地质勘察虚拟仿真的3C分析

刘军旗，吴冲龙，毛小平，成秋明

地质勘察虚拟仿真的3C分析

刘军旗1，吴冲龙1，毛小平2，成秋明3

（1.中国地质大学资源学院，武汉 430074；2.中国地质大学能源学院，北京 100083；3.中国地质大学地质过程与矿产资源国家重点实验室，武汉 430074）

以水电工程勘察为例，通过详细分析其实际工作流程、信息处理流程和虚拟仿真在地质领域的应用现状，认为数据管理、三维建模和虚拟仿真是目前地质勘察虚拟仿真的3个中心（“3C”）：数据管理是这一流程所有工作的数据流中心，可以在后台数据流范畴以数据管理为中心对整个流程进行集成；三维模型是这一过程数据分析的应用中心，可以在前台功能应用范畴以三维模型为中心对整个流程进行集成；虚拟现实是数据与模型的展示中心，所有成果的展示都可以通过虚拟现实来表达。这3个中心的结合与集成，可以为地质勘察的全程提供有效的数据支持和直观的空间研究支持。

地质勘察；虚拟现实；“3C”集成

虚拟现实［1～3］（VR：virtual reality），是“真实世界的一个映像”（a image of real world），是一种借助视觉、听觉及触觉创建和体验虚拟世界（Virtual World）的计算机系统，同时具有沉浸性（immersion）、交互性（interaction）和构想性（imagination），包括数据获取、模型建立和虚拟场景控制三部分。

虚拟现实技术目前已广泛应用于国防、建筑、工业设计、医学等领域。但是，由于地下地质体的抽象性、不可控制性和数据获取不可能充分等问题的存在，VR技术在与地下地质体有关的领域中到目前为止还没有形成一套有效的处理流程。

1 地质勘察虚拟现实技术的关键问题解析

地质勘察虚拟现实技术的关键问题包括对所获取的数据和各种成果数据的有效管理、三维模型的建立和平面三维向立体三维的转换与显示。数据管理是这一流程的数据中心，三维模型是数据分析的应用中心，虚拟现实是数据与模型的展示中心，这3个中心（“3C”）的结合与集成，可以形成完整的地质勘察虚拟现实的技术体系。

1.1 数据管理

地质勘察过程中涉及到大量的数据，这些数据主要包括可以搜集的历史数据，野外观测、量测、勘探和现场测试数据，室内实验数据和通过航测、遥感等手段获取的数据等。这些数据依据时间可以分为历史数据、状态数据和影响数据（可能造成的现状改变后的数据），依据数据表现形式可以划分为数字型、字符型［4］、图形型［5］和多媒体型数据。具有多来源、大数量、多种类、多层次、多维和多应用主题［6］等特点，同时又具有可采集性（或可推断性）、可存储性、可管理性、可复制性、可共享性等可信息化的特征。

以水电工程为例，传统的水电工程地质勘察一般分为规划阶段、可行性研究阶段、初步设计阶段和施工阶段及专门问题勘察阶段［7］。其勘察阶段、勘察范围、勘察对象、勘察方法和处理过程可以总结如图1。

从地质勘察的实际工作内容与流程上来看，工程勘察包括获取数据和对获取的数据进行分析和总结两部分工作。在这个过程中，图件编制和报告编写等都是围绕所获取的数据来进行的。

从信息处理角度来看，工程勘察信息处理可以分为数据采集与管理和数据应用两部分。所有数据应用工作都是基于数据才能展开。首先采集数据，所有搜集到的数据和工程勘探获取的数据都通过数据库来进行管理。二维地质图制作过程是一个从数据库中提取数据，对所提取的数据进行加工，并把加工好的数据（做好的地质图）返回到数据库的过程。三维建模过程是通过提取数据库中的数据，包括原始数据和经过二维子系统加工过的数据（平面图、剖面图等），把提取的数据加工成三维模型，并把做好的三维模型返回数据库中进行管理的过程。工程分析、统计、计算、查询等过程也是提取数据、加工并显示加工过的数据的过程，因而数据及数据库是整个信息处理过程的基础和中心。见图2。

图1 传统水电工程地质勘察流程图Fig.1 The traditional geological survey flow chart in hydropower engineering

