虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

馬軍旗，范賀凡，李 程，張志增，周 永

（1.中電建路橋集團(tuán)有限公司，北京 100160；2.中原工學(xué)院建筑工程學(xué)院，河南 鄭州 450007；3.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083）

21 世紀(jì)以來(lái)，隨著科技的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)逐步得到完善，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與傳統(tǒng)施工工藝相結(jié)合可以有效提高工作效率，這已經(jīng)成為了創(chuàng)新施工的重要探索方向。李衛(wèi)等[1]利用全景視頻技術(shù)對(duì)隧道施工實(shí)時(shí)監(jiān)控檢測(cè)；黃地龍等[2]利用三維地質(zhì)建模進(jìn)行虛擬隧道開(kāi)挖，對(duì)開(kāi)挖過(guò)程中的地質(zhì)災(zāi)害實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警；何堅(jiān)等[3]利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)隧道交通設(shè)施和環(huán)境進(jìn)行評(píng)估；鐘登華等[4]利用三維地質(zhì)建模技術(shù)創(chuàng)建動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)，為地下洞室的施工提供安全保證；陳一飛等[5]以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為核心，建立隧道災(zāi)害演練平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)災(zāi)害模擬預(yù)演從而進(jìn)行安全教育；周永等[6]將全景技術(shù)與遠(yuǎn)程會(huì)議相結(jié)合，幫助用戶更有效地了解施工環(huán)境。縱觀已有研究，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與傳統(tǒng)工藝相結(jié)合，是隧道施工工藝發(fā)展的一個(gè)重要方向，但尚未有將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)領(lǐng)域的研究。

地下工程行業(yè)日益發(fā)展，隧道施工環(huán)境復(fù)雜，受地質(zhì)、工程技術(shù)等多方面因素制約，充滿著不確定性。在隧道施工之前對(duì)施工場(chǎng)地進(jìn)行地質(zhì)勘測(cè)是重要的準(zhǔn)備工作，合理利用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)可以有效測(cè)量隧道施工場(chǎng)地環(huán)境，減少危險(xiǎn)事故的發(fā)生。傳統(tǒng)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是以地質(zhì)分析為基礎(chǔ)，以物探方法為手段，結(jié)合測(cè)繪、計(jì)算、設(shè)計(jì)等方法相互印證和補(bǔ)充，在隧道開(kāi)挖時(shí)對(duì)掌子面前方及其周邊的圍巖與地層情況進(jìn)行測(cè)量，得到相關(guān)數(shù)據(jù)后制得地質(zhì)素描卡，為下一步的施工做好準(zhǔn)備。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用，主要是指開(kāi)發(fā)一個(gè)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)程序，在傳統(tǒng)地質(zhì)素描卡的基礎(chǔ)上給用戶提供三維全景地質(zhì)圍巖模型。相比于傳統(tǒng)的用表格來(lái)呈現(xiàn)觀測(cè)信息，該系統(tǒng)將隧道地質(zhì)勘測(cè)結(jié)果和三維全景技術(shù)相結(jié)合，用三維全景的方式把隧道地質(zhì)勘測(cè)結(jié)果形象地呈現(xiàn)給用戶，幫助用戶更加直觀地了解隧道工程地質(zhì)信息，監(jiān)測(cè)施工條件，提高施工進(jìn)度，保障施工安全。

1 系統(tǒng)創(chuàng)建準(zhǔn)備工作

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)，英文名稱Virtual Reality，縮寫(xiě)為VR，是指通過(guò)傳感、計(jì)算機(jī)、人工智能、動(dòng)作捕捉、光學(xué)和可穿戴顯示設(shè)備等技術(shù)的有效結(jié)合，構(gòu)建起一種可以作用于人體感官的、與現(xiàn)實(shí)社會(huì)高度相似的、交互式動(dòng)態(tài)虛擬場(chǎng)景，為用戶創(chuàng)造一個(gè)自然、逼真、具有視聽(tīng)觸覺(jué)的虛擬環(huán)境。虛擬現(xiàn)實(shí)具有沉浸性、交互性和想象性，用戶可以在虛擬環(huán)境中與虛擬物體進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，從而幫助體驗(yàn)者達(dá)到訓(xùn)練、觀察、審閱等目的，為用戶帶來(lái)不同于傳統(tǒng)二維設(shè)備的新體驗(yàn)，幫助用戶從被動(dòng)的觀察者成為主動(dòng)的參與者[7-8]。

1.2 相關(guān)軟硬件

1.2.1 3D Max

Autodesk 公司出品的三維動(dòng)畫(huà)制作和渲染軟件，以其強(qiáng)大的三維制作功能被廣泛地應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)、可視化仿真、動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)、游戲和虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域，制作流程簡(jiǎn)潔高效，易于操作。使用3D Max 進(jìn)行超前地質(zhì)系統(tǒng)隧道模型的初始建模。

