摘要：向家壩水電站是金沙江流域水電開發(fā)中的重要控制性工程。該工程地質構造復雜，勘測數(shù)據(jù)龐大，地質工作者很難對其工程巖土體的分布規(guī)律有一個整體和直觀的把握。為了適應這一當代巨型水電工程建設的需要，作者利用虛擬現(xiàn)實技術（VR）與三維建模技術，建立了向家壩VII壩址虛擬漫游信息系統(tǒng)（VRGIS），實現(xiàn)了對壩址區(qū)三維地質模型的手動和自動虛擬漫游，對地層、斷層、水位面的實時查詢，對模型的任意切剖、輸出等功能，這對直觀地反映場地地質信息的分布，整體把握場區(qū)地質構造輔助工程決策具有積極意義。該套系統(tǒng)在向家壩水電站的成功應用表明，其應用前景十分廣闊。
關鍵詞：VRGIS 虛擬現(xiàn)實 GIS 三維地質建模 向家壩水電站 1.前言當今社會已步入信息化時代，計算機信息管理的水平，已成為衡量大型工程現(xiàn)代化施工管理水平的重要標志之一。在大型工程的建設過程中，勘測資料、設計資料、施工資料、驗收資料等數(shù)據(jù)量浩如煙海，這就給收集、匯總、查找工作帶來了極大不便，而且，資料的管理不善還會延誤工期，造成不必要的國民經(jīng)濟損失，這是業(yè)主和施工管理者面臨的一大難題。因此，對重大工程來說，建立一個適合自身需要的信息管理系統(tǒng)勢在必行1,2。向家壩水電站位于金沙江下游，是金沙江流域水電開發(fā)中的重要控制性工程。其設計正常蓄水位380.00ｍ，最大壩高161m，總裝機容量6000MW。該工程地質構造復雜，勘測數(shù)據(jù)龐大，地質工作者很難對其在工程巖土體中的分布規(guī)律有一個整體和直觀的把握，為了適應這一當代巨型水電工程建設的需要，提高地質工作者的工作效率，促進可變更設計與信息化施工等新技術的推廣和應用，利用三維建模技術3,4與虛擬現(xiàn)實技術，建立一個VRGIS系統(tǒng)是極為必要的。 領域用途科學視覺化數(shù)學、物理、化學、生物、考古、地質演化、災害模擬、行星表面重建，虛擬風洞試驗，分子結構分析醫(yī)學外科手術，遠程遙控手術，身體復建，虛擬超音波影像，藥物合成教育虛擬天文館，遠程教學，虛擬實習藝術虛擬博物館，音樂商業(yè)電傳會議，電話網(wǎng)路管理，空中交通管制景觀模擬建筑設計，室內設計，工業(yè)設計，地形地圖軍事飛行模擬，軍事演習，武器操控太空太空訓練，太空載具駕駛模擬機械人機械人輔助設計，機械人操作模擬，遠程操控工業(yè)電腦輔助設計娛樂電腦游戲
2. VR與VRGIS 2.1 VR技術虛擬現(xiàn)實技術(Virtual Reality，VR)是一種在計算機圖形學、計算機仿真、傳感技術、顯示技術等多種學科交叉融合的基礎上發(fā)展起來的計算機技術，最早可以追溯到美國學者Ivan Sutherland于1965年所發(fā)表的論文');">論文“終極顯示”（Ultimate Display）5。經(jīng)歷了20余年的發(fā)展，該技術已經(jīng)廣泛地應用于許多行業(yè)中，如表1所示。它具有以下三個基本特征：
（1）沉浸性。虛擬現(xiàn)實技術是根據(jù)人類的視覺、聽覺的生理心理特點，由計算機產(chǎn)生逼真的三維立體圖像．使用者戴上頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套等交互設備，便可將自己置身于虛擬環(huán)境中，達到身臨其境的感覺。
（2）交互性。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的人機交互是一種近乎自然的交互，使用者不僅可以利用電腦鍵盤、鼠標進行交互，而且能夠通過特殊頭盔、數(shù)據(jù)手套等傳感設備進行交互。計算機能根據(jù)使用者的頭、手、眼、語言及身體的運動，對虛擬環(huán)境中的對象進行考察或操作。
（3）多感知性。由于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中裝有視、聽、觸、動覺的傳感及反應裝置，因此，使用者在虛擬環(huán)境中可獲得視覺、聽覺、觸覺、動覺等多種感知，從而達到身臨其境的感受。
