露天矿生态重建虚拟现实仿真系统.pdf

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 文章编号10082752420011120008 - 03 露天矿生态重建虚拟现实仿真系统 Ξ 申闫春,张幼蒂,才庆祥,马从安 中国矿业大学能源科学与工程学院,江苏 徐州 221008 摘要介绍用MultiGen GreaterPro建模软件和VegaAPI编程技术开发露天矿生态重建视景仿真系统所采用的几 项计算机处理方法和关键技术。针对露天矿生态重建特点,采用层次型与面向对象相结合的三维数据结构,构造露天 矿生态重建视景仿真模型;采用LOD技术为露天矿虚拟环境中的地形和建筑物构造多层次、 多分辨率的细节模型,对 三维型地形模型按数据块进行简化,以适应不同硬件平台和视觉特性的分辨率需求;采用Vega软件实现露天矿三维 动态全景图显示与实时驱动的基本方法;采用实物标图技术在虚拟场景中进行生态重建规划方案的设计。 关键词虚拟现实;露天矿;生态重建;仿真 中图分类号TD752 文献标识码A 1 虚拟现实简介 虚拟现实技术Virtual Reality - VR的发展 使仿真系统达到最高阶段,称之为VR仿真系统, 它提供了一种能在计算机上设计并创建丰富多彩 的三维动态虚拟世界,并交互感应和自由转换视 角功能的崭新工具。用虚拟现实技术模拟和分析 现实世界的各种真实现象,不仅能以三维动态可 视化的形式反映现实世界的全貌,而且可以获得 各种目标物的精确位置和相关信息,以便用于信 息查询、 工程计算、 动态模拟、 规划决策等领域。 MultiGen建模软件和Vega实时驱动软件是 目前开发VR仿真系统的优秀软件之一,广泛用 于城市仿真、 规划方案论证、 作战模拟、 战场环境 生成等领域。MultiGen GreaterPro是最新推出的 高逼真度的实时三维视景仿真建模工具,是目前 唯一将多边形建模和纹理贴图、 矢量编辑和建模、 地形地貌生成集成在一起的建模工具,它为开发 VR视景仿真系统提供了一个崭新的工具。Vega 是实时视景模拟驱动软件,Vega包括了完整的C 语言应用程序接口,即VegaAPI函数库。采用 VegaAPI函数开发虚拟现实视景仿真系统能显著 提高工作效率,大幅度减少源代码开发时间,可以 实现漫游、 缩放、 视点切换、 碰撞检测、 地势追踪、 获取目标信息等功能。 露天矿对生态环境的影响具有开采速度快、 破坏面积大、 开采时间长、 生态重建目标要求高等 特点,对生态环境重建的规划不是最初环境的简 单恢复,而是按照采矿的时空发展顺序和最终符 合当地人们的需求和价值取向,对生态系统的组 成、 结构和功能进行积极的安排和调控,重建一个 高水平、 可持续发展的生态系统。因而,用虚拟现 实技术开发露天矿生态重建视景仿真系统对于研 究露天矿生态重建的规划设计、 方案论证、 决策支 持和综合治理具有重要意义。 2 露天矿三维地质模型的建立 露天矿生态重建仿真模型具有三维、 动态、 场 景范围大和实体不规则等特点,因而,研究一种适 应露天矿生态重建仿真模型特点的三维数据结 8 试验研究 IM 当视点逐渐移近物体时,实时仿真系统将显 示为一个高细节层次的模型。由于实时仿真系统 所能显示的最大多面体数目是有限的,利用LOD 可以让你在近距离看到非常细致的三维模型图, 而在远距离只能看到轮廓图形。因而,用LOD技 术构建的层次细节模型结构,可以让我们针对不 同的硬件平台和视觉特性建立不同的地形或建筑 物分辩率。 我们采用基于视点的连续LOD算法,该算法 的基本原理是根据DEM数据点与视点的关系, 对DEM按数据块进行简化。具体方法是首先, 将一个地形块如3000m2000m的实测数据 经过格网化处理,以每1m为单位得到一个高程 点数据,可得到一个30002000网格点的格网数 字高程模型DEM数据模型 , 该模型便是细节层 次最高的LOD数据模型。其次,将格网模型按 X、Y方向间距100个点细分成600块100100 的数据块,以便产生基于视点的LOD模型。然 后,根据LOD的视觉属性为每一个数据块分别建 立不同层次的LOD模型,一般分为低、 中、 高三层 LOD模型。