虚拟实景洪涝灾害逃生平台设计

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虚拟实景洪涝灾害逃生平台设计
王峰1侯精明1王昕泽1周思敏1王琳1董美君1刘园2
（1.西安理工大学，陕西 西安 710048；2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065）
摘要：文章以虚拟现实技术为基础，通过模拟真实城市及流域场景洪涝演进过程，创造基于虚拟现实的洪涝逃生演练系统，增强洪水来临时人员应急逃生能力。

利用Unity3D创建生动逼真的虚拟环境，让体验者身临其境，体验者通过语言、手势等与平台实时互动，让体验者更便捷、更直接地融入虚拟空间。

依托Unity3D软件良好的兼容性，浏览操作和实验管理可在PC端、移动端、VR设备等多平台实现，使互联网用户可以更容易了解洪涝灾害逃生，对未来洪涝灾害人员伤亡的减少具有重大意义。

关键词：虚拟现实；洪涝灾害；逃生演练；Unity3D
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2096-1936（2024）03-0081-03
DOI：10.19301/ki.zncs.2024.03.024
Unity3D跨平台、综合集成开发引擎，同时提供了使图像达到更逼真的高性能光影渲染系统[1]。

针对洪涝灾害中，模拟结果难以采用实验方法直观观察。

本文采用基于Unity根据洪涝二维计算模拟实景，让用户直观地观测洪涝演进过程，从洪涝灾害演进过程中学习逃生技能。

虚拟实验平台的建立允许用户在任何时间段均能参与洪水逃生演练减少了逃生练习过程中难以预测的危险[2]。

虚拟现实技术是一门前沿交叉技术学科，虚拟现实具有交互性、沉浸性和构想性三大特点[3]。

其中交互性是用户与虚拟环境进行交互，沉浸性是虚拟环境展现给用户的真实程度，而构想性是虚拟现实环境赋予了用户更大的发挥空间，从而超越真实，充分发挥用户的创造性[4]。

VR通过创造仿真情景让用户从接收学习能力变为直观地学习[5]。

与二维洪涝灾害屏幕展示相比，虚拟现实技术可以让用户身临其境地感受洪涝演进过程[6]。

虚拟现实展示洪涝灾害也存在局限性，相比以往的二维洪涝平面展示，三维洪涝危害展示设备通常较大且使用复杂，需要学习时间且设备价格相对昂贵。

本文将VR应用于洪涝灾害预防演练领域，通过对洪涝暴雨场景的模拟，解决传统洪涝逃生演练存在的问题。

1　方案设计
为创造洪涝灾害演进过程需要典型洪涝灾害区域采集现场地形地貌基础等景观数据与建筑物信息，并对土地下垫面类型、建筑物地理位置及相应高度等信息进行精细化数据处理。

采用3DMax对街区进行三维建模并导入Unity3D，以Unity作为工具进行场景交互设计，以C#语言编写、开发各种仿真算法、特效算法。

经过反复对区域仿真体验、测试、改进，最终发布洪涝灾害逃生仿真系统。

方案设计流程如图1所示。

1.1　架构设计
洪涝灾害逃生演练系统按整体架构特点，分为应用层、业务层、数据层3个部分。

应用层即表现
图1　方案设计流程
收稿日期：2023-12-13
作者简介：王峰，硕士，研究方向为VR可视化及水利虚拟仿真。

基金项目：中国电力建设股份有限公司重点科技项目（DJ-ZDXM-2022-41）；中国电建集团西北院公司级重大科技项目（XBY-ZDKJ-2022-9）
引用本文：王峰,侯精明,王昕泽,等.虚拟实景洪涝灾害逃生平台设计[J].智能城市,2024,10(3):81-83.
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层，提供用户界面，选择相应的功能；业务层主要是对用户请求进行处理，向表现层传递用户请求，每个服务器与数据层交互，完成对数据的运算；系统数据的管理核心是数据层。

