虚拟现实VR及物联网技术在水利上的应用研究.pdf

虚拟现实及物联网技术在水务中的应用分析

1虚拟现实

1.1技术介绍

虚拟现实（VirtualReality，简称VR)也称灵境技术或人工环

境。虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使

用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一

般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。

虚拟现实是人们通过计算机对复杂数据进行可视化、操作以及实

时交互的环境。与传统的计算机人――机界面（如键盘、鼠标器、图

形用户界面以及流行的Windows等）相比，虚拟现实无论在技术上

还是思想上都有质的飞跃。传统的人――机界面将用户和计算机视为

两个独立的实体，而将界面视为信息交换的媒介，由用户把要求或指

令输入计算机，计算机对信息或受控对象作出动作反馈。虚拟现实则

将用户和计算机视为一个整体，通过各种直观的工具将信息进行可视

化，形成一个逼真的环境，用户直接置身于这种三维信息空间中自由

地使用各种信息，并由此控制计算机。

虚拟现实用以下3种基本技术进行了概括：

1、三维计算机图形学技术；

2、采用多种功能传感器的交互式接口技术；

3、高清晰度显示技术。

仿真的目的就是通过对系统仿真模型的运行过程进行观察和统

计，来掌握系统模型的基本特征，找出仿真系统的最佳设计参数，实
现对真实系统设计的改善或优化。传统的数字仿真技术是很少考虑人

的感知模型的仿真，因而无法模拟人对外界环境的感知(听觉、视觉、

触觉)，也就是说人的想法要适应计算机，人是旁观者。

随着多媒体技术、计算机可视化、传感技术的发展，计算机模拟

外界环境对人的感官刺激开始成为可能。把虚拟现实技术引入系统模

拟仿真的各个阶段，可使人沉浸其中，对所需解决的问题有清晰的认

识，而不必单纯被动的去观察仿真的结果，将使模型的建立和验证更

加方便。通过三维数字模型和显示头盔进行该领域的视觉模拟；通过

传感机制和触觉手套来进行该领域的触觉模拟；通过音响制作和音效

卡进行声音模拟；通过机械控制和传动装置进行动感模拟。虚拟现实

技术使设计人员从“空间+时间+感受或意念”即“五度空间”感受

世界，人成为参加者。在水利工程规划、设计、施工等阶段如何应用

虚拟仿真技术是需要研究的。

虚拟现实已经被广泛应用于城市规划、医学领域、娱乐与艺术文

化、卫星与航天工业、室内设计领域、地产开发领域、农村开发管理、

虚拟工业仿真领域、应急处理预演、文物古迹还原、产品展示机展览

展示、教育学、地址文化研究等各个领域。

近年来，由于娱乐行业和数据可视化的需求提升，近年来得到巨

大的发展。通用计算机图形（CG）已经成为目前整个IT行业发展最

迅速的领域之一。
1.2水务（水利）应用

1.2.1规划设计仿真

虚拟仿真系统为水利工程规划设计提供一个全新的研究平台，它

具有安全、经济、可控、便于观察、便于参与、实用、无破坏性、可

多次重复、整体性等特点，可以对各种决策的效果与作用进行分析比

较，以作出科学合理的选择。

大型水利工程因其建设周期长、投资大、结构复杂，涉及问题多，

因此在决策阶段或建设的前期就能预测工程项目存在的问题并及时

加以纠正，降低工程投资的风险是人们所期待的。虚拟仿真技术将我

们的视野从二维平面上升到三维主体空间，采用已获取的基础数据，

针对工程项目建立三维的、动态的、实时的、可视的虚拟仿真环境。

2003年长江勘测规划设计研究院向水利部申报的“水利工程虚

拟仿真系统”是以水利工程的勘测设计、施工、运行管理为对象建立

贯穿方案论证、CAD设计、工程进度控制、运行管理全过程的可实时

显示的仿真系统，使项目参与各方都能在此环境下直观地、清晰地看

到该项目过程的整体或局部、动态或静态、历史的或现实的以及将来

的真实场景，提出自己的意见要求，并可进行各类信息查询。决策层

可在最短的时间内获得最新最准确的信息，以便对未来事件作出快速

的判断并采取相应对策。虚拟仿真技术是将数据管理、几何建模、物

理属性建模、应用建模、模型试验、虚拟可视分析集成于一个环境，

利用已有的信息建立高精度的水利工程三维模型，分析研究规划设计
中关心问题，如：水利工程规划、方案比选、枢纽总体布置和设计协

调等，在虚拟仿真环境中对所关心的问题进行观察、修改、决策、调

度或重组等，使项目在决策或实施过程中更具有科学性、经济性和可

靠性。

虚拟现实平台改变了设计验证过程。设计者可以选择要观察的模

型、选择要改变的尺寸、输入新的尺寸、确认改变等等。具体地说，

当设计者在虚拟环境中选择了要修改的产品尺寸并输入了新的尺寸

后，系统将该设计模型连同新的尺寸传回到CAD系统中，并