1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

 

  虛擬現(xiàn)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(xiàn)實(shí)。

 

  VRT 是指利用計算機(jī)生成的虛擬環(huán)境逼真地模擬人在自然環(huán)境中的視覺、聽覺、運(yùn)動等行為的人機(jī)界面的技術(shù)。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(shù)據(jù)手套等硬件設(shè)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(shè)備實(shí)現(xiàn)人類自然技能對虛擬環(huán)境對象的交互考察與操作;三是構(gòu)想(imagination), 強(qiáng)調(diào)三維圖形的立體顯示。

 

  虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的發(fā)展依據(jù)虛擬環(huán)境的發(fā)展可分為兩個基本方向, 一是基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展, 二是基于因特網(wǎng)和萬維網(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(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展可稱為投入型虛擬環(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(xiàn)實(shí)物質(zhì)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(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)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(xiàn)實(shí)物質(zhì)世界相隔離,當(dāng)參與者移動頭部或轉(zhuǎn)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(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(huán)境, 也可稱為分布式非投入型

 

  虛擬環(huán)境, 是指基于因特網(wǎng)和萬維網(wǎng)的計算機(jī)軟硬件環(huán)境, 也可利用單機(jī)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(shù)據(jù)手套就可參與。

 

  VRT 自20 世紀(jì)90 年代開始發(fā)展以來, 目前主要是利用其三維立體圖形功能和與現(xiàn)實(shí)無限貼近的特點(diǎn), 直接以計算機(jī)中的虛擬現(xiàn)實(shí)結(jié)果來代替現(xiàn)實(shí)和科研中難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜結(jié)果, 或利用計算機(jī)虛擬不同的現(xiàn)實(shí)條件, 達(dá)到多種條件下的不同結(jié)果。目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要應(yīng)用于軍事、遠(yuǎn)程高等教育、電子儀器檢測、模具的制作、新產(chǎn)品開發(fā)等方面。

 

  2 VRT 的優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用條件

 

  2 .1 優(yōu)點(diǎn)

 

  (1)實(shí)時表達(dá)功能, 可以虛擬不同時間、不同條件的環(huán)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(dá)功能, 虛擬技術(shù)可以使其所表達(dá)的內(nèi)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(xì)微處的差別。

 

  (4)不僅能夠細(xì)致地表達(dá)已經(jīng)存在的事物, 而且能夠虛擬現(xiàn)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)建立一個虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng), 相當(dāng)于建立一個虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室, 不僅可以虛擬事物的發(fā)生發(fā)展過程,還可以根據(jù)不同的條件, 虛擬出不同的結(jié)果。

 

  (6)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為微觀世界、危險環(huán)境、不易重復(fù)的條件及醫(yī)學(xué)教學(xué)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(yīng)用條件

 

  VRT 具有較強(qiáng)的使事物三維可視化的功能, 但是以海量數(shù)據(jù)作為支持條件。基礎(chǔ)資料是虛擬現(xiàn)實(shí)的保證, 資料越多、越豐富, 那么虛擬的結(jié)果就越貼近現(xiàn)實(shí)。

 

  3 VRT 在水文地質(zhì)中的應(yīng)用

 

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

 

  虛擬現(xiàn)實(shí)的主要功能是其沉浸感、三維立體表現(xiàn)事物的各個特征以及實(shí)時地表達(dá), 即虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有表現(xiàn)現(xiàn)實(shí)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(zhì)研究的也正是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)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(xiàn)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(dá)

 

  利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三維可視化功能可以真實(shí)地再現(xiàn)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(diǎn), 在平面圖中通過含水層厚度等值線表現(xiàn)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(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中隨著資料的進(jìn)一步完善, 神秘的地下含水系統(tǒng)將真實(shí)地展現(xiàn)在人們的面前。

 

  3 .2 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)對地下水流的表達(dá)

 

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

 

  利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以研究的不僅是含水層的展布, 同時利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的實(shí)時變化功能也可以對地下水流的運(yùn)動變化特征進(jìn)行虛擬表達(dá), 充分展現(xiàn)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, 特別是人類開采利用地下水對含水系統(tǒng)產(chǎn)生的影響, 邊界條件對地下水流的約束和控制作用等。通過應(yīng)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(jìn)行科學(xué)可視化的管理,而且可以設(shè)計不同的開采方案和管理模式, 利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不僅可以對其進(jìn)行演示和表達(dá), 還可以對其進(jìn)行不斷的修改、補(bǔ)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(xiàn)