1.2.2 Vray

3D Max 外掛渲染插件，提供了真實(shí)豐富的材質(zhì)、燈光、相機(jī)、渲染系統(tǒng)，可以幫助用戶快速制作出逼真的照片效果。幫助隧道模型的貼圖處理，使其更加逼真，便于在模型中更準(zhǔn)確地區(qū)分不同地質(zhì)條件。

1.2.3 Unity 3D

Unity 3D 是Unity Technologies 公司制作的一款具有良好跨平臺(tái)性、可以實(shí)現(xiàn)建筑可視化、以C#為編程語(yǔ)言的2D/3D 游戲制作引擎。借助該平臺(tái)對(duì)超前地質(zhì)系統(tǒng)用戶操作界面進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)各模塊功能進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

1.2.4 MySql 數(shù)據(jù)庫(kù)

MySql 數(shù)據(jù)庫(kù)屬于多用戶和多線程的SQL 數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，它以關(guān)系模型為基礎(chǔ)，并借助于相關(guān)的數(shù)學(xué)概念和方法來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，幫助用戶使數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、更新和讀取更加容易。使用MySql 數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)采集到的地質(zhì)信息進(jìn)行儲(chǔ)存和組織。

1.2.5 HTC Vive 頭盔

HTC 與Valve 聯(lián)合開(kāi)發(fā)的頭戴式三維交互設(shè)備，通過(guò)左右眼圖像的信息差，給用戶營(yíng)造虛擬環(huán)境，使其仿佛身臨其境。

1.3 數(shù)據(jù)采集

隧道數(shù)據(jù)的采集大體分為3 個(gè)部分：

（1）隧道建筑數(shù)據(jù)的獲取。通過(guò)實(shí)地觀測(cè)以及施工方提供的隧道施工圖，準(zhǔn)確了解隧道的基本建設(shè)數(shù)據(jù)。其中包括仰拱半徑、中線高度、隧道凈空、洞口尺寸和附屬建筑物等相關(guān)信息，以確保隧道模型建立的準(zhǔn)確性，避免模型圍巖劃分時(shí)坐標(biāo)位置信息出現(xiàn)偏差。

（2）材質(zhì)的獲取。建模完成以后需要對(duì)模型進(jìn)行貼圖處理，在貼圖時(shí)選擇使用現(xiàn)實(shí)環(huán)境的真實(shí)圖片對(duì)其進(jìn)行處理。在實(shí)際施工場(chǎng)地拍攝照片以獲得相關(guān)資料，包括隧道內(nèi)襯、隧道外圍、圍巖巖石等，以便在貼圖處理時(shí)使隧道地質(zhì)環(huán)境模型更加真實(shí)。

（3）地質(zhì)信息的獲取。在掌子面開(kāi)挖之前由檢測(cè)公司對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行地質(zhì)檢測(cè)，一般通過(guò)雷達(dá)對(duì)隧道開(kāi)挖面前方地質(zhì)情況進(jìn)行探測(cè)，并取得一系列數(shù)據(jù)。其中包括巖石種類、斷面層和富水帶巖石層等地質(zhì)情況。根據(jù)檢測(cè)得到的傳統(tǒng)地質(zhì)素描卡，了解隧道施工場(chǎng)地各個(gè)施工段的地質(zhì)情況，以便在模型中對(duì)不同地質(zhì)情況進(jìn)行區(qū)分，能夠根據(jù)實(shí)際情況對(duì)隧道圍巖模型進(jìn)行劃分建立。

2 隧道地質(zhì)模型構(gòu)建

根據(jù)項(xiàng)目需求將隧道場(chǎng)景的制作分為隧道所在地地形制作、隧道主體制作和隧道內(nèi)部制作3 個(gè)部分。隧道模型的構(gòu)建需要確保隧道模型能夠良好導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D，不影響下一步系統(tǒng)的建立，并在質(zhì)量、內(nèi)存方面完全符合VR 的使用標(biāo)準(zhǔn)。因此，在建模過(guò)程中必須注意模型坐標(biāo)的設(shè)置、單位的統(tǒng)一，從而避免導(dǎo)入文件或者合并文件時(shí)模型出現(xiàn)各種各樣的問(wèn)題。

2.1 隧道地形的制作

隧道工程大多處于山丘高嶺地區(qū)，地表情況比較復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理較為繁瑣。其他的建模方法對(duì)于隧道地形的描繪精準(zhǔn)度往往不夠，數(shù)字地形模型能夠針對(duì)這種情況，利用連續(xù)的空間坐標(biāo)值精確描繪隧道地形情況，因此采取三角網(wǎng)格法進(jìn)行隧道地形模型的構(gòu)建。對(duì)隧道所在地地形圖做原始處理后提取出坐標(biāo)信息，嚴(yán)格按照繪畫(huà)原則對(duì)等高線離散化。等高線的離散代表著隧道地形的準(zhǔn)確度，等高線之間疏密程度的合理選擇對(duì)模型的建立有重要影響，本系統(tǒng)隧道地形等高線間距采用20 m，在保證精準(zhǔn)度的情況下也做到模型精簡(jiǎn)化，以避免出現(xiàn)模型內(nèi)存過(guò)大導(dǎo)致軟件無(wú)法運(yùn)行的情況。

