淺談水文地質(zhì)研究中的虛擬現(xiàn)實技術(shù)

翟勝強(qiáng) 魏良帥

（四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局成都水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊，四川成都610072）

虛擬現(xiàn)實技術(shù)主要是利用計算機(jī)生成的虛擬現(xiàn)實的環(huán)境逼真的模擬人在自然環(huán)境中的聽覺和視覺等行為而進(jìn)行的人機(jī)界面的新技術(shù)。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實時表現(xiàn)、沉浸感、與計算機(jī)交互的功能可以建立起相關(guān)的水文地質(zhì)模型，從而實現(xiàn)對地下水質(zhì)、水流及環(huán)境地質(zhì)的深入研究，以促進(jìn)人們對地下水的開采及提高工程建設(shè)的可靠性。

一、虛擬現(xiàn)實技術(shù)概述

1 概念

虛擬現(xiàn)實技術(shù)主要是指利用計算機(jī)生成的虛擬環(huán)境對人在自然環(huán)境中的視覺、運動、聽覺等行為進(jìn)行逼真模擬的人機(jī)界面技術(shù)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是由美國的VPL.Research公司創(chuàng)始人于1989年所創(chuàng)造，通常情況下被稱為虛擬現(xiàn)實。虛擬現(xiàn)實技術(shù)主要有沉浸、交互、構(gòu)想三個基本特征，對于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的發(fā)展主要有兩個基本方向，一是基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，二是基于萬維網(wǎng)和因特網(wǎng)的三維圖形環(huán)境的發(fā)展。虛擬現(xiàn)實技術(shù)自從20世紀(jì)90年代開展以來，利用其虛擬環(huán)境與現(xiàn)實無限貼近的特點，使實際環(huán)境中難以進(jìn)行模擬和實現(xiàn)的復(fù)雜結(jié)果得以簡單的表現(xiàn)出來，并實現(xiàn)了對各種不同條件的預(yù)測和結(jié)果計算，對于現(xiàn)實環(huán)境中各方面的發(fā)展都起到了良好的促進(jìn)作用。當(dāng)前，虛擬現(xiàn)實技術(shù)主要應(yīng)用在軍事、電子儀器檢測、遠(yuǎn)程高等教育、模具制作、新產(chǎn)品開發(fā)等方面，對人類的生產(chǎn)、生活產(chǎn)生了巨大的影響。

2 優(yōu)點

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種綜合了眾多優(yōu)點的新技術(shù)，在其應(yīng)用的過程中，自身所具有的優(yōu)勢得到了充分的顯示。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的主要優(yōu)勢為：①實時表達(dá)，虛擬現(xiàn)實技術(shù)最大的一個優(yōu)點就是可以在不同的時間、不同的地點進(jìn)行環(huán)境變化的虛擬，可以隨時反應(yīng)事物的動態(tài)變化過程，從而提供有效的數(shù)據(jù)信息。②三維立體表達(dá)，虛擬現(xiàn)實技術(shù)由于較多的與計算機(jī)技術(shù)連接，將計算機(jī)的立體表達(dá)優(yōu)勢充分顯現(xiàn)出來，可以實現(xiàn)對所要表達(dá)內(nèi)容從不同的角度進(jìn)行展現(xiàn)和研究。③反映細(xì)致，對于研究物體，即使是再細(xì)小的差別，虛擬現(xiàn)實技術(shù)也可以將其充分的反應(yīng)出來，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對研究物體全貌的綜合研究。④實現(xiàn)對事物發(fā)展的預(yù)測，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用不僅可以實現(xiàn)對已存在事物的細(xì)致表達(dá)，同時還可以實現(xiàn)對尚未存在但可能發(fā)生的事物變化進(jìn)行虛擬反映。⑤反映結(jié)果全面，建立虛擬的現(xiàn)實系統(tǒng)，不僅可以實現(xiàn)對事物發(fā)展過程的虛擬，還可以根據(jù)不同的條件，虛擬出不同的結(jié)果。⑥為研究發(fā)展提供了新的方向，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用為對各種未知環(huán)境的探究提供了新的研究放向和研究方法。

3 應(yīng)用條件

虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有較強(qiáng)的實現(xiàn)事物三維可視化的功能，但需要用海量的數(shù)據(jù)資料作為支持?；A(chǔ)資料越是全面、豐富，虛擬出來的結(jié)果就越貼近現(xiàn)實。