如当视点大于2 0000m时,显示低 LOD模型;当视点介于5 000m和2 0000m之间 时,显示中LOD模型;当视点小于5 000m时,显 示高LOD模型。当在漫游虚拟场景时,根据视点 与数据区的距离、 数据区是否在视区内等数据自 动调用相应的LOD层次模型,以显示不同分辨率 的三维地形图。 对于虚拟场景中的建筑物或其它实体也可采 用LOD技术实现多层次、 多分辨率的显示目的。 一般将建筑物或物体建立为低、 中、 高三层LOD 模型。如图2所示。 图2 虚拟场景中建筑物的三层LOD模型 4 三维动态全景图的显示与实时驱动 9 试验研究 IM 二是用VRML浏览 器实现;三是用Vega软件及其编程函数实现。 作者对三种实现技术分别进行了探讨,方法一的 优点是功能强、 灵活性大,缺点是编程工作量太 大;方法二的优点是编程工作量小,可以实现浏 览、 漫游等基本功能,缺点是灵活性差,功能难以 完善;方法三的优点是功能强、 灵活性大,编程工 作量也不大,因而,用方法三具有更诱人的应用前 景。下面介绍用Vega软件实现露天矿三维动态 全景图的显示与实时驱动的基本方法。 Vega提供了两种方式实现虚拟场景中的实 时驱动,一是可视化编程方式;二是VegaAPI函 数编程方式。 1可视化编程方式 可视化编程方式的基本方法是在Vega窗 口左边的工具箱中选择设置工具,在右边工作区 窗口中设置参数。主要方法是选择0bject 对 象按钮,设定虚拟场景中要加入的地形、 建筑物、 运动目标等三维模型文件;选择Scenes场景按 钮,设定虚拟场景中要显示的全部目标;选择ob2 servers观察者按钮,设定在虚拟场景中进行观 察的方式;选择Motion Models运动方式按钮, 设定观察者在虚拟场景中的运动方式,如驱动、 飞行等方式;选择其它按钮,设置环境特效Envi2 ronment Effects、 运 动 目 标 players、 光 源 Lights、 音效AWSound、 碰撞检测 ISedors 等。最后,选择运行按钮,在虚拟场景中漫游,用 鼠标控制行进方向。 2 VegaAPI函数编程方式 在VC 6. 0环境中,用VegaAPI函数编程 方式开发虚拟场景实时驱动程序,可以更加灵活 地实现虚拟人漫游、 行进、 转弯、 停止、 飞行等行 为,实现场景缩放、 旋转、 平移,视点切换、 碰撞检 测、 地势追踪、 获取三维目标信息、 照明、 声音、 动 画、 事件感知等功能。 5 露天矿生态重建规划方案设计 在虚拟场景中进行生态重建规划方案设计能 快速展现出各种备选方案,能直观、 形象地看到最 终规划效果,对各种方案进行评价、 比较和优选, 通过反复人机对话,能充分发挥设计者的分析、 判 断能力,为最佳决策提供有力支持。 在虚拟场景中进行生态重建规划的设计,采 用实物标图技术,主要设计思路是用Multigen 建立各种重建对象的三维模型,将它们存入三维 模型数据库中。设计过程是首先将露天矿地形 地貌场景展现在工作区窗口,然后在实物标图工 具箱中选择实体对象,在工作区窗口中进行规划 设计。在虚拟场景中生态重建规划方案设计可以 用于地形重建、 植被重建、 功能区规划设计等方 面。例如图3是选择批量植树按钮,设计的植树 造林区。 图3 用实物标图技术设计植树造林区 6 结论 露天矿生态重建虚拟现实仿真系统能以三维 可视的、 动态的方式全方位展示、 鸟瞰、 漫游矿区 实景,能看到各种优选方案,以及逐年规划方案进 展的实景状况,能增强空间分析和三维图形管理 功能,为决策者理解和接受。因而,它是露天矿生 态重建规划方案设计、 效果展示、 方案投标、 方案 论证、 方案评审及方案决策的有力工具。 7 参考文献 [1]韦有双,王飞,冯允成.虚拟现实与系统仿真[J ].计算机仿真, 1999 ,162 63 - 66. [2]郭著实.安态堡露天煤矿土地复垦与生态重建研究[J ].露天 采煤技术,2000 ,2 36 - 38. [3]张瑞新,任廷祥等.虚拟现实技术及其在采矿工程中的应用 [J ].中国矿业大学学报,1998 ,273 229 - 234.下转33页 01 试验研究 IM open - pit mine ;ecological reconstruc2 tion;simulation 33 综合信息 IM P化工矿物与加工 2001年第11期