在洪涝场景构建的基础上，用户通过操纵手柄控制位置的移动以及与场景内物品、设施进行交互操作。

目前洪涝灾害平台系统已经开发两种模式以及两个场景，用户可以体验两种场景并进行学习。

洪涝场景设计如图2所示。

目前，虚拟洪涝系统主要设计了学习者模块和体验者模块两个模块，用户可以选择进入不同的模式。

在观测者模块中，以西安小寨作为观测区域，通过实际时间的暴雨天气演变过程，观测各个区域内涝变化过程，用户可以在空间内随意移动并任意切换视角，从全局视角了解洪涝演进的整体过程。

学习者模块中用户通过教程指引进行逃生，在这个模块中需要依靠自己的判断及系统提示进行逃生。

在逃生过程中，用户如果没能在规定时间内逃生，系统会提示用户正确的逃生方法并进行指引。

本文采用引导式洪涝逃生演练教学，用户在洪涝场景第一人称视角进行逃生，虚拟洪涝逃生演练系统充当引导者对用户在洪涝灾害过程中进行指导与提示，随着洪涝演进过程，水位不断提高。

模拟真实洪涝演进过程，使用户可以完整地观察洪涝演进过程并进行逃生训练。

1.2　典型洪涝灾害逃生VR 演练系统开发与建模1.
2.1　开发平台与工具
基于Unity的VR典型洪水灾害逃生演练系统使用Unity3D作为开发平台，基于VR进行开发二维洪涝演进过程平台，集视觉、听觉等直观感受进行研发，以模拟第三视角观测真实世界的洪涝演进过程，采用的工具为Pico G2眼镜及移动式手柄。

设备能够和系统契合并协助用户在虚拟世界完成探索。

1.2.2　典型洪涝三维场景建模
本系统创建河道流域洪水、城市极端暴雨内涝情景模拟两个场景。

本文利用3Dsmax软件建模制作房屋、建筑物、树木、流域等场景。

完成场景建模
后将模型导入系统，制作上午、下午及晚上3个时间段的场景，真实模拟洪涝演进过程，此外只需要导入降雨数据就可以实时模拟真实的洪涝演进过程，若没有大规模建筑物拆除建造无须重新架构模型，小规模房屋建造及拆迁对整个区域的洪涝模拟结果影响微小，可以忽略不计。

实景模拟中的LOD技术采用实时再现模拟实景，采用了Unity3D中的LOD技术，实现了视角下对场景的观测真实还原。

采用Unity3D中提供的LOD Group组件，主要功能是构建多层次、高分辨率的复杂场景细节模型，简化三维场景的解析需求。

对于同样的虚拟场景，根据视点距离构造一组三维模型，能够显示不同的细节，在模型驱动时，不影响视觉效果的情况下，自动显示出不同层次的模型，从而实现对模型实时简化的目的。

地形地貌模型创造采用Unity中Terrain地形工具打造地形地貌模型和景观贴图。

采用3Dmax三维实体构造植物模型的树木、草丛等虚拟植物建模方法，将城市及流域的植物和建筑物按照等比例进行表现，并对建模的各部分进行精细处理。

1.3　交互设计
在洪涝灾害虚拟场景中，体验者在逃生过程可以自主选择路线以及使用的物品，系统在风险性较高的区域进行警告更换路线，在洪涝逃生场景中用户依据自主想法进行逃生，如果选择错误的路线或进入危险的地方，系统会根据危险程度进行警告，根据不同危险等级进行警告划分，可以让用户理解自身处境并了解洪涝演进过程。

在洪涝灾害逃生演练系统中，用户在逃生过程中通过移动式手柄进行移动。

与常规摇杆相似，在虚拟场景中用户通过前后左右进行移动，视线方向为移动方向。

2　虚拟体验平台开发流程
虚拟洪涝灾害逃生平台的完整开发流程为Unity3D进行基础架构，创造区域的地理信息以及交互设计最终上传至用户服务器。

根据用户需要，模拟特定逃生场景以达到更有效的逃生演练效果。

2.1　模型构建与场景搭建
虚拟洪涝场景采用3Dmax进行模型建构，与其他软件相比，使用此软件更适用于建筑物的建构。

由于系统建造场景为小寨中心城区，周围建筑物相对密集，需要建模大量的建筑物及道路，环境相对复杂，采用3Dmax更合适。

创建小寨中心城区，依靠无人机观测地理信息及建筑物地理信息，
使其能够等比例还原真实环
图2　洪涝场景设计
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境。

