虚拟现实技术在隧道超前地质预报中的应用

马军旗，范贺凡，李 程，张志增，周 永

（1.中电建路桥集团有限公司，北京 100160；2.中原工学院建筑工程学院，河南 郑州 450007；3.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083）

21 世纪以来，随着科技的发展，虚拟现实技术逐步得到完善，将虚拟现实技术与传统施工工艺相结合可以有效提高工作效率，这已经成为了创新施工的重要探索方向。李卫等[1]利用全景视频技术对隧道施工实时监控检测；黄地龙等[2]利用三维地质建模进行虚拟隧道开挖，对开挖过程中的地质灾害实施风险预警；何坚等[3]利用虚拟现实技术对隧道交通设施和环境进行评估；钟登华等[4]利用三维地质建模技术创建动态仿真系统，为地下洞室的施工提供安全保证；陈一飞等[5]以虚拟现实技术为核心，建立隧道灾害演练平台，以实现灾害模拟预演从而进行安全教育；周永等[6]将全景技术与远程会议相结合，帮助用户更有效地了解施工环境。纵观已有研究，虚拟现实技术与传统工艺相结合，是隧道施工工艺发展的一个重要方向，但尚未有将虚拟现实技术应用于隧道超前地质预报领域的研究。

地下工程行业日益发展，隧道施工环境复杂，受地质、工程技术等多方面因素制约，充满着不确定性。在隧道施工之前对施工场地进行地质勘测是重要的准备工作，合理利用超前地质预报可以有效测量隧道施工场地环境，减少危险事故的发生。传统的超前地质预报是以地质分析为基础，以物探方法为手段，结合测绘、计算、设计等方法相互印证和补充，在隧道开挖时对掌子面前方及其周边的围岩与地层情况进行测量，得到相关数据后制得地质素描卡，为下一步的施工做好准备。

虚拟现实技术在隧道超前地质预报中的应用，主要是指开发一个隧道超前地质预报程序，在传统地质素描卡的基础上给用户提供三维全景地质围岩模型。相比于传统的用表格来呈现观测信息，该系统将隧道地质勘测结果和三维全景技术相结合，用三维全景的方式把隧道地质勘测结果形象地呈现给用户，帮助用户更加直观地了解隧道工程地质信息，监测施工条件，提高施工进度，保障施工安全。

1 系统创建准备工作

1.1 虚拟现实技术

虚拟现实，英文名称Virtual Reality，缩写为VR，是指通过传感、计算机、人工智能、动作捕捉、光学和可穿戴显示设备等技术的有效结合，构建起一种可以作用于人体感官的、与现实社会高度相似的、交互式动态虚拟场景，为用户创造一个自然、逼真、具有视听触觉的虚拟环境。虚拟现实具有沉浸性、交互性和想象性，用户可以在虚拟环境中与虚拟物体进行实时交互，从而帮助体验者达到训练、观察、审阅等目的，为用户带来不同于传统二维设备的新体验，帮助用户从被动的观察者成为主动的参与者[7-8]。

1.2 相关软硬件

1.2.1 3D Max

Autodesk 公司出品的三维动画制作和渲染软件，以其强大的三维制作功能被广泛地应用于建筑设计、可视化仿真、动画设计、游戏和虚拟现实等领域，制作流程简洁高效，易于操作。使用3D Max 进行超前地质系统隧道模型的初始建模。

1.2.2 Vray

3D Max 外挂渲染插件，提供了真实丰富的材质、灯光、相机、渲染系统，可以帮助用户快速制作出逼真的照片效果。帮助隧道模型的贴图处理，使其更加逼真，便于在模型中更准确地区分不同地质条件。

1.2.3 Unity 3D

Unity 3D 是Unity Technologies 公司制作的一款具有良好跨平台性、可以实现建筑可视化、以C#为编程语言的2D/3D 游戏制作引擎。借助该平台对超前地质系统用户操作界面进行设计，并对各模块功能进行开发。

1.2.4 MySql 数据库

MySql 数据库属于多用户和多线程的SQL 数据库服务器，它以关系模型为基础，并借助于相关的数学概念和方法来对数据库中的数据进行管理，帮助用户使数据的存储、更新和读取更加容易。使用MySql 数据库对采集到的地质信息进行储存和组织。

1.2.5 HTC Vive 头盔

HTC 与Valve 联合开发的头戴式三维交互设备，通过左右眼图像的信息差，给用户营造虚拟环境，使其仿佛身临其境。

1.3 数据采集

隧道数据的采集大体分为3 个部分：

（1）隧道建筑数据的获取。通过实地观测以及施工方提供的隧道施工图，准确了解隧道的基本建设数据。其中包括仰拱半径、中线高度、隧道净空、洞口尺寸和附属建筑物等相关信息，以确保隧道模型建立的准确性，避免模型围岩划分时坐标位置信息出现偏差。