二、虛擬現(xiàn)實技術(shù)在水文地質(zhì)中的應(yīng)用

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)對地下水流的表達(dá)

在水文地質(zhì)研究中，地下水流的運動規(guī)律是其研究的重要組成部分，地下水流的運動是一個動態(tài)的變化過程，也是目前水文地質(zhì)研究中最活躍的研究因素。在研究地下水流時，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)不僅可以利用自身實時變化的功能對地下水流的運動變化進(jìn)行虛擬的表達(dá)，以充分的表現(xiàn)出地下水流的特點，還可以對地下水開采后對地下水的變化情況進(jìn)行虛擬，使人們充分了解在開采利用地下水后對含水系統(tǒng)造成的影響，從而使人們采取相應(yīng)的措施或者是減少對地下水的開采。在對地下水流研究的虛擬過程中，不僅可以實現(xiàn)對地下水的可視化管理，還可以由此虛擬出相應(yīng)的開采方式和管理方案，并利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)對其進(jìn)行不斷的完善和表達(dá)，從而實現(xiàn)對地下水流研究的可靠性和科學(xué)性。

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)對含水層的表達(dá)

在以往的研究工作中，只能夠通過剖面圖來展示隔水層和含水層的分布特點，在平面圖中則通過含水層厚度的等值線來表現(xiàn)含水層的空間分布特點，這樣進(jìn)行研究分析，既不夠直觀，也不夠全面，對于含水層和隔水層的變化狀況研究起到的作用不大。虛擬現(xiàn)實技術(shù)中的三維可視化功能能夠?qū)⒌叵潞畬优c隔水層的分布、空間的變化情況及含水層的厚度很好的進(jìn)行真實再現(xiàn)，對于深入研究隔水層和含水層有很大的幫助，同時，隨著虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中資料的不斷完善，人們對地下含水系統(tǒng)的研究也更加深入、全面。

3 水文地質(zhì)環(huán)境問題

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人口不斷增長，人們對地下水的開采利用也不斷的增長，導(dǎo)致過分開采，從而引發(fā)了地下水位持續(xù)下降、地面沉降、水資源枯竭、土壤沙漠化等環(huán)境地質(zhì)問題，對人類的居住環(huán)境形成了巨大的威脅，嚴(yán)重影響了人們生活質(zhì)量的提高。由于虛擬技術(shù)既可以對存在的事物發(fā)展過程進(jìn)行虛擬，也可以對尚未存在但可能發(fā)生的事物進(jìn)行虛擬，將其利用在水文地質(zhì)環(huán)境的監(jiān)測上，則可以實現(xiàn)對開采地下水可能引發(fā)的各種環(huán)境問題進(jìn)行虛擬分析，從而制定出相應(yīng)的對策或減少對水資源的開發(fā)，以減少環(huán)境問題給人類帶來的災(zāi)害。

4 地下水水質(zhì)的虛擬表現(xiàn)

當(dāng)前，由于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，造成環(huán)境污染嚴(yán)重，影響到了地下水的水質(zhì)，也影響到了人們對地下水的開采使用。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可以對地下水在自然狀態(tài)下的變化進(jìn)行虛擬，從而找出對地下水水質(zhì)影響較大的因素，以實現(xiàn)對水質(zhì)變化更深刻的理解，為人們提供有效的控制水質(zhì)惡化的方法，使地下水質(zhì)逐步轉(zhuǎn)為良性循環(huán)，水質(zhì)恢復(fù)正常。在研究地下水質(zhì)時，可以建立相應(yīng)的水質(zhì)虛擬實驗室，將可能影響地下水質(zhì)的因素都虛擬出來，并對這些影響因素進(jìn)行分析研究，找出相應(yīng)的解決方案，以實現(xiàn)對影響因素的良好控制，從而改變地下水的水質(zhì)，以保證人類的生活質(zhì)量。