洪涝灾害虚拟平台模型如图3所示。

2.2　虚拟洪涝平台应用
虚拟洪涝平台开发完成“城市内涝灾害虚拟体验”“流域洪水灾害虚拟体验”2个实验项目，主要针对城市及乡镇两类地区进行极端暴雨演进过程研究。

虚拟模拟实验的开发流程为原始地形和建筑物观测、虚拟场景等比例建构、用户与系统交互以及洪涝系统发布。

虚拟平台实现需要导入场景资源并搭建场景元素。

在创建完成后，点击Assets选项，在下拉菜单中找到Import Package选项中Custom Package，Import会弹出Package对话框。

将建立好的模型资源文件点击在Import package对话框中，点击打开文件开始导入资源。

完成基础场景、建筑物、河流等景观在该场景均存在相应的空间位置及体积，降雨时间序列加载进来后，雨水会根据时间推移而逐渐增大再降低，城市水位也相应变化。

UI界面交互的建立使用NGUI插件在Unity3D软件中创建，NGUI是一款应用于Unity3D软件中方便创建实验所需UI界面的插件。

以场景进入与切换为例，用户进入场景选择界面，计算机实时运行进行用户与周围场景的互动及接触反应。

用户在体验结束之后可以进行场景切换，更换下一个场景进行演练或观测。

实现“原理介绍”“仿真体验”“逃生自救演练”三大虚拟体验功能。

在完整虚拟实验的开发中，模型的交互操作较为复杂，具体包括场景切换，视角切换，前进后退，物品的拾取、丢弃、使用、组装，界面标签选择，条件控制交互，实时信息反馈，实验进程控制等。

以被淹车内人员逃生自救过程为例，场景内汽车被淹、车内人员通过使用逃生自救工具进行逃生，用户鼠标或者键盘的点击输入操作，车内淹没逃生方式并不唯一。

当救生锤、漂浮物、天窗开关、后仓开关被触发后播放相应物品所挂载的运动动画，从而实现对应场景物品或者逃生通道交互。

虚拟实验发布Unity3D可将定制开发内容，利用Unity Web Player发布成网页版本上传至服务器端，实现Web端的虚拟实验访问。

通过互联网的方式对平台进行访问，以目前开发的两个平台城市极端暴雨洪涝模拟和流域洪水灾害模拟实景可视化而言，开发者通过开发将应用上传至云端，用户可在本地参与实景演变过程，有效提高虚拟逃生应用的效率。

开发者可以根据用户需求实时进行修改，有效解决潜在的漏洞并实时更新，使洪涝灾害逃生平台不会随着时间推移而逐渐失去效果。

虚拟实验发布Unity3D可将开发内容上传至服务器端，利用Unity Web Player发布成网页版，实现用户可以通过电脑、手机、VR设备进行访问。

将创建的虚拟演练平台组件打包后发布为网页文件，用户可以通过Internet访问创建的虚拟仿真实验平台。

3　结语
本文依靠Unity3D开发了虚拟洪涝逃生演练系统，并基于真实地理环境等比例还原。

在模拟真实洪涝过程中，用户可以观测极端暴雨情况下水流运动情况。

系统可以让用户了解安全地点并给予极高的自由度，系统开放性及拓展性相对更高，可以变换模式及场景并根据用户需要进行相应的变换。

综合而言，该系统是一个体验良好的洪涝虚拟仿真实验平台，平台用于观赏洪涝演进过程、更为真实且较低成本的洪涝灾害演练训练。

该虚拟洪涝灾害逃生演练平台的搭建能够提升用户对洪涝灾害来临时感知的能力，获得更真实的实际体验。

参考文献
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水文,2023,43(1):84-89.图3　洪涝灾害虚拟平台模型。