浅谈水文地质研究中的虚拟现实技术

翟胜强 魏良帅

（四川省地质矿产勘查开发局成都水文地质工程地质队，四川成都610072）

虚拟现实技术主要是利用计算机生成的虚拟现实的环境逼真的模拟人在自然环境中的听觉和视觉等行为而进行的人机界面的新技术。利用虚拟现实技术的实时表现、沉浸感、与计算机交互的功能可以建立起相关的水文地质模型，从而实现对地下水质、水流及环境地质的深入研究，以促进人们对地下水的开采及提高工程建设的可靠性。

一、虚拟现实技术概述

1 概念

虚拟现实技术主要是指利用计算机生成的虚拟环境对人在自然环境中的视觉、运动、听觉等行为进行逼真模拟的人机界面技术。虚拟现实技术是由美国的VPL.Research公司创始人于1989年所创造，通常情况下被称为虚拟现实。虚拟现实技术主要有沉浸、交互、构想三个基本特征，对于虚拟现实系统的发展主要有两个基本方向，一是基于虚拟现实技术的发展，二是基于万维网和因特网的三维图形环境的发展。虚拟现实技术自从20世纪90年代开展以来，利用其虚拟环境与现实无限贴近的特点，使实际环境中难以进行模拟和实现的复杂结果得以简单的表现出来，并实现了对各种不同条件的预测和结果计算，对于现实环境中各方面的发展都起到了良好的促进作用。当前，虚拟现实技术主要应用在军事、电子仪器检测、远程高等教育、模具制作、新产品开发等方面，对人类的生产、生活产生了巨大的影响。

2 优点

虚拟现实技术是一种综合了众多优点的新技术，在其应用的过程中，自身所具有的优势得到了充分的显示。虚拟现实技术的主要优势为：①实时表达，虚拟现实技术最大的一个优点就是可以在不同的时间、不同的地点进行环境变化的虚拟，可以随时反应事物的动态变化过程，从而提供有效的数据信息。②三维立体表达，虚拟现实技术由于较多的与计算机技术连接，将计算机的立体表达优势充分显现出来，可以实现对所要表达内容从不同的角度进行展现和研究。③反映细致，对于研究物体，即使是再细小的差别，虚拟现实技术也可以将其充分的反应出来，并且能够实现对研究物体全貌的综合研究。④实现对事物发展的预测，虚拟现实技术的应用不仅可以实现对已存在事物的细致表达，同时还可以实现对尚未存在但可能发生的事物变化进行虚拟反映。⑤反映结果全面，建立虚拟的现实系统，不仅可以实现对事物发展过程的虚拟，还可以根据不同的条件，虚拟出不同的结果。⑥为研究发展提供了新的方向，虚拟现实技术的应用为对各种未知环境的探究提供了新的研究放向和研究方法。

3 应用条件

虚拟现实技术具有较强的实现事物三维可视化的功能，但需要用海量的数据资料作为支持。基础资料越是全面、丰富，虚拟出来的结果就越贴近现实。

二、虚拟现实技术在水文地质中的应用

1 虚拟现实技术对地下水流的表达

在水文地质研究中，地下水流的运动规律是其研究的重要组成部分，地下水流的运动是一个动态的变化过程，也是目前水文地质研究中最活跃的研究因素。在研究地下水流时，虚拟现实系统不仅可以利用自身实时变化的功能对地下水流的运动变化进行虚拟的表达，以充分的表现出地下水流的特点，还可以对地下水开采后对地下水的变化情况进行虚拟，使人们充分了解在开采利用地下水后对含水系统造成的影响，从而使人们采取相应的措施或者是减少对地下水的开采。在对地下水流研究的虚拟过程中，不仅可以实现对地下水的可视化管理，还可以由此虚拟出相应的开采方式和管理方案，并利用虚拟现实技术对其进行不断的完善和表达，从而实现对地下水流研究的可靠性和科学性。

2 虚拟现实技术对含水层的表达

在以往的研究工作中，只能够通过剖面图来展示隔水层和含水层的分布特点，在平面图中则通过含水层厚度的等值线来表现含水层的空间分布特点，这样进行研究分析，既不够直观，也不够全面，对于含水层和隔水层的变化状况研究起到的作用不大。虚拟现实技术中的三维可视化功能能够将地下含水层与隔水层的分布、空间的变化情况及含水层的厚度很好的进行真实再现，对于深入研究隔水层和含水层有很大的帮助，同时，随着虚拟现实系统中资料的不断完善，人们对地下含水系统的研究也更加深入、全面。