2.2 VRGISVRGIS(Virtual Reality Geography Information System) 6是地理信息系統(tǒng)與虛擬現(xiàn)實技術相結合的產(chǎn)物，是目前地理信息系統(tǒng)和虛擬現(xiàn)實技術研究的熱點和前沿方向之一。盡管GIS和VR技術的發(fā)展可追溯到20世紀60—70年代，但是，第一個較為成功的VRGIS卻出現(xiàn)在90年代初期，是美國僑治亞州教育學院的校園環(huán)境信息系統(tǒng)。從那以后，出現(xiàn)了大量的關于VR和GIS相結合的應用和理論研究，VRGIS日益引人注目。 簡單地說，VRGIS可看作一個特殊的“傳統(tǒng)型”GIS，它具有傳統(tǒng)GIS系統(tǒng)所具有的空間數(shù)據(jù)的存儲、處理、查詢和分析等功能，只是將VR技術作為主要的用戶界面和交互方法。根據(jù)Faust在1993年提出的VRGIS概念，一個理想的VRGIS應具有以下幾個方面的特征：
（1）空間數(shù)據(jù)的真實表現(xiàn)；
（2）用戶可從任意角度進行觀察、浸入、實時交互，可在所選擇的地理范圍內外自由移動；
（3）具有基于三維空間數(shù)據(jù)庫的基本GIS功能；
（4）可視化部分作為用戶接口是一個自然而完整的部分。
4.VRGIS在向家壩水電站工程應用
4.1系統(tǒng)功能需求 向家壩水電站地處松潘甘孜褶皺與揚子地臺的交接部位，地質歷史時期經(jīng)歷了復雜的構造演化過程，地層出露齊全、地質造構復雜。大量工程實踐證明，重大工程的前期工程地質勘測起著舉足輕重的作用，地質構造不查清，重要不良地質現(xiàn)象被忽視，往往是工程事故的隱患。對于工程設計與勘測部門來說，不僅要搞清工程區(qū)的地層分布情況、巖土物理力學參數(shù)，更要清楚工程區(qū)的巖體結構與不良地質情況對工程設施的影響，并據(jù)此提出相應的工程處理措施。為了滿足向家壩水電站可行性研究階段勘測設計的需要，作者利用虛擬現(xiàn)實技術（VR）與三維建模技術，建立了向家壩VII壩址虛擬漫游信息系統(tǒng)（VRGIS），這對輔助工程決策、壩址地質分析和預測，有著十分積極的意義。
4.2系統(tǒng)開發(fā)步驟簡介首先，作者對已有的鉆孔數(shù)據(jù)進行整理，建立一個龐大的鉆孔數(shù)據(jù)庫。接下來，定義屬性模板，從而在三維空間中定義鉆孔位置屬性。與此同時，針對一些平面圖、剖面圖數(shù)據(jù)，在AutoCAD環(huán)境下進行預處理及配準工作，從而在三維空間中定義地層、斷層位置屬性。 然后，是系統(tǒng)開發(fā)的關鍵步驟，建立壩址區(qū)的地址模型。通過選取合適的數(shù)據(jù)，建立各個地層面和斷層面、風化面、水位面、基巖與覆蓋層分界面，進而通過地層面建立各個地層的實體模型，用地形表面和覆蓋層裁剪模型，得到向家壩VII壩址的三維地質模型4，如圖2所示。最后，也是本系統(tǒng)開發(fā)最核心步驟，采用三維虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)（VRMap）建立三維虛擬場景。VRMap是一種功能較強的由北京靈圖公司開發(fā)的桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，它的主要功能是提供三維場景虛擬與三維物體管理與查詢的功能，并且提供二次開發(fā)類型庫，使用戶能方便靈活地建立滿足特定要求的三維管理信息系統(tǒng)。采用該系統(tǒng)導入地址模型后，定義場景中的物體（地層、斷層）信息屬性，建立相關的屬性數(shù)據(jù)庫，最終實現(xiàn)信息查詢、圖層管理、虛擬現(xiàn)實操作、場景操作等功能。
