基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的流域大壩典型邊坡時(shí)空數(shù)據(jù)可視化模型研究

沈定斌，孫川良，馮 俊，張榮鑫

(1.國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610016；2.廣州亮風(fēng)臺(tái)信息科技有限公司，廣東 廣州 510653)

0 引 言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究最早可追溯到20世紀(jì)60年代，當(dāng)時(shí)有人認(rèn)為人類可以將顯示屏作為一扇窗戶，通過顯示屏觀察計(jì)算機(jī)中存在的虛擬世界，其難點(diǎn)在于如何確保顯示屏中圖像的真實(shí)感，而且圖像中物體的行為也同樣要具有較強(qiáng)的真實(shí)感[1-2]。直到上世紀(jì)末，美國科學(xué)家才正式提出虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。隨后隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速崛起，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在世界范圍中得到發(fā)展[3]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)際上是在計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、圖像學(xué)、多媒體技術(shù)上發(fā)展起來的，應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、軍事、航天事業(yè)中。但實(shí)際上，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還沒有一個(gè)準(zhǔn)確的定義，通常情況下，可將其定義為建立和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過計(jì)算機(jī)構(gòu)建虛擬環(huán)境，利用聽覺、視覺、觸覺等感官對(duì)用戶發(fā)生作用，使用戶產(chǎn)生身臨其境的現(xiàn)實(shí)交互感覺[4- 6]?？梢暬夹g(shù)主要用于文本信息高效組織，通過抽取轉(zhuǎn)換信息對(duì)象，再實(shí)行高度抽象整合，使用動(dòng)畫、圖形或圖像的方式對(duì)信息對(duì)象特征實(shí)行表達(dá)，降低信息瀏覽的盲目性，節(jié)省操作時(shí)間[7]。

我國領(lǐng)土幅員遼闊，江河湖海密布，眾多河流湖泊都在高山峽谷中穿行，水利水電工程以及流域大壩建造環(huán)境越來越復(fù)雜，邊坡高度也越來越大。為提升邊坡的穩(wěn)定性，諸多研究者對(duì)此進(jìn)行了研究，有學(xué)者設(shè)計(jì)了一種針對(duì)走滑斷層區(qū)域公路邊坡的北斗監(jiān)測方法，該方法使用北斗自動(dòng)檢測技術(shù)，通過遙感實(shí)現(xiàn)邊坡情況的監(jiān)測，但該系統(tǒng)受自然因素影響較大，導(dǎo)致監(jiān)測結(jié)果的穩(wěn)定性不佳[8]；還有學(xué)者提出一種露天礦高陡邊坡物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測方法，通過構(gòu)建多層多代理分布的系統(tǒng)拓?fù)淠Ｐ蛯?duì)邊坡進(jìn)行監(jiān)測，但該方法的結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，存在響應(yīng)時(shí)間方面的缺陷[9]。除此之外，地質(zhì)問題需要從空間和時(shí)間2個(gè)維度映射數(shù)據(jù)信息，以提升監(jiān)測結(jié)果的全面性，但以上方法僅從1個(gè)維度反映信息構(gòu)成，難以對(duì)地質(zhì)問題進(jìn)行全面表現(xiàn)，不能滿足高度發(fā)展的信息速度需求，起到提供全面監(jiān)測信息的作用。

為解決以上問題，從時(shí)間、空間雙重維度對(duì)流域大壩典型邊坡進(jìn)行監(jiān)測，本文利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，設(shè)計(jì)一種流域大壩典型邊坡時(shí)空數(shù)據(jù)可視化模型，以期為提高流域大壩邊坡檢測效率以及提升流域大壩邊坡穩(wěn)定性提供一定幫助。

1 流域大壩典型邊坡時(shí)空數(shù)據(jù)可視化模型構(gòu)建

本文采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)流域大壩典型邊坡實(shí)行建模，建模完成后，構(gòu)建三維時(shí)空數(shù)據(jù)模型，從時(shí)空角度出發(fā)，實(shí)現(xiàn)流域大壩典型邊坡精確時(shí)空虛擬現(xiàn)實(shí)可視化。

1.1 三維時(shí)空模型構(gòu)建

首先采用時(shí)空數(shù)據(jù)模型對(duì)時(shí)間、空間相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行描述[10]，依據(jù)時(shí)空數(shù)據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)可視化需求構(gòu)建三維時(shí)空模型。模型結(jié)構(gòu)見圖1。