图2 以数据管理为核心的后台数据组织Fig.2 The data organization taking data management as center

一般来说，以数据为中心的集成可以采用两种方式来进行。一是通过数据库为各种数据应用提供接口文件，另一种方法是各种数据应用工作直接从数据库中提取需要的数据。如三维建模与数据管理的集成，以通过钻探数据，采用B-Rep数据组织模式进行三维建模为例进行说明（实际建模过程还会用到测绘、洞探、槽坑探等大量数据，采用的三维数据组织模式也有更多的选择）：数据库依据三维建模的需要，提供钻探数据和依据钻探数据绘制的地质剖面、平面等数据，建立各个空间层面，如地表面、地下水位面、各级风化界面、各地层层面等等，依据BRep数据组织模式进行各层面的属性编码与组织和侧面的封闭等处理，形成初步的三维模型。在这一过程中，三维建模所需要的所有数据直接从后台数据库中提取（包括钻探分层数据、属性说明数据等和依据钻探数据经过辅助制图绘制的各种二维成果图件等），建好后经过审查的三维模型又以索引记录的方式和直接大字段存储两种方式存储在后台数据库中，从而把三维建模与数据管理有机地集成在一起。

1.2 三维建模

三维模型是地质体的数字化重现，地质勘察工作就是研究地质体的地质结构与构造等工作，即地质勘察工作都是围绕地质体而展开，因而其信息处理工作也是围绕三维模型而展开的。

随着三维可视化技术的逐渐成熟，从工程初期就可以开始建立部分三维模型了，如地表模型可以利用搜集到的数据和前期的测绘数据来建立。此时平面图的制作就可以通过地表模型在零平面上的投影而得到，原来在平面图上进行的勘探布设工作，也可以直接在三维模型上进行了。可以通过三维模型（开始也许只是一个简单地表模型）进行勘察数据的采集（通过属性关键字把三维模型与属性数据库关联，从而可以通过三维模型来调用数据库相关处理界面）、处理、切制或编制二维图，完善三维模型，进行空间分析和工程数据统计、计算等多项应用工作。随着获取数据的逐渐丰富、三维模型的逐渐完善，很多工作就可以直接围绕三维模型而展开，从而使三维模型成为工程勘察信息处理的应用中心。

空间数据模型［8～12］是建立三维地质体的核心基础，就目前研究现状而言，三维数据模型可以分为三类：基于体元的数据模型、基于边界面的数据模型和混合型数据类型。边界表示法（B-Rep，boundary representation）是目前三维建模中比较通用的方式之一。其优点是表示实体的点、线、面等几何元素是显露的，能比较快地绘制出来，并且可方便地对体单元或体单元组合进行多种操作和运算。其缺点是数据结构复杂，需要占用大量的存储空间，对复杂体处理起来要耗费大量的时间，对硬件的要求也较高。

本文采用“二体式”三维数据结构。这种结构是对边界表示法的优化与改进，将空间三维实体分为线对象（polyline object）、多边形对象（polygon object）、曲面对象（surface object）、标注对象（text object）和体对象（volume object）等。实体的三维模型由大量的体单元组成，每个体单元不必都要有完全独立的各个面，所有相邻的体单元都有一个共同拥有的公共面，即在“二体式”数据结构中，相邻2个体单元接触部分的2个面被合并成为1个面，由1个共用面代替2个体单元相接的2个面，构成二体共面结构，所述共用面具有2个体单元的属性。二体式结构的这种特点，既具有B-Rep模型本身的优点，又较好地克服了B-Rep模型占用大量存储空间的缺点，进而加快了处理速度，并降低了对硬件的要求，有利于三维实体内部各种空间位置和拓扑关系的保持，也有利于进一步对三维实体进行矢量剪切［13～15］及动态演化模拟。