 

  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。通過對地下水水質(zhì)在天然狀態(tài)下逐漸變化過程的虛擬, 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(jī)理, 為控制水質(zhì)的惡化, 使之向良性循環(huán)轉(zhuǎn)化提供依據(jù)。

 

  地下水水質(zhì)虛擬實(shí)驗(yàn)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(yùn)移、變化規(guī)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, 主要是通過野外試驗(yàn)和模擬實(shí)驗(yàn)對水質(zhì)的運(yùn)移機(jī)理進(jìn)行研究, 因此試驗(yàn)在水質(zhì)運(yùn)移研究中占有極其重要的地位。但是實(shí)驗(yàn)室的模擬實(shí)驗(yàn)不能夠完全真實(shí)地再現(xiàn)野外的某些因素的影響, 野外試驗(yàn)受費(fèi)用、場地等條件的限制, 這些因素抑制了地下水水質(zhì)運(yùn)移機(jī)理、污染物彌散等方面的研究。目前利用虛擬現(xiàn)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(xiàn)地下水流和含水層的特征, 以及地下水流中溶質(zhì)的運(yùn)移規(guī)律和發(fā)展趨勢,這為地下水水質(zhì)管理開辟了新的途徑和思路。

 

  3 .4 水文地質(zhì)環(huán)境問題

 

  近些年, 由于大量開采利用地下水誘發(fā)了區(qū)域地下水位持續(xù)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)問題, 引地表水灌溉, 導(dǎo)致地下水位上升而產(chǎn)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(huán)境問題產(chǎn)生初期不可預(yù)知, 形成機(jī)理無法模擬研究以及時間、場景不可再現(xiàn)等原因, 水文地質(zhì)環(huán)境問題的研究始終處于滯后的局面, 也始終在環(huán)境問題嚴(yán)重了以后才開始進(jìn)行分析研究。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有虛擬事物不同發(fā)展過程的能力, 可以虛擬已經(jīng)存在的事物, 也可以虛擬不存在的事物, 可以虛擬事物過去的存在狀態(tài), 也可以虛擬其發(fā)展過程。因此通過實(shí)時的動態(tài)的虛擬, 可以對事物的發(fā)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(huán)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(fā)展規(guī)律的虛擬表達(dá)隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)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(dǎo)致地下水位持續(xù)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(qū)不斷加大, 因此產(chǎn)生的環(huán)境問題也越來越多, 后果也越來越嚴(yán)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(xiàn)實(shí)技術(shù)的三維立體表達(dá)功能和實(shí)時動態(tài)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(guān)系, 真實(shí)地實(shí)時表現(xiàn)隨著地下水開采量的增加、地下水補(bǔ)給量的獲得和地下水降落漏斗的擴(kuò)展?fàn)顩r和擴(kuò)展形態(tài), 為水資源的管理和持續(xù)利用提供三維的、實(shí)時的與實(shí)際相符的依據(jù)。

 

  地面沉降的實(shí)時監(jiān)測表達(dá)地面沉降是大量開發(fā)利用地下水而導(dǎo)致的最為嚴(yán)重的環(huán)境地質(zhì)問題之一。到目前為止對于地面沉降的機(jī)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(huán)境條件的限制太多, 不能夠?qū)ζ湫纬蓷l件進(jìn)行現(xiàn)場的模擬和試驗(yàn), 使地面沉降僅限于理論上的研究和計算,而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)則可以利用計算機(jī)的虛擬現(xiàn)實(shí)世界, 真實(shí)地再現(xiàn)地面沉降的歷史現(xiàn)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(shí)驗(yàn)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(huán)境, 在計算機(jī)中不斷改變條件, 完善、完成虛擬地面沉降模型的建設(shè)。

 