三維時(shí)空模型可將河流、邊坡、地形等地理信息在某時(shí)間下的狀態(tài)定義成模型中的最小單元對(duì)象，并與表示UserID關(guān)聯(lián)的數(shù)個(gè)時(shí)間狀態(tài)對(duì)象共同構(gòu)成一個(gè)時(shí)空過程。各個(gè)狀態(tài)對(duì)象均能表示此時(shí)空過程在某個(gè)時(shí)刻或時(shí)間段的形態(tài)，每個(gè)ID是各狀態(tài)對(duì)象的位移標(biāo)識(shí)[11]。各狀態(tài)對(duì)象都包含時(shí)間和空間信息，在本文構(gòu)建的模型中，空間信息是流域大壩典型邊坡模型，時(shí)間信息是記錄狀態(tài)持續(xù)時(shí)間的起始。本文設(shè)計(jì)的三維時(shí)空模型將狀態(tài)對(duì)象的有效持續(xù)時(shí)間設(shè)定為“出現(xiàn)時(shí)間”至“消失時(shí)間”這一時(shí)間段。該時(shí)間段是由當(dāng)前狀態(tài)時(shí)刻記錄被下一狀態(tài)時(shí)刻記錄減去而獲得的。

為實(shí)現(xiàn)時(shí)空數(shù)據(jù)的可視化，需要對(duì)時(shí)空過程的時(shí)間差值進(jìn)行模擬，依據(jù)前一個(gè)狀態(tài)變化到后一個(gè)狀態(tài)的時(shí)間長短，采用“開始”至“完成”的時(shí)間段表示“出現(xiàn)”和“消失”2個(gè)時(shí)間外延變化過程所花費(fèi)的時(shí)間。為盡量貼合實(shí)際記錄狀態(tài)出現(xiàn)和消失的過程，添加2個(gè)模擬時(shí)間段，以解決可視化中出現(xiàn)的“突變”和“跳躍”現(xiàn)象。

為實(shí)現(xiàn)時(shí)空篩選，在可視化渲染管線內(nèi)遍歷檢查全部場景的節(jié)點(diǎn)包圍體，檢查包圍體空間范圍是否存在于視口中。經(jīng)空間篩選，在渲染列表中添加需繪制的實(shí)體，在時(shí)間維采用空間篩選的思路，檢查場景內(nèi)全部節(jié)點(diǎn)的持續(xù)時(shí)間，分析當(dāng)前視口時(shí)間是否在持續(xù)時(shí)段中，并經(jīng)時(shí)間篩選得出需繪制的實(shí)體，實(shí)現(xiàn)靈活切換不同的時(shí)間數(shù)據(jù)。

經(jīng)時(shí)空篩選，提升時(shí)空數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)可視化效果，隨著變換時(shí)間切換時(shí)空數(shù)據(jù)，最終效果類似幻燈片播放的動(dòng)態(tài)可視化。由于一旦出現(xiàn)時(shí)間跳躍會(huì)導(dǎo)致可視化失真，時(shí)空切換不平滑[12]，為解決這一問題，本文采用時(shí)間差值作為時(shí)空過程模擬方法，計(jì)算前一時(shí)間和后一時(shí)間之間的時(shí)間間隔，以時(shí)間為基礎(chǔ)的線性差值公式為

(1)

式中，A(t)為任意變量或函數(shù)在t時(shí)刻下的值；Tb與Te分別表示前一時(shí)間和后一時(shí)間。采用時(shí)空模型模擬的出現(xiàn)過程與消失過程，模擬出鄰近時(shí)空數(shù)據(jù)變化過程，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)平滑過渡，從而模擬時(shí)空切換過程[13]。

1.2 流域大壩典型邊坡時(shí)空可視化模型構(gòu)建

采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建流域大壩典型邊坡可視化模型，以展現(xiàn)邊坡實(shí)體幾何結(jié)構(gòu)和拓?fù)潢P(guān)系。邊坡工程時(shí)空數(shù)據(jù)的表達(dá)方式是構(gòu)建邊坡虛擬現(xiàn)實(shí)可視化模型的基礎(chǔ)[14]。流域大壩邊坡多維巖石結(jié)構(gòu)一般包含地上、地下、地質(zhì)三方面的結(jié)構(gòu)，較為復(fù)雜，建模所需信息量較大，對(duì)可視化要求也較高。為解決這些問題，本文采用常見的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合裁剪NURBS(非均勻有理B樣條)曲面與B-Rep(邊界表示法)構(gòu)建邊坡虛擬現(xiàn)實(shí)可視化模型，邊坡三維模型邊界曲線和NURBS曲面裁剪采用NURBS結(jié)構(gòu)，裁剪NURBS曲面空間拓?fù)潢P(guān)系采用B-Rep實(shí)體數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)。

1.2.1 裁剪NURBS結(jié)構(gòu)

(2)