3 水文地质环境问题

随着经济的快速发展，人口不断增长，人们对地下水的开采利用也不断的增长，导致过分开采，从而引发了地下水位持续下降、地面沉降、水资源枯竭、土壤沙漠化等环境地质问题，对人类的居住环境形成了巨大的威胁，严重影响了人们生活质量的提高。由于虚拟技术既可以对存在的事物发展过程进行虚拟，也可以对尚未存在但可能发生的事物进行虚拟，将其利用在水文地质环境的监测上，则可以实现对开采地下水可能引发的各种环境问题进行虚拟分析，从而制定出相应的对策或减少对水资源的开发，以减少环境问题给人类带来的灾害。

4 地下水水质的虚拟表现

当前，由于经济快速发展，造成环境污染严重，影响到了地下水的水质，也影响到了人们对地下水的开采使用。利用虚拟现实技术，可以对地下水在自然状态下的变化进行虚拟，从而找出对地下水水质影响较大的因素，以实现对水质变化更深刻的理解，为人们提供有效的控制水质恶化的方法，使地下水质逐步转为良性循环，水质恢复正常。在研究地下水质时，可以建立相应的水质虚拟实验室，将可能影响地下水质的因素都虚拟出来，并对这些影响因素进行分析研究，找出相应的解决方案，以实现对影响因素的良好控制，从而改变地下水的水质，以保证人类的生活质量。

5 水资源的规划

虚拟现实技术最早主要应用与较小区域的规划，随着不断的发展恶化创新，当前已在水资源的规划和水源地的建立等方面得到了广泛的应用，并未人类进行水资源的规划设计提供了一个良好的平台。在开采水资源之前，利用虚拟现实技术对水资源开发区域的环境条件、地质条件和水文条件等进行虚拟表达，并建立起相应的模型，进行研究分析，将对水资源难度开发方案和由此可能产生的环境变化情况很好的虚拟出来，从而使人们可以针对问题进行研究分析，并进行有效的修正，从而促进水资源规划方案的不断完善，以保证实现水资源的可持续使用。

三、虚拟现实模型的研究步骤

1 建立虚拟现实数据库

根据虚拟现实技术的要求，要根据实际的数据特点建立相应的数据库，尽可能的搜集大量的数据作为研究的基础，而且还要确保所收集资料的全面性，以保证数据库所搜集资料的应用价值。

2 建立地下水水流模型

建立地质模型之后，还要建立相应的地下水流模型，由于地下水流是水文地质研究中最为活跃的研究因素，所以，对其进行研究分析，可以充分的了解地下水流的运动情况，从而对地下水的开采做出正确的判断。

3 建立三维地质模型

建立起虚拟现实数据库之后，要考虑建立起三维地质结构模型，因为任何的水文地质问题都离不开地质条件的影响，建立地质模型可以对地质结构进行充分的研究，从而保证对水文地质研究的可靠性，以保证满足人们的需求。

4 建立专业模型

针对要解决的实际问题和要虚拟的内容，还要建立起相应的专业模型。专业模型是指为了表达一种特殊的目的而建立的，如表达海水入侵，需要建立与海水入侵有关的水质模型和水流模型，如果要表达的是地面沉降问题，则要建立起与地面沉降有关的专业模型，以保证对所研究内容的专业性和深入性。

5 建立实时预测模型

对于所要研究的内容和所要解决的实际问题还应当建立其相应的实时预测模型，虚拟现实技术与其他技术的主要区别就是沉浸感和实时表达的功能，利用其实时表达功能可以将建立的模型呈现动态发展，以实现对所研究问题的实时分析和表达，从而实现对存在问题的良好解决。

四、实例解析

在进行某地下水系统水文地质结构研究过程中，采用的是三维可视化的虚拟现实技术研究，在充分搜集该地区水文地质资料的基础上，对于研究区的水文地质结构和地下水面采用虚拟表达技术进行研究，主要包括水文地质结构及地下水水面的虚拟建模算法和三维表达模式。通过研究，对于地下水水流的运动及含水层有机结合进行虚拟研究，充分的揭示了地下水的运动情况，为该区域的水资源评价和管理提供了三维可视化的研究平台。

结语

虚拟现实技术是一种计算机方面的最新研究成果，它在水文地质研究中的应用极大的促进了人类对地下水开采的发展，使人们可以对开采地下水的情况及其引发的结果进行研究分析，并制定出相应的策略，从而有效促进对地下水的合理利用。通过运用虚拟现实技术建立的各种模型，可以对地下水的变化情况进行实时的监控，从而实现对其水质和开采利用的良好控制，以保证实现人们对水资源的可持续利用，促进人类的可持续发展。

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