地質(zhì)勘察虛擬仿真的3C分析

劉軍旗，吳沖龍，毛小平，成秋明

地質(zhì)勘察虛擬仿真的3C分析

劉軍旗1，吳沖龍1，毛小平2，成秋明3

（1.中國地質(zhì)大學資源學院，武漢 430074；2.中國地質(zhì)大學能源學院，北京 100083；3.中國地質(zhì)大學地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點實驗室，武漢 430074）

以水電工程勘察為例，通過詳細分析其實際工作流程、信息處理流程和虛擬仿真在地質(zhì)領域的應用現(xiàn)狀，認為數(shù)據(jù)管理、三維建模和虛擬仿真是目前地質(zhì)勘察虛擬仿真的3個中心（“3C”）：數(shù)據(jù)管理是這一流程所有工作的數(shù)據(jù)流中心，可以在后臺數(shù)據(jù)流范疇以數(shù)據(jù)管理為中心對整個流程進行集成；三維模型是這一過程數(shù)據(jù)分析的應用中心，可以在前臺功能應用范疇以三維模型為中心對整個流程進行集成；虛擬現(xiàn)實是數(shù)據(jù)與模型的展示中心，所有成果的展示都可以通過虛擬現(xiàn)實來表達。這3個中心的結合與集成，可以為地質(zhì)勘察的全程提供有效的數(shù)據(jù)支持和直觀的空間研究支持。

地質(zhì)勘察；虛擬現(xiàn)實；“3C”集成

虛擬現(xiàn)實［1～3］（VR：virtual reality），是“真實世界的一個映像”（a image of real world），是一種借助視覺、聽覺及觸覺創(chuàng)建和體驗虛擬世界（Virtual World）的計算機系統(tǒng)，同時具有沉浸性（immersion）、交互性（interaction）和構想性（imagination），包括數(shù)據(jù)獲取、模型建立和虛擬場景控制三部分。

虛擬現(xiàn)實技術目前已廣泛應用于國防、建筑、工業(yè)設計、醫(yī)學等領域。但是，由于地下地質(zhì)體的抽象性、不可控制性和數(shù)據(jù)獲取不可能充分等問題的存在，VR技術在與地下地質(zhì)體有關的領域中到目前為止還沒有形成一套有效的處理流程。

1 地質(zhì)勘察虛擬現(xiàn)實技術的關鍵問題解析

地質(zhì)勘察虛擬現(xiàn)實技術的關鍵問題包括對所獲取的數(shù)據(jù)和各種成果數(shù)據(jù)的有效管理、三維模型的建立和平面三維向立體三維的轉(zhuǎn)換與顯示。數(shù)據(jù)管理是這一流程的數(shù)據(jù)中心，三維模型是數(shù)據(jù)分析的應用中心，虛擬現(xiàn)實是數(shù)據(jù)與模型的展示中心，這3個中心（“3C”）的結合與集成，可以形成完整的地質(zhì)勘察虛擬現(xiàn)實的技術體系。

1.1 數(shù)據(jù)管理

地質(zhì)勘察過程中涉及到大量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)主要包括可以搜集的歷史數(shù)據(jù)，野外觀測、量測、勘探和現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，室內(nèi)實驗數(shù)據(jù)和通過航測、遙感等手段獲取的數(shù)據(jù)等。這些數(shù)據(jù)依據(jù)時間可以分為歷史數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)和影響數(shù)據(jù)（可能造成的現(xiàn)狀改變后的數(shù)據(jù)），依據(jù)數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式可以劃分為數(shù)字型、字符型［4］、圖形型［5］和多媒體型數(shù)據(jù)。具有多來源、大數(shù)量、多種類、多層次、多維和多應用主題［6］等特點，同時又具有可采集性（或可推斷性）、可存儲性、可管理性、可復制性、可共享性等可信息化的特征。

以水電工程為例，傳統(tǒng)的水電工程地質(zhì)勘察一般分為規(guī)劃階段、可行性研究階段、初步設計階段和施工階段及專門問題勘察階段［7］。其勘察階段、勘察范圍、勘察對象、勘察方法和處理過程可以總結如圖1。