任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜自由曲面難以采用常規(guī)的塊狀NURBS全面表示，曲面參數(shù)空間定義曲線裁剪NURBS曲面得到裁剪NURBS曲面[15]。符合以下約定才能實(shí)現(xiàn)裁剪NURBS曲面：①曲面環(huán)內(nèi)部出現(xiàn)保留是因?yàn)槊嫦蚰鏁r(shí)針循環(huán)裁剪曲線環(huán)，如果順時(shí)針循環(huán)裁剪NURBS曲面則得到曲線環(huán)外部保留。②復(fù)合裁剪曲線環(huán)可以出現(xiàn)在同1個(gè)裁剪曲面中，前提是最外邊界的曲線環(huán)始終保持面向逆時(shí)針。③參數(shù)空間正視圖方向由v軸定義，u是曲線環(huán)的面向。流域大壩典型邊坡時(shí)空數(shù)據(jù)可視化過程中的大多數(shù)地質(zhì)模型都可以通過裁剪NURBS曲面實(shí)現(xiàn)模型結(jié)構(gòu)界面進(jìn)行表達(dá)。

1.2.2 B-Rep半邊結(jié)構(gòu)

為減少流域大壩典型邊坡時(shí)空數(shù)據(jù)運(yùn)算花費(fèi)時(shí)間，本文采用B-Rep(翼邊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)邊界表示法)描述1條邊和對(duì)應(yīng)的4條鄰邊、2個(gè)頂點(diǎn)以及2個(gè)鄰面拓?fù)潢P(guān)系之間的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。采用翼邊結(jié)構(gòu)確定當(dāng)前邊所處的面和環(huán)存在一定困難，所以需要采用改進(jìn)的翼邊結(jié)構(gòu)，將1條邊分成2條半邊，2條半邊各自屬于各自相鄰的邊環(huán)，構(gòu)成1個(gè)整體的半邊結(jié)構(gòu)。Loop、Face、Half Edge、Solid以及Vertex等5個(gè)層次組成半邊結(jié)構(gòu)的實(shí)體模型數(shù)據(jù)，方便查詢組成元素的相關(guān)信息，保證不修改實(shí)體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)實(shí)體局部操作。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相同的物體可采用統(tǒng)一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述形狀和尺寸，同時(shí)附加其他非幾何信息在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，從而實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展與信息融合。另外，B-Rep結(jié)構(gòu)可采用邊界面定義實(shí)體來實(shí)現(xiàn)描述幾何對(duì)象。在B-Rep結(jié)構(gòu)中，邊界可以是任何1個(gè)自由曲面、邊。因此，在對(duì)流域大壩典型邊坡實(shí)行三維建模時(shí)，需要通過裁剪NURBS曲面構(gòu)成地質(zhì)、地形和地理，采用B-Rep簡化邊坡局部區(qū)域。采用歐拉函數(shù)對(duì)較復(fù)雜的邊坡工程進(jìn)行洞室、地質(zhì)和地面等對(duì)象實(shí)體的構(gòu)建，從而完成相關(guān)數(shù)據(jù)的可視化展現(xiàn)。至此，完成流域大壩典型邊坡時(shí)空數(shù)據(jù)可視化模型的構(gòu)建。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文構(gòu)建模型的效果，以三峽大壩作為研究對(duì)象，將該大壩邊坡數(shù)據(jù)輸入模型中，以實(shí)現(xiàn)時(shí)空數(shù)據(jù)的可視化。三峽大壩全長約3 335 m，壩頂高程185 m，于2018年發(fā)電量突破1 000億kW·h，創(chuàng)單座電站年發(fā)電量新的世界紀(jì)錄，是目前世界上最大的水力發(fā)電工程，供電范圍多達(dá)10個(gè)省。雖然大壩建成后造成部分魚類生存環(huán)境的改變，但對(duì)區(qū)域發(fā)展仍具有十分重要的意義。本文選取該項(xiàng)目2018年1月～12月4個(gè)季度的水量變化情況，根據(jù)本文構(gòu)建的基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的流域大壩典型邊坡時(shí)空數(shù)據(jù)可視化模型，得到流域大壩典型邊坡時(shí)空數(shù)據(jù)可視化效果圖。圖2是利用本文模型做出的大壩邊坡范圍中整體環(huán)境隨著時(shí)空變化出現(xiàn)的場景變化。