確定等高線間距后對(duì)模型進(jìn)行建立，隧道地形建模是由點(diǎn)到線、線到面和面到體一步一步逐步完成的過(guò)程，建模過(guò)程中還需要對(duì)等高線進(jìn)行處理，需要標(biāo)注每條等高線高程，確保模型的準(zhǔn)確性。

2.2 隧道模型的構(gòu)建

隧道模型在構(gòu)建之前需要獲取精準(zhǔn)的隧道工程信息，將隧道CAD 圖紙簡(jiǎn)潔處理刪掉無(wú)關(guān)的組和備注，只留下隧道地形相關(guān)信息。主要包括隧道輪廓和主要構(gòu)造物，使隧道模型更加簡(jiǎn)潔，模型創(chuàng)建處理更加順暢。CAD圖紙導(dǎo)入3D Max 之后將圖紙部分做成一個(gè)組塊，整體坐標(biāo)和地形坐標(biāo)調(diào)節(jié)一致，CAD 圖紙?jiān)?D Max 之中不能做任何處理，需要對(duì)圖像進(jìn)行凍結(jié)。然后利用線條工具對(duì)隧道地質(zhì)信息進(jìn)行放樣，建模時(shí)候劃分好模塊，明確每個(gè)模塊需要制造的元素。通過(guò)一系列編輯多邊形、擠壓、布置和點(diǎn)線面的處理即完成隧道模型的創(chuàng)建。需要注意的是在建模的時(shí)候，應(yīng)對(duì)不同地質(zhì)模型區(qū)域，進(jìn)行上色區(qū)分，以方便貼圖處理。隧道模型創(chuàng)建過(guò)程如圖1 所示。

圖1 隧道模型創(chuàng)建過(guò)程

2.3 隧道模型的貼圖

隧道模型構(gòu)建完成之后，需要根據(jù)不同位置的實(shí)際圍巖條件對(duì)模型進(jìn)行貼圖，使得構(gòu)建的隧道模型展示更具真實(shí)性，以便幫助用戶更加準(zhǔn)確真實(shí)地感受不同的地質(zhì)條件。本系統(tǒng)隧道構(gòu)建場(chǎng)景的貼圖采用在隧道建設(shè)中收集到的真實(shí)圖片，借助Vray 插件以及利用建模軟件中的UVW 貼圖，來(lái)進(jìn)行貼圖操作。圖片導(dǎo)入后，通過(guò)調(diào)整X、Y、Z 3 個(gè)方向的大小來(lái)調(diào)整貼圖的比例，使得隧道模型的真實(shí)性更加貼近現(xiàn)實(shí)。隧道模型貼圖效果如圖2所示。

圖2 隧道模型貼圖效果

3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與地質(zhì)模塊的耦合

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的流程如圖3 所示。

圖3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)流程圖

隧道場(chǎng)景模型構(gòu)建完成后，將模型輸出為FBX 格式。將建造好的三維模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D 工程中，下載VRTK資源包，制作用戶界面，其中包括平面模式、全景模式、退出按鈕等。用C#語(yǔ)言進(jìn)行模塊功能的開(kāi)發(fā)，使系統(tǒng)各模塊功能實(shí)現(xiàn)。最終將其發(fā)布成.EXE 可執(zhí)行文件[9-10]。

用戶在使用該程序時(shí)，可以選用全景模式并借助外部設(shè)備HTC Vive 頭盔[11-12]來(lái)查看圍巖情況，全景模式下用戶仿佛直接置身隧道之內(nèi)，通過(guò)身體實(shí)際移動(dòng)及轉(zhuǎn)向可以調(diào)整觀看范圍，從而更加真實(shí)地觀測(cè)圍巖地質(zhì)情況。在平面模式下可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)鼠標(biāo)來(lái)改變觀看的場(chǎng)景，關(guān)于地質(zhì)情況的詳細(xì)信息可以用文字的方式表述，在系統(tǒng)創(chuàng)建操作界面時(shí)進(jìn)行插入，可以通過(guò)鼠標(biāo)選擇來(lái)查看地質(zhì)信息的具體展示。

本系統(tǒng)地質(zhì)信息展示功能模塊隧道地質(zhì)信息展示如圖4 所示。

圖4 隧道地質(zhì)信息展示

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）本文開(kāi)發(fā)一個(gè)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)程序，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。

（2）相比于傳統(tǒng)的用表格來(lái)呈現(xiàn)觀測(cè)信息，本系統(tǒng)可以使用戶更加直觀地觀看隧道圍巖的地質(zhì)情況，大大提升了工程的施工效率，減少了危險(xiǎn)事故的發(fā)生。