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空间语义约束的泥石流灾害VR场景融合建模及交互方法.docx
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2022-11-30
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空间语义约束的泥石流灾害VR场景融合建模及交互方法.docx
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泥石流灾害作为一种在山区频发的典型地质灾害,其具有突发性、发生地点不确定性
以及危害范围广等特点
[1-3]
。根据国家统计局发布的近 10 年地质灾害相关统计数据
(http://data.=stats.gov.cn/)以及国土资源部地质灾害应急技术指导中心发布的《全国地
质灾害通报》来看,泥石流发生次数所占百分比在地质灾害中仅次于滑坡和崩塌灾害,发
生频率高居第 3 位,严重制约着国家经济的可持续发展。
加强对泥石流灾害科学问题的研究对于全面提升泥石流灾害的综合防范能力有着极其
重要的作用。VR 技术的不断发展为泥石流灾害研究提供了新的技术手段与方法,其具有
沉浸感、交互性和构想性 3 个基本特征
[4]
。与纯粹的虚拟地理环境和传统的三维可视化相
比,基于 VR 技术的虚拟场景可视化与交互分析具有用户体验感强、交互模式多样以及用
户主动感知信息等优点
[5]
,能够大大提高用户对泥石流灾害场景的认知与交互效率,快速
获取泥石流灾害范围、泥深等灾情信息,从而使用户更快、更好地感知与认知灾害环境
[6-
8]
。灾害应急管理分为预防、预备、响应和恢复 4 个阶段
[9]
,利用 VR 技术辅助进行泥石流
模拟研究,在预防阶段能够用于泥石流灾害避灾宣传教育,提高公众灾害风险意识;预备
阶段用于泥石流灾害应急演练以及逃生路线规划等;响应阶段用于决策者和救援人员沉浸
式感知泥石流灾害影响范围,进行科学决策;恢复阶段用于辅助灾后心理疏导以及重建规
划等。因此,利用 VR 技术辅助进行泥石流灾害模拟、分析与规划决策,对于泥石流灾害
防灾减灾、应急处置以及提升公众灾害风险意识具有十分重要的意义
[10-13]
。
目前,VR 技术主要应用于教育、游戏、军事、工业以及医学等领域
[6, 14]
。与其他领域
相比,VR 技术在灾害领域应用则相对较少,但也取得了一些研究成果。例如,将 VR 技术
应用于火灾逃生模拟
[15-18]
、地震仿真与救援
[19]
、交通事故仿真
[20]
以及防洪减灾
[21-23]
等典型灾
害中;将 VR 技术用于灾害训练中,从而降低实地训练成本,提高救援和医护人员的救助
能力
[24-26]
。
上述研究在进行灾害场景构建和沉浸式交互可视化时,其场景大都是预先构建,由于
泥石流灾害具有突发性以及地点不确定性等特性,导致泥石流灾害场景难以事先构建。此
外,泥石流灾害场景涉及范围广、对象多且灾情信息各异,单一的 VR 交互模式已经难以
满足场景中灾情信息查询与分析的需求。
针对上述问题,本文在 VR 技术的支撑下,重点研究空间语义约束的泥石流灾害场景
动态融合构建和场景多模式交互分析方法,通过场景对象之间的空间语义描述和语义关
系,构建空间方位、属性类别、空间拓扑和最优尺度等空间语义约束规则,进而实现虚拟
地形场景、专题要素信息以及泥石流模拟信息的动态融合表达;并利用符号增强表达和射
线焦点获取技术,设计多种场景交互分析探索模式,以实现多模式下泥石流灾害 VR 场景
交互与泥石流灾情信息查询分析。
1. 空间语义约束场景融合建模
泥石流灾害 VR 场景融合构建总体框架如图 1 所示,首先对泥石流灾害现场对象进行
分解;其次对其进行抽象化,形成以实体、属性和空间关系组成的概念模型,用以指导整
个虚拟场景的构建;然后将建模相关数据按照相应的格式存储,并在软硬件资源以及灾害
场景对象构建等关键技术的支撑下对单个场景模型进行恢复;最后在空间语义关系约束
下,将各个场景模型进行组合、搭配与调整,实现泥石流灾害虚拟现实表达场景的构建。
图 1 泥石流灾害 VR 场景融合构建总体框架
Figure 1. Fusion Modeling Framework of Debris Flow VR Scene
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1.1 场景对象划分及语义描述
由于泥石流灾害 VR 场景涉及灾害对象众多,本文针对泥石流灾害 VR 场景进行自上
而下的划分,并对灾害场景对象进行抽象和简化,描述属性特征并厘清场景对象之间的空
间语义关系,实现对泥石流灾害 VR 场景建模对象清晰的语义描述(见图 2)。
图 2 泥石流灾害 VR 场景概念层次结构
Figure 2. Concept-Hierarchy Structure of Debris Flow VR Scene
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1.2 场景数据存储及软硬件环境
本文涉及的场景数据均采用文件存储系统进行存储,其中数字高程模型(digital
elevation model,DEM)和泥石流模拟结果存储为 ASCII 文件,专题数据以 SHP 和文本
文件形式存储,遥感影像为 TIFF 格式。硬件环境主要包括戴尔图形工作站、HTC VIVE 等
设备,软件环境包括 VR 主流渲染引擎 Unity3D、编译软件 Visual Studio、数据处理软件
ArcGIS 等。
1.3 场景对象建模与恢复
灾害场景对象建模与恢复指将灾害数据构建成场景对象,主要包括虚拟地形场景、专
题要素场景以及泥石流过程表达场景。下面对单个建模对象的构建方法进行详细阐述。
1.3.1 虚拟地形场景建模
以 DEM 以及遥感影像数据为基础,其主要包括格网单元坐标和高程值。首先,按照
式(1)计算格网坐标:
{X=X′+C×GsizeY=Y′+(T−R)×Gsize{X=X′+C×GsizeY=Y′+(T−R)×Gsize
(1)
式中,X'和 Y'分别表示起始点坐标;G
size
表示格网大小;C 和 R 分别表示当前格网的
列号和行号;T 表示总行数。
然后,存储各个点的坐标与高程值,按照点线面之间的拓扑关系,逆时针遍历每个三
角形的顶点坐标,并存储其对应顶点的索引编号(见图 3)。最后,通过读取地形坐标索
引数据以及纹理映射,快速构建虚拟地形场景。
图 3 顶点数据以及索引存储结构
Figure 3. Vertex Data and Index Storage Structure
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1.3.2 泥石流动态场景建模
任意时刻的泥石流模拟结果包括泥深值和流速值等信息,以支持泥石流三维动态可视
化模拟与演变。为避免数据处理过程缓慢、数据解析复杂以及数据冗余等问题,本文将只
有泥深值的格网数据进行存储(见图 4)。
图 4 泥石流模拟结果构网过程
Figure 4. Triangulation Process of Debris Flow Simulation Data
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