4.3虛擬漫游信息系統(tǒng)（VRGIS）主要功能虛擬漫游信息系統(tǒng)是一個集虛擬現(xiàn)實和信息管理為一體的軟件平臺。它能為工程信息管理提供具有三維真實感的實時瀏覽和查詢環(huán)境，使工程與工程地質信息管理的水平躍上一個新臺階。并且可以根據(jù)用戶需要比較容易地裝載不同的工程場景和工程地質模型，開發(fā)滿足不同專業(yè)需求的信息系統(tǒng)。 本信息系統(tǒng)可以與數(shù)據(jù)庫連接，實現(xiàn)信息查詢和信息管理，使用戶在瀏覽過程中可以隨時查詢各個實體的信息，如地層信息、斷層信息等。本信息系統(tǒng)還具有完善的圖層管理功能，用于復雜工程與地質結構的觀察、分析和信息分類管理。本信息系統(tǒng)操作簡便，可以利用鍵盤，完全由用戶手動控制在三維場景中的飛行瀏覽路線。也可以采用自動控制功能，自定義瀏覽路線并在需要的時候自動回放。
4.3.1虛擬漫游虛擬漫游有兩種方式，一種是手動方式，用戶可以使用鍵盤上的四個方向鍵控制漫游的前進、后退、左轉和右轉，使用Home、End、Page Up和Page Down鍵控制漫游視點的升高、降低、俯視和仰視；另一種是自動方式，即用戶可以預先定義一條漫游路徑，在需要漫游時直接播放即可。
4.3.2信息查詢功能 本系統(tǒng)可以與Access等數(shù)據(jù)庫連接，在給虛擬場景中的物體（地層、斷層）定義信息屬性后，在瀏覽的各個階段都可以隨時查詢各個物體（地層、斷層）的相關信息。
4.3.3圖層管理功能虛擬場景中的各個物體都可以根據(jù)其性質分別放置在不同的層中，在漫游時可以根據(jù)需要打開或關閉某個或多個圖層，是用戶對信息的把握更加集中。
4.3.4虛擬操作功能場景中的各個物體的位置、方向和比例都可以隨時根據(jù)需要進行調整，對于場景較大范圍的調整也可以采用工具條上的縮放、旋轉、平移等工具進行更加快捷的調整。
5. VRGIS功能應用具有以上功能的VRGIS已在向家壩水水電站的設計單位中南勘測設計研究院內使用，受到好評。其主要成功應用表現(xiàn)為如下幾個方面：
5.1提供了更先進、直觀、易用的勘探資料管理環(huán)境，提高勘探研究成果的技術含量；
5.2可直觀地重新評價原始勘探資料解譯的合理性與正確性，提高勘探成果的水平；
5.3 對已有勘探成果進行很好的展示，為各種匯報提供高度濃縮和有影響力的素材；
5.4 有利于領導、經(jīng)營、設計、地質與科研人員進行充分交流與共同合理決策；
5.5 有助于確定更合理、更經(jīng)濟的地質工作補充與加深的勘探方案；
5.6 更利于進行合理的地質分析、推測與預測；
5.7 為工程地質分析評價、巖體穩(wěn)定分析、設計與施工等工作提供很好的基礎。
6. 結語 虛擬現(xiàn)實與信息系統(tǒng)有機結合的VRGIS，是解決大型工程資料管理的一種有效途徑，它可以在工程規(guī)劃階段，滿足動態(tài)規(guī)劃和布局的需要，能充分利用工程前期勘探資料，并為合理布置正式勘探工作，節(jié)約工程勘探投資和設計施工成本提供幫助。另外該系統(tǒng)可以根據(jù)需要靈活裝載其它地質模型，其應用前景十分廣闊，并且已在機場建設，公路設計及其它水電工程中獲得了成功應用。參考文獻：1. 劉大安，楊志法，柯天河等，2000年，綜合地質信息系統(tǒng)及其應用研究，巖土工程學報，22（2）：182～1852. 劉大安，劉小佳，1997，地質工程監(jiān)測信息系統(tǒng)開發(fā)，工程地質學報.，5(4)：351～3563. Liu Da’an, Zhang Juming and Wang Sijing, 2002, Constrained fitting of faulted bedding planes for three-dimensional geological modeling, Advances in Engineering Software, 33, 817-824.4. 潘煒，劉大安，鐘輝亞等，2004年，三維地質建模以及在邊坡工程中的應用，巖石力學與工程學報，34(4)：597～6025. 李孝東，2002年，虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展及其在礦業(yè)中的應用，煤炭技術，21(12)：1～36. 鄧紅艷，武芳，殷暢，2002年，虛擬現(xiàn)實地理信息系統(tǒng)（VRGIS）－GIS研究的新領域，計算機應用研究，(9)：33～35