图3是使用二体式结构的三维模型表达示意图，为了方便说明，以二维切面图来进行说明。图中共有5个分界面，A，BCD，E，F，G，G为透镜体边界，包含6个体单元 V 1，V 2，V 3，V 4，V 5，V 6。BCD面与体积单元V 2，V 3，V 4及V 5有关，这时为满足上述二元结构要求，需将它拆分为B，C及D 3个独立的面。其中曲面A为体单元V 1和V 2的分界面，界面A里包含V 1，V 2两个体单元的属性；分界面E和F尖灭于BCD面，BCD面共涉及了4个体单元，V 2，V 3，V 4，V 5，显然不符合前述“每个面最多允许邻接2个体单元”的原则，因此，用分界面E与分界面F在面BCD上的尖灭点（交点）将BCD面一分为三：B面，C面及D面。这样，分界面B仅涉及2个体单元：V 2和V 3，并将V 2和V 3两个体单元的属性赋给B公用面，同理，分界面C赋予V 2和V 4的体拓朴属性，分界面D赋予V 2和V 5的体拓朴属性。G涉及V 5和透镜体V 6，故具有V 5和V 6的属性。从体单元的角度来看，V 1仅包括曲面A；V 2则由分界面A，B，C，D合围而成；V 3由分界面B，E合围而成；V 4由分界面C，E，F合围而成；V 5由分界面D，F，G合围而成；透镜体由分界面G封闭形成。若透镜体V 6内物性还有所不同，可以再给定一个分界面将它划分为不同的体来继续细分该体，直至所有的体单元都满足“二体式”数据结构的要求。

图3 二体式结构的三维模型表达示意图Fig.3 3D model drawing of two-body style structure

图4 是依据二体式结构原理建立的三维模型。其具体建模过程是：先建立一个包含研究区域的简单空间体（如单一的长方体），再建立各个层面，如图3中的A面，BCD面，E，F，G等各层面，用每个层面（曲面）分别通过矢量剪切技术分割包含整个勘察对象的简单空间体，使简单空间体逐渐被剪切成与勘察数据符合的复杂地质体的过程。如用A面剪切，可以把包含研究区域的简单长方体分为V 1和V 2（此时的V 2包含了V 1以外的全部）2个体，再用BCD面剪切，使V 2进一步细分为图3中的V 2和BCD面以下部分（含V 3，V 4，V 5，V 6），依次类推，从而把初始的简单空间体剪切成符合要求的地质体三维模型。在这一由简单到复杂的建模过程中，所有的体单元始终必须满足“二体式”数据结构的要求。

图4 依据二体式结构原理建立的三维模型Fig.4 3D model built by two-body structure principle

1.3 虚拟现实

地质体虚拟仿真是把地质体二维或三维数据从外视的平面三维转换为内视的立体三维，使人产生身临其境的沉浸感，有利于更全面、更深入地观察与分析研究对象。

平面三维到立体三维的转换至少要满足3个条件：有透视效果、有正确的明暗虚实变化和双眼的空间定位效果。传统的显示方式可以实现前两点却无法实现第三点。因而，立体显示技术也就是能够再现空间定位感的显示技术。立体显示技术主要有分色、分光、分时和光栅［16～18］4种。

本文把地质体的三维仿真分为3个层次：简单转换方式、静态演示方式和动态分析方式。简单转换方式是利用现有仿真软件，对一些简单的成果直接转换，适用于对场景类或简单演示类的成果进行加工演示；静态演示方式是开发出可以对需要的静态成果以一定的既定方式进行演示的立体仿真演示软件，适用于以既定的顺序对多个静态模型进行顺序演示；动态分析方式是对地质行业常用的软件进行立体仿真改造或编制转换接口，适用于实时分析演示，对计算机的性能、硬盘调用速度和网络传输速度（带宽）有较高的要求。图5是把图4进行立体转换后的立体三维图，通过立体眼镜或三维仿真设备可以看到鲜明的立体感（因不同设备的最佳设置不同，其他类似设备观察的效果会有所区别）。

图5 可内视的立体三维示意图Fig.5 The 3D model for virtual reality

本部分的主要技术是立体像对的产生和立体输出技术。立体像对的产生即三维场景的立体显示是把要显示的所有对象转化为立体像对，使画面具有立体感，从而为虚拟现实的逼真输出奠定基础；立体输出技术是把产生的立体像对通过虚拟现实设备表达出来，营造一种身临其境的沉浸感。

实现基于双眼视觉的立体显示需要经过2个步骤，首先，通过间隔渲染出供左眼和右眼观看的画面，然后将它们输送给双眼，给左眼观看的画面只能让左眼看到，给右眼观看的画面只能让右眼看到。在输送时不需要刻意的调节两套画面的差距，只要能将获得的片源（画面）按要求输送给双眼，就会产生与画面对应的立体感了。