從地質(zhì)勘察的實際工作內(nèi)容與流程上來看，工程勘察包括獲取數(shù)據(jù)和對獲取的數(shù)據(jù)進行分析和總結兩部分工作。在這個過程中，圖件編制和報告編寫等都是圍繞所獲取的數(shù)據(jù)來進行的。

從信息處理角度來看，工程勘察信息處理可以分為數(shù)據(jù)采集與管理和數(shù)據(jù)應用兩部分。所有數(shù)據(jù)應用工作都是基于數(shù)據(jù)才能展開。首先采集數(shù)據(jù)，所有搜集到的數(shù)據(jù)和工程勘探獲取的數(shù)據(jù)都通過數(shù)據(jù)庫來進行管理。二維地質(zhì)圖制作過程是一個從數(shù)據(jù)庫中提取數(shù)據(jù)，對所提取的數(shù)據(jù)進行加工，并把加工好的數(shù)據(jù)（做好的地質(zhì)圖）返回到數(shù)據(jù)庫的過程。三維建模過程是通過提取數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，包括原始數(shù)據(jù)和經(jīng)過二維子系統(tǒng)加工過的數(shù)據(jù)（平面圖、剖面圖等），把提取的數(shù)據(jù)加工成三維模型，并把做好的三維模型返回數(shù)據(jù)庫中進行管理的過程。工程分析、統(tǒng)計、計算、查詢等過程也是提取數(shù)據(jù)、加工并顯示加工過的數(shù)據(jù)的過程，因而數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)庫是整個信息處理過程的基礎和中心。見圖2。

圖1 傳統(tǒng)水電工程地質(zhì)勘察流程圖Fig.1 The traditional geological survey flow chart in hydropower engineering

圖2 以數(shù)據(jù)管理為核心的后臺數(shù)據(jù)組織Fig.2 The data organization taking data management as center

一般來說，以數(shù)據(jù)為中心的集成可以采用兩種方式來進行。一是通過數(shù)據(jù)庫為各種數(shù)據(jù)應用提供接口文件，另一種方法是各種數(shù)據(jù)應用工作直接從數(shù)據(jù)庫中提取需要的數(shù)據(jù)。如三維建模與數(shù)據(jù)管理的集成，以通過鉆探數(shù)據(jù)，采用B-Rep數(shù)據(jù)組織模式進行三維建模為例進行說明（實際建模過程還會用到測繪、洞探、槽坑探等大量數(shù)據(jù)，采用的三維數(shù)據(jù)組織模式也有更多的選擇）：數(shù)據(jù)庫依據(jù)三維建模的需要，提供鉆探數(shù)據(jù)和依據(jù)鉆探數(shù)據(jù)繪制的地質(zhì)剖面、平面等數(shù)據(jù)，建立各個空間層面，如地表面、地下水位面、各級風化界面、各地層層面等等，依據(jù)BRep數(shù)據(jù)組織模式進行各層面的屬性編碼與組織和側(cè)面的封閉等處理，形成初步的三維模型。在這一過程中，三維建模所需要的所有數(shù)據(jù)直接從后臺數(shù)據(jù)庫中提?。òㄣ@探分層數(shù)據(jù)、屬性說明數(shù)據(jù)等和依據(jù)鉆探數(shù)據(jù)經(jīng)過輔助制圖繪制的各種二維成果圖件等），建好后經(jīng)過審查的三維模型又以索引記錄的方式和直接大字段存儲兩種方式存儲在后臺數(shù)據(jù)庫中，從而把三維建模與數(shù)據(jù)管理有機地集成在一起。

1.2 三維建模

三維模型是地質(zhì)體的數(shù)字化重現(xiàn)，地質(zhì)勘察工作就是研究地質(zhì)體的地質(zhì)結構與構造等工作，即地質(zhì)勘察工作都是圍繞地質(zhì)體而展開，因而其信息處理工作也是圍繞三維模型而展開的。

