基于虚拟现实技术的流域大坝典型边坡时空数据可视化模型研究

沈定斌，孙川良，冯 俊，张荣鑫

(1.国电大渡河流域水电开发有限公司，四川 成都 610016；2.广州亮风台信息科技有限公司，广东 广州 510653)

0 引 言

虚拟现实技术研究最早可追溯到20世纪60年代，当时有人认为人类可以将显示屏作为一扇窗户，通过显示屏观察计算机中存在的虚拟世界，其难点在于如何确保显示屏中图像的真实感，而且图像中物体的行为也同样要具有较强的真实感[1-2]。直到上世纪末，美国科学家才正式提出虚拟现实技术。随后随着计算机技术的迅速崛起，虚拟现实技术在世界范围中得到发展[3]。虚拟现实技术实际上是在计算机仿真技术、图像学、多媒体技术上发展起来的，应用于医学、军事、航天事业中。但实际上，虚拟现实技术还没有一个准确的定义，通常情况下，可将其定义为建立和体验虚拟世界的计算机系统。虚拟现实技术通过计算机构建虚拟环境，利用听觉、视觉、触觉等感官对用户发生作用，使用户产生身临其境的现实交互感觉[4- 6]。可视化技术主要用于文本信息高效组织，通过抽取转换信息对象，再实行高度抽象整合，使用动画、图形或图像的方式对信息对象特征实行表达，降低信息浏览的盲目性，节省操作时间[7]。

我国领土幅员辽阔，江河湖海密布，众多河流湖泊都在高山峡谷中穿行，水利水电工程以及流域大坝建造环境越来越复杂，边坡高度也越来越大。为提升边坡的稳定性，诸多研究者对此进行了研究，有学者设计了一种针对走滑断层区域公路边坡的北斗监测方法，该方法使用北斗自动检测技术，通过遥感实现边坡情况的监测，但该系统受自然因素影响较大，导致监测结果的稳定性不佳[8]；还有学者提出一种露天矿高陡边坡物联网监测方法，通过构建多层多代理分布的系统拓扑模型对边坡进行监测，但该方法的结构过于复杂，存在响应时间方面的缺陷[9]。除此之外，地质问题需要从空间和时间2个维度映射数据信息，以提升监测结果的全面性，但以上方法仅从1个维度反映信息构成，难以对地质问题进行全面表现，不能满足高度发展的信息速度需求，起到提供全面监测信息的作用。

为解决以上问题，从时间、空间双重维度对流域大坝典型边坡进行监测，本文利用虚拟现实技术，设计一种流域大坝典型边坡时空数据可视化模型，以期为提高流域大坝边坡检测效率以及提升流域大坝边坡稳定性提供一定帮助。

1 流域大坝典型边坡时空数据可视化模型构建

本文采用虚拟现实技术对流域大坝典型边坡实行建模，建模完成后，构建三维时空数据模型，从时空角度出发，实现流域大坝典型边坡精确时空虚拟现实可视化。

1.1 三维时空模型构建

首先采用时空数据模型对时间、空间相关数据进行描述[10]，依据时空数据虚拟现实可视化需求构建三维时空模型。模型结构见图1。

三维时空模型可将河流、边坡、地形等地理信息在某时间下的状态定义成模型中的最小单元对象，并与表示UserID关联的数个时间状态对象共同构成一个时空过程。各个状态对象均能表示此时空过程在某个时刻或时间段的形态，每个ID是各状态对象的位移标识[11]。各状态对象都包含时间和空间信息，在本文构建的模型中，空间信息是流域大坝典型边坡模型，时间信息是记录状态持续时间的起始。本文设计的三维时空模型将状态对象的有效持续时间设定为“出现时间”至“消失时间”这一时间段。该时间段是由当前状态时刻记录被下一状态时刻记录减去而获得的。

为实现时空数据的可视化，需要对时空过程的时间差值进行模拟，依据前一个状态变化到后一个状态的时间长短，采用“开始”至“完成”的时间段表示“出现”和“消失”2个时间外延变化过程所花费的时间。为尽量贴合实际记录状态出现和消失的过程，添加2个模拟时间段，以解决可视化中出现的“突变”和“跳跃”现象。

