苏锡常地区地面沉降地质结构三维可视化模型
虚拟现实系统研究
于 军1,2,苏小四3,朱 琳3,段福洲4,高 立3,吴曙亮2
11吉林大学博士后科研流动站,长春 130026 21江苏省地质调查研究院博士后科研工作站,南京 21001831吉林大学环境与资源学院,长春 130026
41首都师范大学三维信息获取与应用教育部重点实验室,北京 100037
摘要:从苏锡常地区地面沉降研究实际需要出发,介绍了利用虚拟现实技术构建地面沉降地质结构三维可视化模型虚拟现实系统的设计思路、开发模式、实现方法和功能特点。该系统真实表达了研究区三维地层结构特征,逼真再现了地面沉降模型所预测的地下水流场、地面沉降发展变化过程,并虚拟表现出地面沉降可能造成的后果,为苏锡常地区地面沉降机理及预测研究提供了一个全新的三维可视化平台。
关键词:地面沉降;虚拟现实;地质结构;可视化模型;苏锡常地区
中图分类号:P64111 文献标识码:A 文章编号:16715888(2007)02039307
收稿日期:20061110
基金项目:国土资源部、江苏省政府合作项目(水[2003]019—02)
作者简介:于 军(1968),男,江苏南京人,博士,主要从事水文地质、环境地质研究,E 2mail :njhzmyj @https://www.doczj.com/doc/c93580991.html, 通讯联系人:苏小四(1971),男,安徽巢湖人,博士,主要从事同位素水文地球化学和地下水资源评价与管理研究,
Tel :,0431-********,E 2mail :suxiaosi @https://www.doczj.com/doc/c93580991.html, 。
R esearch on 3D Visualized Strata Model Virtual R eality System of Land Subsidence in Suzhou 2Wuxi 2Changzhou area
YU J un 1,2,SU Xiao 2si 3,ZHU Lin 3,DUAN Fu 2zhou 4,GAO Li 3,WU Shu 2liang 2
1.Post doctoral Program ,J ilin Universit y ,Changchun 130026,China
2.Post doctoral Fellowshi p ,Geological S urvey of J iangsu Province ,N anj ing 210018,China
3.College of Envi ronment and Resources ,J ilin Universit y ,Changchun 130026,China
4.Key L ab of 3D I nf ormation A cquisition and A p plication ,MO E ,Capital N ormal Universit y ,B ei j ing 100037,China
Abstract :According to t he practical requirement of st udying land subsidence in Suzhou 2Wuxi 2Chang 2zhou area ,t hree dimensional land subsidence virt ual reality system is developed.The aut hors depicted some details ,including design f rame ,develop mode ,met hod and f unctions ,about t his 3D land subsi 2dence virt ual reality system which is const ructed by utilizing t he virt ual reality technology.By making use of t his system ,3D geological st ruct ure can be simulated ,t he groundwater flow field and t he dynamic p rocess of land subsidence ,whose metadata are calculated by t he land subsidence model ,also can be vividly exp ressed ,at t he same time t he sequent of land subsidence also can be virt ually displayed.In a word ,t his virt ual system would act as a visual platform for st udying t he mechanism and forecasting of land subsidence in Suzhou 2Wuxi 2Changzhou area.
K ey w ords :land subsidence ;virt ual reality ;geological st ruct ure ;visualized model ;Suzhou 2Wuxi 2Changzhou area
第37卷 第2期2007年3月 吉林大学学报(地球科学版)Journal of Jilin University (Earth Science Edition ) Vol.37 No.2Mar.2007
0 引 言
苏锡常地区地面沉降研究已开展多年,积累了大量资料和成果。在地面沉降的计算机应用方面也进行了一定探索,建立了苏锡常地区地面沉降信息管理系统,初步实现了对该地区地面沉降地质灾害的监测分析与科学管理①。