隨著三維可視化技術的逐漸成熟，從工程初期就可以開始建立部分三維模型了，如地表模型可以利用搜集到的數(shù)據(jù)和前期的測繪數(shù)據(jù)來建立。此時平面圖的制作就可以通過地表模型在零平面上的投影而得到，原來在平面圖上進行的勘探布設工作，也可以直接在三維模型上進行了?？梢酝ㄟ^三維模型（開始也許只是一個簡單地表模型）進行勘察數(shù)據(jù)的采集（通過屬性關鍵字把三維模型與屬性數(shù)據(jù)庫關聯(lián)，從而可以通過三維模型來調(diào)用數(shù)據(jù)庫相關處理界面）、處理、切制或編制二維圖，完善三維模型，進行空間分析和工程數(shù)據(jù)統(tǒng)計、計算等多項應用工作。隨著獲取數(shù)據(jù)的逐漸豐富、三維模型的逐漸完善，很多工作就可以直接圍繞三維模型而展開，從而使三維模型成為工程勘察信息處理的應用中心。

空間數(shù)據(jù)模型［8～12］是建立三維地質(zhì)體的核心基礎，就目前研究現(xiàn)狀而言，三維數(shù)據(jù)模型可以分為三類：基于體元的數(shù)據(jù)模型、基于邊界面的數(shù)據(jù)模型和混合型數(shù)據(jù)類型。邊界表示法（B-Rep，boundary representation）是目前三維建模中比較通用的方式之一。其優(yōu)點是表示實體的點、線、面等幾何元素是顯露的，能比較快地繪制出來，并且可方便地對體單元或體單元組合進行多種操作和運算。其缺點是數(shù)據(jù)結構復雜，需要占用大量的存儲空間，對復雜體處理起來要耗費大量的時間，對硬件的要求也較高。

本文采用“二體式”三維數(shù)據(jù)結構。這種結構是對邊界表示法的優(yōu)化與改進，將空間三維實體分為線對象（polyline object）、多邊形對象（polygon object）、曲面對象（surface object）、標注對象（text object）和體對象（volume object）等。實體的三維模型由大量的體單元組成，每個體單元不必都要有完全獨立的各個面，所有相鄰的體單元都有一個共同擁有的公共面，即在“二體式”數(shù)據(jù)結構中，相鄰2個體單元接觸部分的2個面被合并成為1個面，由1個共用面代替2個體單元相接的2個面，構成二體共面結構，所述共用面具有2個體單元的屬性。二體式結構的這種特點，既具有B-Rep模型本身的優(yōu)點，又較好地克服了B-Rep模型占用大量存儲空間的缺點，進而加快了處理速度，并降低了對硬件的要求，有利于三維實體內(nèi)部各種空間位置和拓撲關系的保持，也有利于進一步對三維實體進行矢量剪切［13～15］及動態(tài)演化模擬。

圖3是使用二體式結構的三維模型表達示意圖，為了方便說明，以二維切面圖來進行說明。圖中共有5個分界面，A，BCD，E，F(xiàn)，G，G為透鏡體邊界，包含6個體單元 V 1，V 2，V 3，V 4，V 5，V 6。BCD面與體積單元V 2，V 3，V 4及V 5有關，這時為滿足上述二元結構要求，需將它拆分為B，C及D 3個獨立的面。其中曲面A為體單元V 1和V 2的分界面，界面A里包含V 1，V 2兩個體單元的屬性；分界面E和F尖滅于BCD面，BCD面共涉及了4個體單元，V 2，V 3，V 4，V 5，顯然不符合前述“每個面最多允許鄰接2個體單元”的原則，因此，用分界面E與分界面F在面BCD上的尖滅點（交點）將BCD面一分為三：B面，C面及D面。這樣，分界面B僅涉及2個體單元：V 2和V 3，并將V 2和V 3兩個體單元的屬性賦給B公用面，同理，分界面C賦予V 2和V 4的體拓樸屬性，分界面D賦予V 2和V 5的體拓樸屬性。G涉及V 5和透鏡體V 6，故具有V 5和V 6的屬性。從體單元的角度來看，V 1僅包括曲面A；V 2則由分界面A，B，C，D合圍而成；V 3由分界面B，E合圍而成；V 4由分界面C，E，F(xiàn)合圍而成；V 5由分界面D，F(xiàn)，G合圍而成；透鏡體由分界面G封閉形成。若透鏡體V 6內(nèi)物性還有所不同，可以再給定一個分界面將它劃分為不同的體來繼續(xù)細分該體，直至所有的體單元都滿足“二體式”數(shù)據(jù)結構的要求。