为实现时空筛选，在可视化渲染管线内遍历检查全部场景的节点包围体，检查包围体空间范围是否存在于视口中。经空间筛选，在渲染列表中添加需绘制的实体，在时间维采用空间筛选的思路，检查场景内全部节点的持续时间，分析当前视口时间是否在持续时段中，并经时间筛选得出需绘制的实体，实现灵活切换不同的时间数据。

经时空筛选，提升时空数据动态可视化效果，随着变换时间切换时空数据，最终效果类似幻灯片播放的动态可视化。由于一旦出现时间跳跃会导致可视化失真，时空切换不平滑[12]，为解决这一问题，本文采用时间差值作为时空过程模拟方法，计算前一时间和后一时间之间的时间间隔，以时间为基础的线性差值公式为

(1)

式中，A(t)为任意变量或函数在t时刻下的值；Tb与Te分别表示前一时间和后一时间。采用时空模型模拟的出现过程与消失过程，模拟出邻近时空数据变化过程，实现数据平滑过渡，从而模拟时空切换过程[13]。

1.2 流域大坝典型边坡时空可视化模型构建

采用虚拟现实技术构建流域大坝典型边坡可视化模型，以展现边坡实体几何结构和拓扑关系。边坡工程时空数据的表达方式是构建边坡虚拟现实可视化模型的基础[14]。流域大坝边坡多维岩石结构一般包含地上、地下、地质三方面的结构，较为复杂，建模所需信息量较大，对可视化要求也较高。为解决这些问题，本文采用常见的虚拟现实技术结合裁剪NURBS(非均匀有理B样条)曲面与B-Rep(边界表示法)构建边坡虚拟现实可视化模型，边坡三维模型边界曲线和NURBS曲面裁剪采用NURBS结构，裁剪NURBS曲面空间拓扑关系采用B-Rep实体数据实现。

1.2.1 裁剪NURBS结构

(2)

任意拓扑结构的复杂自由曲面难以采用常规的块状NURBS全面表示，曲面参数空间定义曲线裁剪NURBS曲面得到裁剪NURBS曲面[15]。符合以下约定才能实现裁剪NURBS曲面：①曲面环内部出现保留是因为面向逆时针循环裁剪曲线环，如果顺时针循环裁剪NURBS曲面则得到曲线环外部保留。②复合裁剪曲线环可以出现在同1个裁剪曲面中，前提是最外边界的曲线环始终保持面向逆时针。③参数空间正视图方向由v轴定义，u是曲线环的面向。流域大坝典型边坡时空数据可视化过程中的大多数地质模型都可以通过裁剪NURBS曲面实现模型结构界面进行表达。

1.2.2 B-Rep半边结构

为减少流域大坝典型边坡时空数据运算花费时间，本文采用B-Rep(翼边数据结构边界表示法)描述1条边和对应的4条邻边、2个顶点以及2个邻面拓扑关系之间的数据结构。采用翼边结构确定当前边所处的面和环存在一定困难，所以需要采用改进的翼边结构，将1条边分成2条半边，2条半边各自属于各自相邻的边环，构成1个整体的半边结构。Loop、Face、Half Edge、Solid以及Vertex等5个层次组成半边结构的实体模型数据，方便查询组成元素的相关信息，保证不修改实体数据结构，实现实体局部操作。拓扑结构相同的物体可采用统一数据结构描述形状和尺寸，同时附加其他非几何信息在数据结构中，从而实现功能扩展与信息融合。另外，B-Rep结构可采用边界面定义实体来实现描述几何对象。在B-Rep结构中，边界可以是任何1个自由曲面、边。因此，在对流域大坝典型边坡实行三维建模时，需要通过裁剪NURBS曲面构成地质、地形和地理，采用B-Rep简化边坡局部区域。采用欧拉函数对较复杂的边坡工程进行洞室、地质和地面等对象实体的构建，从而完成相关数据的可视化展现。至此，完成流域大坝典型边坡时空数据可视化模型的构建。