在系統(tǒng)中隨著切換時(shí)間范圍，第1、4季度為旱季，降水較少，下游進(jìn)入枯水季節(jié)，研究區(qū)域大壩開閘泄洪，水位下降；第3、4季度研究區(qū)域進(jìn)入蓄水期，水位上升。隨著時(shí)間與空間的切換，本文模型始終能準(zhǔn)確呈現(xiàn)出準(zhǔn)確的可視化效果，而且模擬的圖像并未失真，頁面之間平滑切換，具有良好的虛擬現(xiàn)實(shí)效果和可視化效果，既能直接監(jiān)測時(shí)空變換后，流域邊坡的防御能力以及邊坡防護(hù)范圍中水位的變化情況，也能幫助相關(guān)部門實(shí)現(xiàn)流域邊坡的可視化監(jiān)測。

由于本文模型采用裁剪NURBS結(jié)構(gòu)和B-Rep半邊結(jié)構(gòu)，因此可以實(shí)現(xiàn)邊坡的剖切可視化效果，可以通過已有邊坡數(shù)據(jù)生成邊坡斷面地質(zhì)條件的可視化效果圖，有助于監(jiān)測邊坡地質(zhì)變化情況和邊坡物理量變化規(guī)律，分析當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)特性，防止大壩邊坡出現(xiàn)地質(zhì)問題，杜絕安全隱患的出現(xiàn)。圖3為不同測量高度邊坡剖面的可視化效果。從圖3可以看出，本文模型可獲得視覺效果良好的流域大壩典型邊坡剖面可視化圖像，為邊坡安全監(jiān)測工程提供可視化顯示效果，作為地質(zhì)報(bào)告的可靠依據(jù)。

在可視化過程中，數(shù)據(jù)傳輸速度需要達(dá)到60 b/s 才能保證可視化效果圖構(gòu)建效率。為對(duì)比模型性能，同時(shí)將走滑斷層區(qū)域公路邊坡的北斗監(jiān)測方法(對(duì)比方法1)和露天礦高陡邊坡物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測方法(對(duì)比方法2)應(yīng)用于研究區(qū)域的邊坡監(jiān)測分析中，本文系統(tǒng)與對(duì)比系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率對(duì)比見表1。從表1可以看出，對(duì)比方法1僅有2次測試數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到60 b/s，該方法在使用時(shí)卡頓比較嚴(yán)重；而對(duì)比方法2共有6次試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到60 b/s以上，說明在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)差錯(cuò)的情況較少，能實(shí)現(xiàn)基本使用的需求；本文方法的數(shù)據(jù)傳輸速率都達(dá)到60 b/s以上，隨著試驗(yàn)次數(shù)的增加，數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到80 b/s以上，能在更短的時(shí)間內(nèi)完成邊坡時(shí)空數(shù)據(jù)的可視化展現(xiàn)，說明本文方法具有較好的使用體驗(yàn)。

表1 數(shù)據(jù)傳輸速率對(duì)比 b/s

本文方法主要是結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)流域邊坡各項(xiàng)數(shù)據(jù)的可視化，邊坡相關(guān)信息都集中在數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)中，使可視化效果圖加載呈現(xiàn)承受較大的壓力，對(duì)不同數(shù)據(jù)量可視化效果圖加載呈現(xiàn)所耗費(fèi)的時(shí)間進(jìn)行分析，結(jié)果見表2。

表2 效果圖加載呈現(xiàn)耗費(fèi)時(shí)間 s

從表2可以看出，隨著數(shù)據(jù)量的增加，效果圖加載呈現(xiàn)耗費(fèi)時(shí)間也不斷增加，2種對(duì)比方法隨著數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)的增加，加載耗費(fèi)時(shí)間升高較大，當(dāng)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)達(dá)到6 000個(gè)時(shí)，對(duì)比方法1需要耗費(fèi)9.05 s才能加載出可視化效果圖，而本文方法效果圖加載呈現(xiàn)耗費(fèi)時(shí)間保持在4 s以下，能夠提供良好的用戶體驗(yàn)。

3 結(jié) 語

為實(shí)現(xiàn)對(duì)流域大壩典型邊坡的有效監(jiān)控，本文構(gòu)建了三維時(shí)空模型和邊坡虛擬現(xiàn)實(shí)模型，采用裁剪NURBS曲面構(gòu)建邊坡三維虛擬現(xiàn)實(shí)模型，利用半邊B-Rep組織裁剪NURBS曲面的空間拓?fù)潢P(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)流域大壩典型邊坡時(shí)空數(shù)據(jù)的可視化。同時(shí)，本文系統(tǒng)還能通過調(diào)節(jié)選取時(shí)間段切換整個(gè)邊坡的虛擬現(xiàn)實(shí)可視化效果，不僅能展現(xiàn)出整體邊坡的情況，還能展示邊坡內(nèi)部的巖土結(jié)構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)流域大壩典型邊坡的有效監(jiān)控提供幫助。