圖3 二體式結構的三維模型表達示意圖Fig.3 3D model drawing of two-body style structure

圖4 是依據(jù)二體式結構原理建立的三維模型。其具體建模過程是：先建立一個包含研究區(qū)域的簡單空間體（如單一的長方體），再建立各個層面，如圖3中的A面，BCD面，E，F(xiàn)，G等各層面，用每個層面（曲面）分別通過矢量剪切技術分割包含整個勘察對象的簡單空間體，使簡單空間體逐漸被剪切成與勘察數(shù)據(jù)符合的復雜地質(zhì)體的過程。如用A面剪切，可以把包含研究區(qū)域的簡單長方體分為V 1和V 2（此時的V 2包含了V 1以外的全部）2個體，再用BCD面剪切，使V 2進一步細分為圖3中的V 2和BCD面以下部分（含V 3，V 4，V 5，V 6），依次類推，從而把初始的簡單空間體剪切成符合要求的地質(zhì)體三維模型。在這一由簡單到復雜的建模過程中，所有的體單元始終必須滿足“二體式”數(shù)據(jù)結構的要求。

圖4 依據(jù)二體式結構原理建立的三維模型Fig.4 3D model built by two-body structure principle

1.3 虛擬現(xiàn)實

地質(zhì)體虛擬仿真是把地質(zhì)體二維或三維數(shù)據(jù)從外視的平面三維轉(zhuǎn)換為內(nèi)視的立體三維，使人產(chǎn)生身臨其境的沉浸感，有利于更全面、更深入地觀察與分析研究對象。

平面三維到立體三維的轉(zhuǎn)換至少要滿足3個條件：有透視效果、有正確的明暗虛實變化和雙眼的空間定位效果。傳統(tǒng)的顯示方式可以實現(xiàn)前兩點卻無法實現(xiàn)第三點。因而，立體顯示技術也就是能夠再現(xiàn)空間定位感的顯示技術。立體顯示技術主要有分色、分光、分時和光柵［16～18］4種。

本文把地質(zhì)體的三維仿真分為3個層次：簡單轉(zhuǎn)換方式、靜態(tài)演示方式和動態(tài)分析方式。簡單轉(zhuǎn)換方式是利用現(xiàn)有仿真軟件，對一些簡單的成果直接轉(zhuǎn)換，適用于對場景類或簡單演示類的成果進行加工演示；靜態(tài)演示方式是開發(fā)出可以對需要的靜態(tài)成果以一定的既定方式進行演示的立體仿真演示軟件，適用于以既定的順序?qū)Χ鄠€靜態(tài)模型進行順序演示；動態(tài)分析方式是對地質(zhì)行業(yè)常用的軟件進行立體仿真改造或編制轉(zhuǎn)換接口，適用于實時分析演示，對計算機的性能、硬盤調(diào)用速度和網(wǎng)絡傳輸速度（帶寬）有較高的要求。圖5是把圖4進行立體轉(zhuǎn)換后的立體三維圖，通過立體眼鏡或三維仿真設備可以看到鮮明的立體感（因不同設備的最佳設置不同，其他類似設備觀察的效果會有所區(qū)別）。

圖5 可內(nèi)視的立體三維示意圖Fig.5 The 3D model for virtual reality

本部分的主要技術是立體像對的產(chǎn)生和立體輸出技術。立體像對的產(chǎn)生即三維場景的立體顯示是把要顯示的所有對象轉(zhuǎn)化為立體像對，使畫面具有立體感，從而為虛擬現(xiàn)實的逼真輸出奠定基礎；立體輸出技術是把產(chǎn)生的立體像對通過虛擬現(xiàn)實設備表達出來，營造一種身臨其境的沉浸感。

實現(xiàn)基于雙眼視覺的立體顯示需要經(jīng)過2個步驟，首先，通過間隔渲染出供左眼和右眼觀看的畫面，然后將它們輸送給雙眼，給左眼觀看的畫面只能讓左眼看到，給右眼觀看的畫面只能讓右眼看到。在輸送時不需要刻意的調(diào)節(jié)兩套畫面的差距，只要能將獲得的片源（畫面）按要求輸送給雙眼，就會產(chǎn)生與畫面對應的立體感了。

