摘要：向家壩水電站是金沙江流域水電開發中的重要控制性工程。該工程地質構造復雜，勘測數據龐大，地質工作者很難對其工程巖土體的分布規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（VRGIS），實現了對壩址區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，整體把握場區地質構造輔助工程決策具有積極意義。該套系統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、驗收資料等數據量浩如煙海，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濟損失，這是業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，勘測數據龐大，地質工作者很難對其在工程巖土體中的分布規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]與虛擬現實技術，建立一個VRGIS系統是極為必要的。

領域 用途 科學視覺化 數學、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 電傳會議，電話網路管理，空中交通管制 景觀模擬 建筑設計，室內設計，工業設計，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 電腦輔助設計 娛樂 電腦游戲

領域

用途

科學視覺化

數學、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

電傳會議，電話網路管理，空中交通管制

景觀模擬

建筑設計，室內設計，工業設計，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

電腦輔助設計

娛樂

電腦游戲

2. VR與VRGIS

2.1 VR技術

虛擬現實技術(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年所發表的論文“終極顯示”（Ultimate Display）[5]。經歷了20余年的發展，該技術已經廣泛地應用于許多行業中，如表1所示。它具有以下三個基本特征：

（1）沉浸性。虛擬現實技術是根據人類的視覺、聽覺的生理心理特點，由計算機產生逼真的三維立體圖像．使用者戴上頭盔顯示器和數據手套等交互設備，便可將自己置身于虛擬環境中，達到身臨其境的感覺。

（2）交互性。虛擬現實系統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、數據手套等傳感設備進行交互。計算機能根據使用者的頭、手、眼、語言及身體的運動，對虛擬環境中的對象進行考察或操作。

（3）多感知性。由于虛擬現實系統中裝有視、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 VRGIS

VRGIS(Virtual Reality Geography Information System) [6]是地理信息系統與虛擬現實技術相結合的產物，是目前地理信息系統和虛擬現實技術研究的熱點和前沿方向之一。盡管GIS和VR技術的發展可追溯到20世紀60—70年代，但是，第一個較為成功的VRGIS卻出現在90年代初期，是美國僑治亞州教育學院的校園環境信息系統。從那以后，出現了大量的關于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“傳統型”GIS，它具有傳統GIS系統所具有的空間數據的存儲、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）空間數據的真實表現；（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據庫的基本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，不僅要搞清工程區的地層分布情況、巖土物理力學參數，更要清楚工程區的巖體結構與不良地質情況對工程設施的影響，并據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（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系統開發步驟簡介

首先，作者對已有的鉆孔數據進行整理，建立一個龐大的鉆孔數據庫。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、剖面圖數據，在AutoCAD環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，是系統開發的關鍵步驟，建立壩址區的地址模型。通過選取合適的數據，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，也是本系統開發最核心步驟，采用三維虛擬現實系統（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的桌面虛擬現實系統，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。采用該系統導入地址模型后，定義場景中的物體（地層、斷層）信息屬性，建立相關的屬性數據庫，最終實現信息查詢、圖層管理、虛擬現實操作、場景操作等功能。

4.3虛擬漫游信息系統（VRGIS）主要功能

虛擬漫游信息系統是一個集虛擬現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，開發滿足不同專業需求的信息系統。

本信息系統可以與數據庫連接，實現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

本系統可以與Access等數據庫連接，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其性質分別放置在不同的層中，在漫游時可以根據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、巖體穩定分析、設計與施工等工作提供很好的基礎。

6. 結語

虛擬現實與信息系統有機結合的VRGIS，是解決大型工程資料管理的一種有效途徑，它可以在工程規劃階段，滿足動態規劃和布局的需要，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，節約工程勘探投資和設計施工成本提供幫助。另外該系統可以根據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，綜合地質信息系統及其應用研究，巖土工程學報，22（2）：182～185

2. 劉大安，劉小佳，1997，地質工程監測信息系統開發，工程地質學報.，5(4)：351～356

3. 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)：597～602

5. 李孝東，2002年，虛擬現實技術的發展及其在礦業中的應用，煤炭技術，21(12)：1～3

6. 鄧紅艷，武芳，殷暢，2002年，虛擬現實地理信息系統（VRGIS）－GIS研究的新領域，計算機應用研究，(9)：33～35