5 水資源的規(guī)劃

虛擬現(xiàn)實技術(shù)最早主要應(yīng)用與較小區(qū)域的規(guī)劃，隨著不斷的發(fā)展惡化創(chuàng)新，當(dāng)前已在水資源的規(guī)劃和水源地的建立等方面得到了廣泛的應(yīng)用，并未人類進(jìn)行水資源的規(guī)劃設(shè)計提供了一個良好的平臺。在開采水資源之前，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)對水資源開發(fā)區(qū)域的環(huán)境條件、地質(zhì)條件和水文條件等進(jìn)行虛擬表達(dá)，并建立起相應(yīng)的模型，進(jìn)行研究分析，將對水資源難度開發(fā)方案和由此可能產(chǎn)生的環(huán)境變化情況很好的虛擬出來，從而使人們可以針對問題進(jìn)行研究分析，并進(jìn)行有效的修正，從而促進(jìn)水資源規(guī)劃方案的不斷完善，以保證實現(xiàn)水資源的可持續(xù)使用。

三、虛擬現(xiàn)實模型的研究步驟

1 建立虛擬現(xiàn)實數(shù)據(jù)庫

根據(jù)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的要求，要根據(jù)實際的數(shù)據(jù)特點建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，盡可能的搜集大量的數(shù)據(jù)作為研究的基礎(chǔ)，而且還要確保所收集資料的全面性，以保證數(shù)據(jù)庫所搜集資料的應(yīng)用價值。

2 建立地下水水流模型

建立地質(zhì)模型之后，還要建立相應(yīng)的地下水流模型，由于地下水流是水文地質(zhì)研究中最為活躍的研究因素，所以，對其進(jìn)行研究分析，可以充分的了解地下水流的運動情況，從而對地下水的開采做出正確的判斷。

3 建立三維地質(zhì)模型

建立起虛擬現(xiàn)實數(shù)據(jù)庫之后，要考慮建立起三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，因為任何的水文地質(zhì)問題都離不開地質(zhì)條件的影響，建立地質(zhì)模型可以對地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行充分的研究，從而保證對水文地質(zhì)研究的可靠性，以保證滿足人們的需求。

4 建立專業(yè)模型

針對要解決的實際問題和要虛擬的內(nèi)容，還要建立起相應(yīng)的專業(yè)模型。專業(yè)模型是指為了表達(dá)一種特殊的目的而建立的，如表達(dá)海水入侵，需要建立與海水入侵有關(guān)的水質(zhì)模型和水流模型，如果要表達(dá)的是地面沉降問題，則要建立起與地面沉降有關(guān)的專業(yè)模型，以保證對所研究內(nèi)容的專業(yè)性和深入性。

5 建立實時預(yù)測模型

對于所要研究的內(nèi)容和所要解決的實際問題還應(yīng)當(dāng)建立其相應(yīng)的實時預(yù)測模型，虛擬現(xiàn)實技術(shù)與其他技術(shù)的主要區(qū)別就是沉浸感和實時表達(dá)的功能，利用其實時表達(dá)功能可以將建立的模型呈現(xiàn)動態(tài)發(fā)展，以實現(xiàn)對所研究問題的實時分析和表達(dá)，從而實現(xiàn)對存在問題的良好解決。

四、實例解析

在進(jìn)行某地下水系統(tǒng)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)研究過程中，采用的是三維可視化的虛擬現(xiàn)實技術(shù)研究，在充分搜集該地區(qū)水文地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，對于研究區(qū)的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)和地下水面采用虛擬表達(dá)技術(shù)進(jìn)行研究，主要包括水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)及地下水水面的虛擬建模算法和三維表達(dá)模式。通過研究，對于地下水水流的運動及含水層有機(jī)結(jié)合進(jìn)行虛擬研究，充分的揭示了地下水的運動情況，為該區(qū)域的水資源評價和管理提供了三維可視化的研究平臺。

結(jié)語

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種計算機(jī)方面的最新研究成果，它在水文地質(zhì)研究中的應(yīng)用極大的促進(jìn)了人類對地下水開采的發(fā)展，使人們可以對開采地下水的情況及其引發(fā)的結(jié)果進(jìn)行研究分析，并制定出相應(yīng)的策略，從而有效促進(jìn)對地下水的合理利用。通過運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)建立的各種模型，可以對地下水的變化情況進(jìn)行實時的監(jiān)控，從而實現(xiàn)對其水質(zhì)和開采利用的良好控制，以保證實現(xiàn)人們對水資源的可持續(xù)利用，促進(jìn)人類的可持續(xù)發(fā)展。

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