2 結論

在地質(zhì)勘察信息處理過程中，有3個中心（“3C”）值得關注：數(shù)據(jù)管理、三維模型和虛擬仿真。數(shù)據(jù)管理是整個勘察流程的數(shù)據(jù)中心，是三維模型建立和地質(zhì)體虛擬仿真展示的基礎；三維模型是地質(zhì)勘察信息處理的應用中心；地質(zhì)體虛擬仿真是地質(zhì)勘察信息處理的展示中心。地質(zhì)勘察信息處理的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)管理、查詢檢索、統(tǒng)計計算、報告報表生成、勘察圖件生成、三維模型建立、三維虛擬仿真、三維空間分析評價等工作以這3個中心進行集成和結合，可以有效地把工程勘察的各項信息處理工作集成為一個完整的技術體系，為工程勘察的全程提供直觀地支持與服務。

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“3 Centers”in Geological Survey of Virtual Reality

LIU Jun-qi1，WU Chong-long1，MAO Xiao-ping2，CHENG Qiu-ming3
（1.State Key Laboratory of Geological Process and Mineral Resources，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China；2.Energy Sources College，China University of Geosciences，Beijing 100083，China；3.State Key Laboratory of Geological Process and Mineral Resources，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China）

Taking the exploration of hydroelectric projects as an example，authors analyse its actual working flow process，information processing procedure and the current application situations of virtual reality in geological field，and get the conclusion that data management，three-dimensional modeling and virtual reality are three centersi.e.“3C”called by the paper，in the geological exploration at present.The data management is the dataflow centre of all this procedure work，the three dimensional model is the application centre of data analysis of this course，the virtual reality is the exhibition centre of the data and model.The combination and integration of these three centers can provide effective data support and visible space research support in the whole geological exploration.

geological exploration；virtual reality；“3C”integration

TP391.9

A

1001-5485（2009）04-0048-05

2008-04-23；

2008-12-20

劉軍旗（1971-），男，陜西興平人，博士，中國地質(zhì)大學（武漢）國家重點實驗室，主要從事地學信息方面的研究工作，（電話）13349849192（電子信箱）Liujqg＠126.com

（編輯：劉運飛）

第四屆全球華人巖土工程論壇

4thGEO-WCS 2009

（2009年8月20-22日，中國武漢）第一號通知

“第四屆全球華人巖土工程論壇（4thWorld Forum of Chinese Scholars in Geotechnical Engineering）”由長江水利委員會長江科學院和中國科學院武漢巖土力學研究所共同主辦，將于2009年8月20-22日在中國武漢召開。

本屆論壇宗旨是：（1）加強全球華人巖土工程學者的學術交流，將海外華人巖土工程學者的最新研究進展及時介紹到中國，同時也促進海外華人學者對祖國大陸巖土工程建設發(fā)展的了解；（2）促進全球華人巖土工程學者之間的聯(lián)系，探討巖土工程研究的重大基礎性問題，提高試驗技術裝備開發(fā)與應用水平，爭取開展聯(lián)合研究，增強華人學者在國際巖土工程界的影響。

本屆論壇根據(jù)目前巖土工程界的熱點問題，擬分6個分論壇（非飽和膨脹土特性及工程處理技術；地下工程中的巖土力學問題；深厚軟土地基上建（構）造物沉降變形規(guī)律與災害控制；地震作用下土工建（構）造物破壞機理與災害控制；高土石壩工程中的巖土力學問題；海洋土的工程及力學特性），邀請國內(nèi)巖土力學界知名的華人專家進行集中討論，重點是交流思想，形成共識，促成合作。除大會論文交流外，重點結合巖土工程學科前沿和國家需求凝練重點科學問題，提出基礎研究思路和建議合作方式，形成紀要供國家相關部門決策參考。會后組織與會專家對南水北調(diào)中線工程進行技術考察，線路如下：

丹江水庫—膨脹土（巖）渠坡處理試驗段工程（南陽膨脹土試驗段、新鄉(xiāng)膨脹巖試驗段）—穿黃隧道工程。

我們熱誠歡迎全球巖土工程界的華人學者參加本屆論壇進行交流！

聯(lián)系方式：“第四屆全球華人巖土工程論壇”組委會

湖北省武漢市黃浦大街23號，長江科學院水利部巖土力學與工程重點實驗室

電話：027-82829818；傳真：027-82926040；

Email：liqingyun6396＠126.com

（摘自《長江科學院網(wǎng)》）