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.廣州亮風臺信息科技有限公司，廣東 廣州 510653)

0 引 言

虛擬現(xiàn)實技術研究最早可追溯到20世紀60年代，當時有人認為人類可以將顯示屏作為一扇窗戶，通過顯示屏觀察計算機中存在的虛擬世界，其難點在于如何確保顯示屏中圖像的真實感，而且圖像中物體的行為也同樣要具有較強的真實感[1-2]。直到上世紀末，美國科學家才正式提出虛擬現(xiàn)實技術。隨后隨著計算機技術的迅速崛起，虛擬現(xiàn)實技術在世界范圍中得到發(fā)展[3]。虛擬現(xiàn)實技術實際上是在計算機仿真技術、圖像學、多媒體技術上發(fā)展起來的，應用于醫(yī)學、軍事、航天事業(yè)中。但實際上，虛擬現(xiàn)實技術還沒有一個準確的定義，通常情況下，可將其定義為建立和體驗虛擬世界的計算機系統(tǒng)。虛擬現(xiàn)實技術通過計算機構建虛擬環(huán)境，利用聽覺、視覺、觸覺等感官對用戶發(fā)生作用，使用戶產(chǎn)生身臨其境的現(xiàn)實交互感覺[4- 6]。可視化技術主要用于文本信息高效組織，通過抽取轉(zhuǎn)換信息對象，再實行高度抽象整合，使用動畫、圖形或圖像的方式對信息對象特征實行表達，降低信息瀏覽的盲目性，節(jié)省操作時間[7]。

我國領土幅員遼闊，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，諸多研究者對此進行了研究，有學者設計了一種針對走滑斷層區(qū)域公路邊坡的北斗監(jiān)測方法，該方法使用北斗自動檢測技術，通過遙感實現(xiàn)邊坡情況的監(jiān)測，但該系統(tǒng)受自然因素影響較大，導致監(jiān)測結果的穩(wěn)定性不佳[8]；還有學者提出一種露天礦高陡邊坡物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測方法，通過構建多層多代理分布的系統(tǒng)拓撲模型對邊坡進行監(jiān)測，但該方法的結構過于復雜，存在響應時間方面的缺陷[9]。除此之外，地質(zhì)問題需要從空間和時間2個維度映射數(shù)據(jù)信息，以提升監(jiān)測結果的全面性，但以上方法僅從1個維度反映信息構成，難以對地質(zhì)問題進行全面表現(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，從時間、空間雙重維度對流域大壩典型邊坡進行監(jiān)測，本文利用虛擬現(xiàn)實技術，設計一種流域大壩典型邊坡時空數(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空數(shù)據(jù)可視化模型構建

本文采用虛擬現(xiàn)實技術對流域大壩典型邊坡實行建模，建模完成后，構建三維時空數(shù)據(jù)模型，從時空角度出發(fā)，實現(xiàn)流域大壩典型邊坡精確時空虛擬現(xiàn)實可視化。

1.1 三維時空模型構建

首先采用時空數(shù)據(jù)模型對時間、空間相關數(shù)據(jù)進行描述[10]，依據(jù)時空數(shù)據(jù)虛擬現(xiàn)實可視化需求構建三維時空模型。模型結構見圖1。

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

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

為實現(xiàn)時空篩選，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體，在時間維采用空間篩選的思路，檢查場景內(nèi)全部節(jié)點的持續(xù)時間，分析當前視口時間是否在持續(xù)時段中，并經(jīng)時間篩選得出需繪制的實體，實現(xiàn)靈活切換不同的時間數(shù)據(jù)。

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

(1)

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

1.2 流域大壩典型邊坡時空可視化模型構建

采用虛擬現(xiàn)實技術構建流域大壩典型邊坡可視化模型，以展現(xiàn)邊坡實體幾何結構和拓撲關系。邊坡工程時空數(shù)據(jù)的表達方式是構建邊坡虛擬現(xiàn)實可視化模型的基礎[14]。流域大壩邊坡多維巖石結構一般包含地上、地下、地質(zhì)三方面的結構，較為復雜，建模所需信息量較大，對可視化要求也較高。為解決這些問題，本文采用常見的虛擬現(xiàn)實技術結合裁剪NURBS(非均勻有理B樣條)曲面與B-Rep(邊界表示法)構建邊坡虛擬現(xiàn)實可視化模型，邊坡三維模型邊界曲線和NURBS曲面裁剪采用NURBS結構，裁剪NURBS曲面空間拓撲關系采用B-Rep實體數(shù)據(jù)實現(xiàn)。

1.2.1 裁剪NURBS結構

(2)

