天津市濱海新區虛擬全景氣象觀測場設計與實現

陳 濤 ，卜清軍，沈岳峰

(1.天津市濱海新區氣象局探測與信息中心 天津300456；2.中國科學院合肥物質科學研究院安徽光學精密機械研究所 安徽合肥230031)

0 引 言

隨著社會、經濟和科技的發展，氣象與國計民生的關系越來越緊密，人們的社會氣象意識、氣象觀念提升，對氣象工作也有了更新的要求。目前，涵蓋新媒體、網站、短信、手機 APP、電視、電話等全媒體的氣象服務正快速發展。信息技術與科普的結合已經成為當今科普領域改革和發展的有機組成部分[1，2]，在氣象科普工作中引入“互聯網+”氣象宣傳，有助于氣象科普工作更好地為公眾服務。

虛擬全景技術是一種基于圖像的建模與渲染的實時動態顯示技術。三維全景虛擬現實技術，在各行業的宣傳、展示中提供了一種全新的表現形式，讓目標群體僅通過手機、電腦、網絡即可身臨其境地感受全景視圖[3]。

本文利用三維全景技術設計開發了天津市濱海新區氣象虛擬實景氣象觀測場，采用基于魚眼圖像的球面全景以及 Krpano引擎，結合多種格式的音頻、圖形文件嵌入方法，建設完成具有互動功能的虛擬現實氣象觀測場平臺，在濱海新區氣象科普基地布設終端顯示，通過線上線下結合的方式，提升科普基地體驗、互動、宣傳、教育等能力。濱海新區虛擬氣象觀測場針對學齡前兒童和小學生進行科普教育，將科普寓教于樂，從而增加少年兒童學習氣象探測儀器科學內涵的興趣。

1 系統功能與架構

天津市濱海新區虛擬氣象觀測場系統整體功能架構主要包含三維場景、儀器識別及動畫、觀測數據檢索及定時推送以及儀器觀測數據展示(圖1)。

圖1 系統功能架構圖Fig.1 System function architecture diagram

①三維場景的建立基于 Krpano平臺，利用單反相機、魚眼鏡頭配合全景云臺進行拍攝。Krpano是一種基于 Flash的三維全景播放器，支持各種類型的全景圖以及全景視頻和環物全景。利用魚眼鏡頭的鏡頭的寬視角和單反數碼相機的高像素，配合全景云臺實現場景的優質拼接，建立觀測場的多個三維全景，實現系統平臺內的場景切換、漫游功能，支持場景的上下、左右移動。

②儀器識別及原理動畫顯示模塊：系統實現觀測儀器識別(熱點創建)功能，鼠標移動至相關儀器后，能夠突出顯示該儀器輪廓，鼠標左鍵點擊被識別儀器后，能夠出現儀器觀測原理動畫或圖片。

③觀測數據檢索及定時推送模塊：基于全國綜合氣象信息共享平臺(CIMISS)統一數據環境和服務接口(MUSIC)，實現全要素觀測數據的檢索功能，并實現檢索結果寫為本地 JSON文件，通過 FTP實現公有云的數據推送。

④儀器觀測數據顯示：鼠標點擊熱點觀測儀器后，能夠實現前后端 Http響應，并可實現基于百度ECHARTS的高交互圖表顯示。

2 系統特點及功能

2.1 系統三維場景

基于 Krpano的三維場景平臺，建立天津市濱海新區氣象局國家基本氣象觀測站的4個三維全景(包含百葉箱、地溫、大氣電場儀及業務辦公樓)，實現系統平臺內各場景的切換和漫游功能，場景可上下、左右移動。實現界面如圖2所示。

圖2 濱海新區觀測站三維場景建立及交互模塊Fig.2 3D scene establishment and interaction module of meteorological observation station in Binhai New Area

2.2 熱點區域動畫展示功能

系統實現觀測儀器識別(熱點創建)功能，鼠標移動觀測場內的各觀測儀器時，突出顯示百葉箱、雨量桶、地溫、大氣電場儀、10m 風塔等氣象觀測儀器的輪廓，鼠標左鍵點擊被識別儀器后，顯示儀器觀測原理動畫或圖片。儀器識別實現效果如圖 3所示，儀器觀測原理動畫實現效果如圖4所示。

圖3 儀器識別高亮顯示效果Fig.3 Instrument identification and display

圖4 儀器識別及觀測原理動畫顯示效果Fig.4 Animation display of instrument works

2.3 數據檢索推送功能

基于 CIMISS的 MUSIC接口，檢索天津市濱海新區氣象局觀測場的全要素觀測數據，將檢索結果JSON文件，通過 FTP向服務器進行數據推送，可推送最近 10h的全站點觀測數據。觀測站點檢索數據JSON文件格式如圖5所示。

2.4 數據高交互顯示

儀器觀測數據顯示：鼠標點擊熱點觀測儀器能夠實現前后端 Http響應，并實現基于百度 ECHARTS的高交互圖表顯示，實現移動端小屏上用手指在坐標系中進行縮放、平移。曲線圖顯示效果如圖 6所示，觀測實況數據列表顯示效果如圖7所示。

圖6 觀測數據曲線圖顯示效果Fig.6 Curve of observation data

圖7 觀測數據列表顯示效果Fig.7 List of observation data

3 結 語

本文基于虛擬全景技術，結合多種格式的音頻、圖形文件嵌入方法，建設完成具有互動功能的虛擬現實氣象觀測場，完成氣象站內百葉箱、閃電定位、能見度、地溫表等測量儀器的原理圖例動畫；實時顯示站點獲得的氣象資料數據，繪制不同曲線。通過在天津市濱海新區氣象科普基地布設終端顯示，通過線上線下結合的方式，有效提升科普基地體驗、互動、宣傳、教育等方面的能力。