  虛擬現實的主要功能是其沉浸感、三維立體表現事物的各個特征以及實時地表達, 即虛擬現實技術具有表現現實存在的或不存在的事物在三維空間隨時間變化的功能, 水文地質研究的也正是利用虛擬現實技術對不可或很難見到的事物在三維空間隨時間變化的特征。虛擬現實技術在水文地質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

 

  利用虛擬現實技術的三維可視化功能可以真實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, 僅能通過剖面圖展示含水層、隔水層的垂向分布特點, 在平面圖中通過含水層厚度等值線表現含水層的空間分布狀況, 總的來說不直觀也不全面。在虛擬現實系統中隨著資料的進一步完善, 神秘的地下含水系統將真實地展現在人們的面前。

 

  3 .2 虛擬現實系統對地下水流的表達

 

  水文地質研究中的主要部分是地下水流的運動規律, 如果說含水層是水文地質研究中的一個不變的靜態因素, 地下水流則是一個動態的變化過程, 是目前水文地質研究中最為活躍的因素。

 

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

 

  3 .3 地下水水質的虛擬表現

 

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

 

  地下水水質虛擬實驗室目前, 由于地表水體污染等多種因素的作用, 地下水水質遭受到前所未有的污染, 展示地下水中有關離子的運移、變化規律、變化趨勢等是對地下水水質進行研究的關鍵。

 

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

 

  3 .4 水文地質環境問題

 

  近些年, 由于大量開采利用地下水誘發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境地質問題, 引地表水灌溉, 導致地下水位上升而產生沼澤化等問題。這一系列問題的研究, 由于地下水水流變化的不可見性、環境問題產生初期不可預知, 形成機理無法模擬研究以及時間、場景不可再現等原因, 水文地質環境問題的研究始終處于滯后的局面, 也始終在環境問題嚴重了以后才開始進行分析研究。虛擬現實技術具有虛擬事物不同發展過程的能力, 可以虛擬已經存在的事物, 也可以虛擬不存在的事物, 可以虛擬事物過去的存在狀態, 也可以虛擬其發展過程。因此通過實時的動態的虛擬, 可以對事物的發展作一個不斷完善的研究和展示, 為由于地下水的開采而造成的環境問題的研究提供了一個很好的工作平臺。

 

  地下水降落漏斗發展規律的虛擬表達隨著社會經濟的發展, 人類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, 開采量也越來越大。

 

  大量地開采地下水, 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。隨著開采量的不斷增加, 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, 因此產生的環境問題也越來越多, 后果也越來越嚴重。對地下水位降落漏斗的控制是目前水文地質工作中極為重要的一部分。利用虛擬現實技術的三維立體表達功能和實時動態顯示功能, 可以通過建立地下水開采量與地下水降落漏斗的關系, 真實地實時表現隨著地下水開采量的增加、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, 為水資源的管理和持續利用提供三維的、實時的與實際相符的依據。

 

  地面沉降的實時監測表達地面沉降是大量開發利用地下水而導致的最為嚴重的環境地質問題之一。到目前為止對于地面沉降的機理研究仍然是一個比較前沿的課題。但地面沉降的研究受環境條件的限制太多, 不能夠對其形成條件進行現場的模擬和試驗, 使地面沉降僅限于理論上的研究和計算,而虛擬現實技術則可以利用計算機的虛擬現實世界, 真實地再現地面沉降的歷史現象, 為地面沉降研究提供一個較好的工作平臺。可以利用前些年的地面沉降觀測資料建立一個地面沉降的虛擬實驗室,通過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程和環境, 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驗室以后, 對不同條件下, 地面沉降可能的發生、發展過程進行進一步的研究和預測, 真實地實時地表現地面沉降的發展變化過程,對于地面沉降的決策有著不可估量的作用, 保證合理地利用資源, 同時最大可能地避免由此而產生的環境地質問題。因此, 虛擬現實技術對于地面沉降的機理研究方面有著極為廣闊的前景。

 

  土壤沙漠化由于地下水開采, 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。由地下水開采或降水量減少造成的土壤沙化問題和地下水位下降有著極為密切的關系, 通過對地下水位變化的虛擬和土壤層含水量的表達, 可以動態地表現地下水位的下降、降落漏斗的擴展與土壤沙化的進程, 虛擬研究地下水水位下降與土壤沙化的相互關系和機理, 對地下水可持續開發利用和相對減少和減輕可能產生的環境問題有著極為重要的意義。

 

  土壤鹽漬化由于氣候條件和地質、水文地質環境的變化會導致土壤鹽漬化的產生或加重。產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, 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。利用虛擬現實技術, 建立地區的蒸發量與土壤水分的關系, 根據氣候條件和地下水位、地下水水質演變過程進行虛擬, 可以不斷跟蹤和不斷預測區域土壤鹽漬化的發展過程。為環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境的一種破壞, 主要是在水利工程規劃的初期, 對環境條件和水文地質因素的了解程度或重視程度不夠, 或在設計中沒有考慮而造成的。利用虛擬現實技術在規劃設計之初, 建立地區的虛擬現實模型, 虛擬出水利工程上馬以后各種環境條件變化及對周圍環境的影響, 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, 由于地下水的開發利用, 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。利用虛擬現實技術可真實地再現由于地下水開采量增大, 淡水壓力不斷減小, 海水不斷入侵的過程。

 

  3 .5 水資源規劃

 

  虛擬現實技術在最開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同樣為規劃設計提供了一個非常好的平臺。

 

  在水資源開發利用之初, 利用虛擬現實技術建立水資源開發利用區的環境條件、水文地質條件等, 在規劃開始, 將各種規劃方案和由此而產生的環境變化結果虛擬出來, 使水資源規劃方案能夠更完善, 真正實現水資源的可持續利用。

 

  4 虛擬現實模型的研究步驟

 

  建立虛擬現實數據庫根據虛擬的要求、實際數據特點建立數據庫。虛擬現實技術以海量數據為基礎, 數據量決定虛擬成果的精度, 主要資料為與水文地質條件有關的氣象、水文、地質資料和水文地質資料。但是, 建立數據庫的同時也要考慮進行數據處理的計算機硬件的水平。

 

  建立三維地質模型建立數據庫以后, 首先考慮建立靜態的三維地質結構模型, 任何水文地質問題都與地質條件有著極為密切的關系, 所以地質模型是水文地質模型的基礎。

 

  建立地下水水流模型在地質模型的基礎上,建立地下水流模型, 地下水流模型應是經過調參和驗證的模型, 表現的是地下水流在空間上隨時間的變化過程。

 

  建立專業模型根據所要虛擬的內容和所要解決的實際問題, 建立專業模型。專業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的地下水流與水質模型, 如果需要模擬地下水水質的變化則需要建立地下水水質運移模型等。

 

  實時預測模型虛擬現實技術區別于其他的計算機表達形式的一方面是其沉浸感, 另一方面是其實時的功能。利用其實時表現功能, 將所建立的模型實時運轉起來, 可以對其所研究的水文地質內容進行實時預測、分析和表達。實時預測是虛擬現實技術區別于其他三維立體表達的一個重要方面。

 

  綜上所述, 虛擬現實技術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、地下水水質變化、污染物運移機理和由地下水開發利用導致的環境地質問題等方面的研究提供了新的研究手段, 為不可見的水文地質現象提供了三維立體表達、科學可視化開辟了一個新的方向。