  在建立地面沉降虛擬實(shí)驗(yàn)室以后, 對不同條件下, 地面沉降可能的發(fā)生、發(fā)展過程進(jìn)行進(jìn)一步的研究和預(yù)測, 真實(shí)地實(shí)時地表現(xiàn)地面沉降的發(fā)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(chǎn)生的環(huán)境地質(zhì)問題。因此, 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對于地面沉降的機(jī)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(dǎo)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(guān)系, 通過對地下水位變化的虛擬和土壤層含水量的表達(dá), 可以動態(tài)地表現(xiàn)地下水位的下降、降落漏斗的擴(kuò)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(jī)理, 對地下水可持續(xù)開發(fā)利用和相對減少和減輕可能產(chǎn)生的環(huán)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(zhì)、水文地質(zhì)環(huán)境的變化會導(dǎo)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(dǎo)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(xiàn)實(shí)技術(shù), 建立地區(qū)的蒸發(fā)量與土壤水分的關(guān)系, 根據(jù)氣候條件和地下水位、地下水水質(zhì)演變過程進(jìn)行虛擬, 可以不斷跟蹤和不斷預(yù)測區(qū)域土壤鹽漬化的發(fā)展過程。為環(huán)境的監(jiān)測和改善管理提供重要的依據(jù)。

 

  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(dǎo)致地下水位抬升, 又因?yàn)榕潘粫? 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(guī)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(shè)計中沒有考慮而造成的。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在規(guī)劃設(shè)計之初, 建立地區(qū)的虛擬現(xiàn)實(shí)模型, 虛擬出水利工程上馬以后各種環(huán)境條件變化及對周圍環(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(dá)靠近海邊的地區(qū), 由于地下水的開發(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(xiàn)實(shí)技術(shù)可真實(shí)地再現(xiàn)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(guī)劃

 

  虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在最開始主要用于小區(qū)的規(guī)劃方面, 這種功能在目前及以后的水資源規(guī)劃和水源地建立時同樣為規(guī)劃設(shè)計提供了一個非常好的平臺。

 

  在水資源開發(fā)利用之初, 利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立水資源開發(fā)利用區(qū)的環(huán)境條件、水文地質(zhì)條件等, 在規(guī)劃開始, 將各種規(guī)劃方案和由此而產(chǎn)生的環(huán)境變化結(jié)果虛擬出來, 使水資源規(guī)劃方案能夠更完善, 真正實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用。

 

  4 虛擬現(xiàn)實(shí)模型的研究步驟

 

  建立虛擬現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)庫根據(jù)虛擬的要求、實(shí)際數(shù)據(jù)特點(diǎn)建立數(shù)據(jù)庫。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以海量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ), 數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫的同時也要考慮進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的計算機(jī)硬件的水平。

 

  建立三維地質(zhì)模型建立數(shù)據(jù)庫以后, 首先考慮建立靜態(tài)的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型, 任何水文地質(zhì)問題都與地質(zhì)條件有著極為密切的關(guān)系, 所以地質(zhì)模型是水文地質(zhì)模型的基礎(chǔ)。

 

  建立地下水水流模型在地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上,建立地下水流模型, 地下水流模型應(yīng)是經(jīng)過調(diào)參和驗(yàn)證的模型, 表現(xiàn)的是地下水流在空間上隨時間的變化過程。

 

  建立專業(yè)模型根據(jù)所要虛擬的內(nèi)容和所要解決的實(shí)際問題, 建立專業(yè)模型。專業(yè)模型是為表達(dá)某一項(xiàng)特殊的目的而建立的, 如要表達(dá)地面沉降, 則需要建立地面沉降模型, 如需要表達(dá)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(yùn)移模型等。

 

  實(shí)時預(yù)測模型虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)區(qū)別于其他的計算機(jī)表達(dá)形式的一方面是其沉浸感, 另一方面是其實(shí)時的功能。利用其實(shí)時表現(xiàn)功能, 將所建立的模型實(shí)時運(yùn)轉(zhuǎn)起來, 可以對其所研究的水文地質(zhì)內(nèi)容進(jìn)行實(shí)時預(yù)測、分析和表達(dá)。實(shí)時預(yù)測是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)區(qū)別于其他三維立體表達(dá)的一個重要方面。

 

  綜上所述, 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一種計算機(jī)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(yùn)移機(jī)理和由地下水開發(fā)利用導(dǎo)致的環(huán)境地質(zhì)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(zhì)現(xiàn)象提供了三維立體表達(dá)、科學(xué)可視化開辟了一個新的方向。