任意拓撲結構的復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現(xiàn)裁剪NURBS曲面：①曲面環(huán)內(nèi)部出現(xiàn)保留是因為面向逆時針循環(huán)裁剪曲線環(huán)，如果順時針循環(huán)裁剪NURBS曲面則得到曲線環(huán)外部保留。②復合裁剪曲線環(huán)可以出現(xiàn)在同1個裁剪曲面中，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曲面實現(xiàn)模型結構界面進行表達。

1.2.2 B-Rep半邊結構

為減少流域大壩典型邊坡時空數(shù)據(jù)運算花費時間，本文采用B-Rep(翼邊數(shù)據(jù)結構邊界表示法)描述1條邊和對應的4條鄰邊、2個頂點以及2個鄰面拓撲關系之間的數(shù)據(jù)結構。采用翼邊結構確定當前邊所處的面和環(huán)存在一定困難，所以需要采用改進的翼邊結構，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)，構成1個整體的半邊結構。Loop、Face、Half Edge、Solid以及Vertex等5個層次組成半邊結構的實體模型數(shù)據(jù)，方便查詢組成元素的相關信息，保證不修改實體數(shù)據(jù)結構，實現(xiàn)實體局部操作。拓撲結構相同的物體可采用統(tǒng)一數(shù)據(jù)結構描述形狀和尺寸，同時附加其他非幾何信息在數(shù)據(jù)結構中，從而實現(xiàn)功能擴展與信息融合。另外，B-Rep結構可采用邊界面定義實體來實現(xiàn)描述幾何對象。在B-Rep結構中，邊界可以是任何1個自由曲面、邊。因此，在對流域大壩典型邊坡實行三維建模時，需要通過裁剪NURBS曲面構成地質(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)對較復雜的邊坡工程進行洞室、地質(zhì)和地面等對象實體的構建，從而完成相關數(shù)據(jù)的可視化展現(xiàn)。至此，完成流域大壩典型邊坡時空數(shù)據(jù)可視化模型的構建。

2 試驗驗證

為驗證本文構建模型的效果，以三峽大壩作為研究對象，將該大壩邊坡數(shù)據(jù)輸入模型中，以實現(xiàn)時空數(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)電量新的世界紀錄，是目前世界上最大的水力發(fā)電工程，供電范圍多達10個省。雖然大壩建成后造成部分魚類生存環(huán)境的改變，但對區(qū)域發(fā)展仍具有十分重要的意義。本文選取該項目2018年1月～12月4個季度的水量變化情況，根據(jù)本文構建的基于虛擬現(xiàn)實技術的流域大壩典型邊坡時空數(shù)據(jù)可視化模型，得到流域大壩典型邊坡時空數(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)境隨著時空變化出現(xiàn)的場景變化。

在系統(tǒng)中隨著切換時間范圍，第1、4季度為旱季，降水較少，下游進入枯水季節(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)域進入蓄水期，水位上升。隨著時間與空間的切換，本文模型始終能準確呈現(xiàn)出準確的可視化效果，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)實效果和可視化效果，既能直接監(jiān)測時空變換后，流域邊坡的防御能力以及邊坡防護范圍中水位的變化情況，也能幫助相關部門實現(xiàn)流域邊坡的可視化監(jiān)測。

由于本文模型采用裁剪NURBS結構和B-Rep半邊結構，因此可以實現(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?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)傳輸速度需要達到60 b/s 才能保證可視化效果圖構建效率。為對比模型性能，同時將走滑斷層區(qū)域公路邊坡的北斗監(jiān)測方法(對比方法1)和露天礦高陡邊坡物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測方法(對比方法2)應用于研究區(qū)域的邊坡監(jiān)測分析中，本文系統(tǒng)與對比系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率對比見表1。從表1可以看出，對比方法1僅有2次測試數(shù)據(jù)傳輸速率達到60 b/s，該方法在使用時卡頓比較嚴重；而對比方法2共有6次試驗結果達到60 b/s以上，說明在運行時出現(xiàn)差錯的情況較少，能實現(xiàn)基本使用的需求；本文方法的數(shù)據(jù)傳輸速率都達到60 b/s以上，隨著試驗次數(shù)的增加，數(shù)據(jù)傳輸速率達到80 b/s以上，能在更短的時間內(nèi)完成邊坡時空數(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。

表1 數(shù)據(jù)傳輸速率對比 b/s

本文方法主要是結合虛擬現(xiàn)實技術實現(xiàn)流域邊坡各項數(shù)據(jù)的可視化，邊坡相關信息都集中在數(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，對不同數(shù)據(jù)量可視化效果圖加載呈現(xiàn)所耗費的時間進行分析，結果見表2。

表2 效果圖加載呈現(xiàn)耗費時間 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)耗費時間也不斷增加，2種對比方法隨著數(shù)據(jù)個數(shù)的增加，加載耗費時間升高較大，當數(shù)據(jù)個數(shù)達到6 000個時，對比方法1需要耗費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)耗費時間保持在4 s以下，能夠提供良好的用戶體驗。

3 結 語

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