（2）材质的获取。建模完成以后需要对模型进行贴图处理，在贴图时选择使用现实环境的真实图片对其进行处理。在实际施工场地拍摄照片以获得相关资料，包括隧道内衬、隧道外围、围岩岩石等，以便在贴图处理时使隧道地质环境模型更加真实。

（3）地质信息的获取。在掌子面开挖之前由检测公司对施工现场进行地质检测，一般通过雷达对隧道开挖面前方地质情况进行探测，并取得一系列数据。其中包括岩石种类、断面层和富水带岩石层等地质情况。根据检测得到的传统地质素描卡，了解隧道施工场地各个施工段的地质情况，以便在模型中对不同地质情况进行区分，能够根据实际情况对隧道围岩模型进行划分建立。

2 隧道地质模型构建

根据项目需求将隧道场景的制作分为隧道所在地地形制作、隧道主体制作和隧道内部制作3 个部分。隧道模型的构建需要确保隧道模型能够良好导入Unity 3D，不影响下一步系统的建立，并在质量、内存方面完全符合VR 的使用标准。因此，在建模过程中必须注意模型坐标的设置、单位的统一，从而避免导入文件或者合并文件时模型出现各种各样的问题。

2.1 隧道地形的制作

隧道工程大多处于山丘高岭地区，地表情况比较复杂，数据处理较为繁琐。其他的建模方法对于隧道地形的描绘精准度往往不够，数字地形模型能够针对这种情况，利用连续的空间坐标值精确描绘隧道地形情况，因此采取三角网格法进行隧道地形模型的构建。对隧道所在地地形图做原始处理后提取出坐标信息，严格按照绘画原则对等高线离散化。等高线的离散代表着隧道地形的准确度，等高线之间疏密程度的合理选择对模型的建立有重要影响，本系统隧道地形等高线间距采用20 m，在保证精准度的情况下也做到模型精简化，以避免出现模型内存过大导致软件无法运行的情况。

确定等高线间距后对模型进行建立，隧道地形建模是由点到线、线到面和面到体一步一步逐步完成的过程，建模过程中还需要对等高线进行处理，需要标注每条等高线高程，确保模型的准确性。

2.2 隧道模型的构建

隧道模型在构建之前需要获取精准的隧道工程信息，将隧道CAD 图纸简洁处理删掉无关的组和备注，只留下隧道地形相关信息。主要包括隧道轮廓和主要构造物，使隧道模型更加简洁，模型创建处理更加顺畅。CAD图纸导入3D Max 之后将图纸部分做成一个组块，整体坐标和地形坐标调节一致，CAD 图纸在3D Max 之中不能做任何处理，需要对图像进行冻结。然后利用线条工具对隧道地质信息进行放样，建模时候划分好模块，明确每个模块需要制造的元素。通过一系列编辑多边形、挤压、布置和点线面的处理即完成隧道模型的创建。需要注意的是在建模的时候，应对不同地质模型区域，进行上色区分，以方便贴图处理。隧道模型创建过程如图1 所示。

图1 隧道模型创建过程

2.3 隧道模型的贴图

隧道模型构建完成之后，需要根据不同位置的实际围岩条件对模型进行贴图，使得构建的隧道模型展示更具真实性，以便帮助用户更加准确真实地感受不同的地质条件。本系统隧道构建场景的贴图采用在隧道建设中收集到的真实图片，借助Vray 插件以及利用建模软件中的UVW 贴图，来进行贴图操作。图片导入后，通过调整X、Y、Z 3 个方向的大小来调整贴图的比例，使得隧道模型的真实性更加贴近现实。隧道模型贴图效果如图2所示。

图2 隧道模型贴图效果

3 虚拟现实技术与地质模块的耦合

超前地质预报系统的流程如图3 所示。

图3 虚拟现实技术应用于隧道超前地质预报系统流程图

隧道场景模型构建完成后，将模型输出为FBX 格式。将建造好的三维模型导入Unity 3D 工程中，下载VRTK资源包，制作用户界面，其中包括平面模式、全景模式、退出按钮等。用C#语言进行模块功能的开发，使系统各模块功能实现。最终将其发布成.EXE 可执行文件[9-10]。

用户在使用该程序时，可以选用全景模式并借助外部设备HTC Vive 头盔[11-12]来查看围岩情况，全景模式下用户仿佛直接置身隧道之内，通过身体实际移动及转向可以调整观看范围，从而更加真实地观测围岩地质情况。在平面模式下可以通过旋转鼠标来改变观看的场景，关于地质情况的详细信息可以用文字的方式表述，在系统创建操作界面时进行插入，可以通过鼠标选择来查看地质信息的具体展示。

本系统地质信息展示功能模块隧道地质信息展示如图4 所示。

图4 隧道地质信息展示

4 结束语

（1）本文开发一个隧道超前地质预报程序，将虚拟现实技术应用于隧道超前地质预报。

（2）相比于传统的用表格来呈现观测信息，本系统可以使用户更加直观地观看隧道围岩的地质情况，大大提升了工程的施工效率，减少了危险事故的发生。