2 试验验证

为验证本文构建模型的效果，以三峡大坝作为研究对象，将该大坝边坡数据输入模型中，以实现时空数据的可视化。三峡大坝全长约3 335 m，坝顶高程185 m，于2018年发电量突破1 000亿kW·h，创单座电站年发电量新的世界纪录，是目前世界上最大的水力发电工程，供电范围多达10个省。虽然大坝建成后造成部分鱼类生存环境的改变，但对区域发展仍具有十分重要的意义。本文选取该项目2018年1月～12月4个季度的水量变化情况，根据本文构建的基于虚拟现实技术的流域大坝典型边坡时空数据可视化模型，得到流域大坝典型边坡时空数据可视化效果图。图2是利用本文模型做出的大坝边坡范围中整体环境随着时空变化出现的场景变化。

在系统中随着切换时间范围，第1、4季度为旱季，降水较少，下游进入枯水季节，研究区域大坝开闸泄洪，水位下降；第3、4季度研究区域进入蓄水期，水位上升。随着时间与空间的切换，本文模型始终能准确呈现出准确的可视化效果，而且模拟的图像并未失真，页面之间平滑切换，具有良好的虚拟现实效果和可视化效果，既能直接监测时空变换后，流域边坡的防御能力以及边坡防护范围中水位的变化情况，也能帮助相关部门实现流域边坡的可视化监测。

由于本文模型采用裁剪NURBS结构和B-Rep半边结构，因此可以实现边坡的剖切可视化效果，可以通过已有边坡数据生成边坡断面地质条件的可视化效果图，有助于监测边坡地质变化情况和边坡物理量变化规律，分析当地地质特性，防止大坝边坡出现地质问题，杜绝安全隐患的出现。图3为不同测量高度边坡剖面的可视化效果。从图3可以看出，本文模型可获得视觉效果良好的流域大坝典型边坡剖面可视化图像，为边坡安全监测工程提供可视化显示效果，作为地质报告的可靠依据。

在可视化过程中，数据传输速度需要达到60 b/s 才能保证可视化效果图构建效率。为对比模型性能，同时将走滑断层区域公路边坡的北斗监测方法(对比方法1)和露天矿高陡边坡物联网监测方法(对比方法2)应用于研究区域的边坡监测分析中，本文系统与对比系统的数据传输速率对比见表1。从表1可以看出，对比方法1仅有2次测试数据传输速率达到60 b/s，该方法在使用时卡顿比较严重；而对比方法2共有6次试验结果达到60 b/s以上，说明在运行时出现差错的情况较少，能实现基本使用的需求；本文方法的数据传输速率都达到60 b/s以上，随着试验次数的增加，数据传输速率达到80 b/s以上，能在更短的时间内完成边坡时空数据的可视化展现，说明本文方法具有较好的使用体验。

表1 数据传输速率对比 b/s

本文方法主要是结合虚拟现实技术实现流域边坡各项数据的可视化，边坡相关信息都集中在数据处理环节中，使可视化效果图加载呈现承受较大的压力，对不同数据量可视化效果图加载呈现所耗费的时间进行分析，结果见表2。

表2 效果图加载呈现耗费时间 s

从表2可以看出，随着数据量的增加，效果图加载呈现耗费时间也不断增加，2种对比方法随着数据个数的增加，加载耗费时间升高较大，当数据个数达到6 000个时，对比方法1需要耗费9.05 s才能加载出可视化效果图，而本文方法效果图加载呈现耗费时间保持在4 s以下，能够提供良好的用户体验。

3 结 语

为实现对流域大坝典型边坡的有效监控，本文构建了三维时空模型和边坡虚拟现实模型，采用裁剪NURBS曲面构建边坡三维虚拟现实模型，利用半边B-Rep组织裁剪NURBS曲面的空间拓扑关系，从而实现流域大坝典型边坡时空数据的可视化。同时，本文系统还能通过调节选取时间段切换整个边坡的虚拟现实可视化效果，不仅能展现出整体边坡的情况，还能展示边坡内部的岩土结构，为实现流域大坝典型边坡的有效监控提供帮助。