2 结论

在地质勘察信息处理过程中，有3个中心（“3C”）值得关注：数据管理、三维模型和虚拟仿真。数据管理是整个勘察流程的数据中心，是三维模型建立和地质体虚拟仿真展示的基础；三维模型是地质勘察信息处理的应用中心；地质体虚拟仿真是地质勘察信息处理的展示中心。地质勘察信息处理的数据采集、数据处理、数据管理、查询检索、统计计算、报告报表生成、勘察图件生成、三维模型建立、三维虚拟仿真、三维空间分析评价等工作以这3个中心进行集成和结合，可以有效地把工程勘察的各项信息处理工作集成为一个完整的技术体系，为工程勘察的全程提供直观地支持与服务。

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“3 Centers”in Geological Survey of Virtual Reality

LIU Jun-qi1，WU Chong-long1，MAO Xiao-ping2，CHENG Qiu-ming3
（1.State Key Laboratory of Geological Process and Mineral Resources，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China；2.Energy Sources College，China University of Geosciences，Beijing 100083，China；3.State Key Laboratory of Geological Process and Mineral Resources，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China）

Taking the exploration of hydroelectric projects as an example，authors analyse its actual working flow process，information processing procedure and the current application situations of virtual reality in geological field，and get the conclusion that data management，three-dimensional modeling and virtual reality are three centersi.e.“3C”called by the paper，in the geological exploration at present.The data management is the dataflow centre of all this procedure work，the three dimensional model is the application centre of data analysis of this course，the virtual reality is the exhibition centre of the data and model.The combination and integration of these three centers can provide effective data support and visible space research support in the whole geological exploration.

geological exploration；virtual reality；“3C”integration

TP391.9

A

1001-5485（2009）04-0048-05

2008-04-23；

2008-12-20

刘军旗（1971-），男，陕西兴平人，博士，中国地质大学（武汉）国家重点实验室，主要从事地学信息方面的研究工作，（电话）13349849192（电子信箱）Liujqg＠126.com

（编辑：刘运飞）

第四届全球华人岩土工程论坛

4thGEO-WCS 2009

（2009年8月20-22日，中国武汉）第一号通知

“第四届全球华人岩土工程论坛（4thWorld Forum of Chinese Scholars in Geotechnical Engineering）”由长江水利委员会长江科学院和中国科学院武汉岩土力学研究所共同主办，将于2009年8月20-22日在中国武汉召开。

本届论坛宗旨是：（1）加强全球华人岩土工程学者的学术交流，将海外华人岩土工程学者的最新研究进展及时介绍到中国，同时也促进海外华人学者对祖国大陆岩土工程建设发展的了解；（2）促进全球华人岩土工程学者之间的联系，探讨岩土工程研究的重大基础性问题，提高试验技术装备开发与应用水平，争取开展联合研究，增强华人学者在国际岩土工程界的影响。

本届论坛根据目前岩土工程界的热点问题，拟分6个分论坛（非饱和膨胀土特性及工程处理技术；地下工程中的岩土力学问题；深厚软土地基上建（构）造物沉降变形规律与灾害控制；地震作用下土工建（构）造物破坏机理与灾害控制；高土石坝工程中的岩土力学问题；海洋土的工程及力学特性），邀请国内岩土力学界知名的华人专家进行集中讨论，重点是交流思想，形成共识，促成合作。除大会论文交流外，重点结合岩土工程学科前沿和国家需求凝练重点科学问题，提出基础研究思路和建议合作方式，形成纪要供国家相关部门决策参考。会后组织与会专家对南水北调中线工程进行技术考察，线路如下：

丹江水库—膨胀土（岩）渠坡处理试验段工程（南阳膨胀土试验段、新乡膨胀岩试验段）—穿黄隧道工程。

我们热诚欢迎全球岩土工程界的华人学者参加本届论坛进行交流！

联系方式：“第四届全球华人岩土工程论坛”组委会

湖北省武汉市黄浦大街23号，长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室

电话：027-82829818；传真：027-82926040；

Email：liqingyun6396＠126.com

（摘自《长江科学院网》）