然而,以往地面沉降研究成果在表达形式及内容方面仍存在不足。例如,只能以平面或剖面二维方式表达,不能真实反映地面沉降与各种相关因素之间的联系,更无法展示地面沉降在三维空间上的分布特点。此外,在地面沉降地质体结构研究上,多采用三维静态方式,不能反映地面沉降动态发展过程,对灾害可能造成的后果难以用三维形式逼真再现出来。上述问题有碍对地面沉降规律性的认识、成因机理的分析和有效防控措施的制定。
20世纪90年代迅速发展起来的虚拟现实技术(Virt ual reality technology,V R T)为解决以上问题提供了一个崭新的计算机平台和强有力的图形工具,本文将概要介绍利用这一技术建立苏锡常地区地面沉降地质结构三维可视化模型虚拟现实系统(以下简写L SVRS)所取得的研究成果。
1 研究现状
V R T是美国Ivan Sut herland教授于20世纪60年代首次提出的[1],经过多年的不断发展,现今该技术已日渐成熟。迄今为止,国外在VR T领域的研究一直处于领先水平,主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件4个方面[2]。例如,美国北卡罗纳大学UNC计算机系研究出用于建筑设计的Walk-t hro ugh虚拟建筑漫游系统[3];瑞士苏黎世联邦理工大学计算机图形实验室成功研发了COV2 IN(协同虚拟环境)和PAVA(动画与虚拟现实平台)系统[4];美国佐治亚理工大学GVU中心在交互式绘制、沉浸式接口、三维空间数据可视化等方面也开展了大量的开创性研究工作[5]。
与国外相比,国内在这方面的研究起步较晚,但近年来的发展十分迅速。北京航空航天大学在虚拟环境中物体物理特性的表达方面具有自己明显的特色;国防科技大学多媒体实验室于1994年建成了我国第一个基于图像的虚拟信息空间生成平台HVS[6];哈尔滨工业大学计算机系、西北工业大学CAD/CAM研究中心、浙江大学CAC与C G国家重点实验室、首都师范大学三维信息获取与应用教育部重点实验室等在V R T开发与应用方面也进行了一些研究。
目前VR T在军事、工程建筑设计、医学、远程高等教育、电子仪器检测、新产品开发等方面已得到了广泛应用[7],甚至已渗入到人们的日常生活中。但目前VR T在地质领域则应用较少,在水文地质、环境地质领域还未见到系统研究成果及成型软件[8～10]。
2 研究目标
L SVRS的研究目标是:真实再现苏锡常地区三维地质结构,根据“区域地下水水流与地面沉降耦合模型”研究成果②,三维动态展示研究区地面沉降发生发展过程及其可能产生的后果,实现对所生成的虚拟环境和地质现象进行动态操作,以达到最佳的模拟效果。
3 系统总体结构
L SVRS由数据库管理模块和虚拟现实模块两部分组成(图1),数据库以SQL Server2000为管理平台,完成对基础数据(如地层结构、地下水位、地面沉降等)、图形数据(如地形等高线、地表地物信息等)、影像数据(如遥感图像、岩性纹理、建筑物花纹等)的输入输出、修改编辑、检索查询等操作;虚拟现实模块为系统核心部分,完成对地质体结构、地下水流场、地面沉降及其后果等的实时显示与虚拟驱动。
4 系统开发模式
迄今为止还没有一个被广泛接受的标准作为V RS开发平台,本次研究采用了SGI公司研制的开放式三维图形软件库Open G L进行开发,利用VC 综合集成。Open G L是一种用于创建实时三维图形的编程接口,由几百个命令和函数组成,可向用户提供4个实用链接库,包括多个基于双缓存技术的动画操作函数,利用这些库函数可在三维空间中绘制各类图元及具有高度真实感的三维图形,是一个实现交互式视景仿真和高性能虚拟现实表达的开发软
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①②刘聪,于军,余勤,等.苏锡常地区地面沉降预警预报工程
研究.南京:江苏省地质调查研究院,2003.
薛禹群,吴吉春,叶淑君,等.苏锡常地区地面沉降模型研究.南京:南京大学地球科学系,2005.
图1 LSVRS 总体结构示意图
Fig 11 The sketch m ap of the
structure of LSVRS as a whole
件包。Open G L 已被世界著名计算机公司(如Mi 2crosoft 、IBM 等)所采用,目前已成为开放式的国际
三维图形程序标准。
5 系统实现方法
针对苏锡常地区地面沉降特征和模拟预报要
求,采用层次型三维数据结构,建立符合L SVRS 需求的三维空间数据库,利用多种数据源(包括GPS 数据、遥感数据、各种实测数据),在GIS 平台上采集和整理不同实体的三维地理信息,实现不同数据
的空间检索、查询、分析及储存。
在虚拟现实平台上,利用Open G L 进行与地面沉降有关的基础地理、地质、水文地质、环境地质条件的可视化建模,实现基础地理、地面沉降地质条件等不同属性的三维动态全景显示与实时驱动;在上
述虚拟模型基础上,将区域地面沉降模型模拟结果
导入L SVRS ,三维动态展示地面沉降的发展过程,实现地面沉降机理的虚拟现实模拟;将地面沉降发展趋势的不同预报结果加载到L SVRS ,通过对所建立的地面沉降虚拟场景中参数的修改,进行不同预
报方案的虚拟实验,三维动态显示不同预报方案下
地面沉降发展状况及可能发生的后果,实现地面沉
降预测结果的虚拟现实模拟[11,12]
。6 系统功能研发
611 主控模块
L SVRS 主控模块为Windows 应用程序常用的
风格(图2),设置了“地质结构模拟”、“模型编辑”、“可视参数设置”、“地下水面模拟”、“地面沉降模拟”、“地表景观模拟”、“洪水淹没模拟”、“漫游工具”、“输出工具”、“窗口”和“帮助”11个菜单。
“地质结构模拟”可建立地层三维结构模型;“模
型编辑”可对数据库中原始地层结构数据进行信息
查询(如各地层的岩性、顶底板高程值)和预处理编
辑(如地层的合并、分割和添加等),用户可根据实际地质情况对由计算机自动生成的地层结构模型进行修正;“可视参数设置”可控制修改虚拟模型的可视化参数信息;“地下水面模拟”可进行地下水流场建
模及其动态演示;“地面沉降模拟”可对地面沉降发
展变化动态进行虚拟演示;“地表景观模拟”可将地形地貌信息以及发生沉降后的地形信息进行三维可视化;“洪水淹没模拟”可表现不同沉降量下地表洪水淹没的范围及其动态过程;“漫游工具”可对飞行
浏览相关信息进行设定;“输出工具”可将系统生成
的模型或动态过程以图片或影像文件的格式输出。
612 地质体结构模块
地质体结构模型是L SVRS 的基础,是地面沉
5
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图2 LSVRS主控模块用户界面
Fig12 The UI for m ain module of LSVRS
降、地下水流场等多种信息的依附载体,所有虚拟模拟结果均要靠地层模型加以体现,因此,地质体结构模块功能的实现是重点研发内容。本次研究采用钻孔实体建模法进行三维地质体结构模型的构建(图3),同时利用Open G L纹理映射函数把真实地层图像贴到构成地质体的TIN表面,再使用环境光照函数增强地层可视化效果,从而获得十分逼真的三维地层结构体。地质体结构模块还可进行地层任意切割、揭层显示、巷道漫游等(图4)。
613 地下水流场模块
以三维地质体结构模型为基础,根据研究区历年的地下水位监测数据、模拟预测数据建立地下水流场模型,并以多种方式(正射或透视投影、颜色渲染等)三维虚拟表现,可查询流场有关属性,标注地下水流向、等水位线注记等,还可展示地下水流场动态变化过程(
图5)。614 地面沉降模拟模块
地面沉降过程虚拟 利用研究区非线性地面沉降耦合模型①提供的模型参数及模拟预测结果,在三维地质体结构模型数据基础上,三维再现地面沉降发展变化过程。即通过修改地面沉降虚拟场景中的参数设置,采用Delaunay三角网格剖分法计算各顶点高程,从而得到每个地层原始沉降点沉降值。
图3 三维地质体结构建模流程图
Fig13 The flow chart of constructing3D structure model of strata
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①薛禹群,吴吉春,叶淑君,等.苏锡常地区地面沉降模型研
究.南京:南京大学地球科学系,2005.
图4 三维地质体结构模块部分功能展示
Fig14 Some samples for the function of3D structure model of
strata
11地层实体模型;21水平与垂直方向任意组合切割;31地层透明揭层;41地层巷道漫游
图5 地下水流场三维动态展示
Fig15 3D dynamic display of groundw ater flow
用户可在地质体外部、内部巷道(图6)以颜色渲染或纹理映射方式查看地面沉降演变过程。
地面沉降后果虚拟 地面沉降造成的最直接危害就是地表高程的损失,表现为形成沉降洼地、防洪堤坝失效、水淹等等。本次研究利用地表数字高程DEM模型,采用种子算法实现了洪水淹没过程的动态虚拟(图7),不仅可以准确计算出淹没路径,而且还可以计算水淹面积,为防洪减灾提供了可靠依据。
地表景观虚拟模块 地表景观的构建可给用户带来更加逼真的虚拟环境效果。该模块采用实例技术实现了房屋建筑、树木、草地、公路、河流等的生成及显示,通过纹理映射方法使用户在计算机提供的虚拟场景中体验具有真实感的地表地物信息。此外,根据野外实际监测资料,利用交替贴图技术实现了因不均匀地面沉降引发地裂缝使房屋开裂的过程再现(图8)。
7 结 语
(1)VR T作为计算机图形学领域的最新研究成果,为水文地质、环境地质提供了一种新的研究手段,为复杂地质现象的三维可视化开辟了一个新的应用方向。
(2)L SV RS是将VR T应用于水文地质、环境地质学研究中的一种新尝试,在三维地质体结构、地面沉降发生发展过程及可能产生的后果、地下水流场动态变化等三维可视化表现方面进行了有益探索。
(3)L SV RS实现了基础数据(包括三维景观数据)的输入与预处理、三维景观参数设置、三维渲染
793
第2期 于 军,苏小四,朱 琳,等:苏锡常地区地面沉降地质结构三维可视化模型虚拟现实系统研究
图6 在地层巷道中查看地面沉降过程
Fig 16
Viewing procedure of land subsidence in strata
11沉降发生前;21
沉降发生后
图7 洪水淹没过程虚拟
Fig 17 Submerging procedure of floodw ater
11t 1时刻;21t 2
时刻
图8 地表景观(1)及房屋开裂动态虚拟(2)
Fig 18 The scene of the ground(1)and dynamic display of the house crazed(2)
景观制作、三维动态景观生成、三维景观立体实现与
查询、地表景观三维立体表达以及飞行浏览等功能。(4)L SVRS 将研究区三维变系数地下水水流和地面沉降耦合模型进行了集成,真正实现了苏锡常
地区地下水水流及地面沉降过程的实时显示和驱
动。
(5)本次研究尚属初步成果,系统硬件的进一步改进、各模块功能的进一步完善、专业数据保证程度
的进一步提高是今后研究工作中需要努力的方向。
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