虛擬技術在氣象中的應用思考

徐智慧 羅陽

[摘 要]隨著虛擬技術的進步，氣象與虛擬技術的完美結合將不是問題。本文探討了虛擬技術在氣象監測、預測預警、服務中的應用，以及針對氣象應用的虛擬設備改造、平臺搭建等。

[關鍵詞]虛擬技術;設備改造;氣象應用。

[中圖分類號]G434 [文獻標識碼]A

隨著社會經濟的發展和氣象業務現代化建設的推進，人們對預測預報準確性要求越來越高，對氣象服務個性化需求越來越高。如何將新的科學技術運用到氣象工作中來，如何將氣象業務現代化建設成果在公共氣象服務中充分展示，是當前一項需要我們去研究的重要工作。當前公共氣象服務還存在一些不容忽視的問題，特別是氣象災害監測預警能力、抵御能力、減災能力、氣象科普宣傳能力與國家防災減災的總體要求不適應，還不能完全滿足日益增長的社會需要。隨著虛擬技術的進步，氣象工作與虛擬技術的完美結合將不是問題，將目前先進的虛擬技術運用到氣象現代化建設中去，將有助于提高氣象監測預報和預警水平、增強氣象災害防御能力、增強氣象科普宣傳能力。

1 國內外研究現狀與發展趨勢

虛擬現實技術是如今最受關注的前沿科技之一，在一些世界級科技巨頭的帶領下，VR技術正在飛速發展著。隨著現代攝影攝像技術的進一步發展，全景攝像技術正在逐漸走入歷史舞臺的中心。人們已經可以使用VR全景相機拍攝720°的全景影像。這種新式的全場景的畫面，顯著改變了傳統相機拍攝圖像單一、碎片化的現狀。進一步地，當使用者通過專用的VR眼鏡觀看全景影像時，只需要輕輕轉動面部的方向即可以沉浸式的方式瀏覽照片里的每個場景和細節，這樣的體驗讓人如臨現場。

氣象部門很早就借助虛擬技術原理進行氣象科普和氣象節目制作方面的探索。2008年開始，氣象部門便借助虛擬技術原理給節目增加了更豐富的數據信息和科普內容。在臺風 “蘇迪羅”登陸我國前，鳳凰氣象站節目也通過虛擬技術，以一個虛擬模型展示了臺風結構，在節目中主持人說到臺風內部的環流形勢，臺風被“切開”，說到影響臺風被“挪走”，顯示受影響路段，原本很難理解的文字就得到了直觀的表達;另外VR技術在氣象科普館也有所應用，人們進入相關的展廳，就能看到電腦模擬出來的關于雷暴、閃電、洪澇等不同災害性天氣對生產生活造成破壞的場景。

另外，在少數國家和地區，也曾進行過以全景圖像的方式來進行氣象觀測記錄的研究。不過，這些研究往往并未讓氣象觀測記錄的工作常態化，也沒有對設備進行系統化、自動化研究，最終他們的研究產出并不適合用于長期的戶外氣象觀測工作中。

雖然有著一些困難，但將全景成像、物聯網等技術融入到氣象工作中這一發展方向，有著廣闊前景，虛擬技術能給氣象服務帶來更多的改變。

2 虛擬技術在氣象中的應用設想

虛擬技術在氣象觀測中的應用。目前氣象部門大量利用自動觀測設備代替人工觀測，取消了云等氣象要求的觀測。利用VR的全景成像技術，能在一定程度上彌補人工觀測手段不足，時效性不足，彌補自動觀測儀器觀測項目不全的缺陷，減少觀測天空實時狀況的盲區，實時提供監測點天氣實況。

2.1 虛擬在氣象預警、預報中的應用

當虛擬設備監測網點達到一定規模時，就可以輕松為預報員及時提供各地天空狀況、天氣現象、云量、云狀等要素為預報作依據。同時，還能有效提高預警時效性和針對性;檢驗短臨預報預警的準確性。

2.2 虛擬技術在氣象服務中的應用

虛擬技術在為氣象工作者提供氣象要素的同時也能為公眾提供監測點的天氣、交通、環境等信息，為公共氣象服務提供手段。另外，將VR技術應用到氣象科普宣傳片的制作，可以讓單一的畫面和信息變得更加立體，多維度提供更加豐富的信息。同時還可以以通俗易懂的方式展現天氣過程的影響到底是怎樣的，氣象觀測的方法、天氣預報的過程是怎樣的，如何才能更好地防災減災等。讓用戶在虛擬現實中身臨其境感受氣象科普樂趣的同時加深公眾對氣象災害的認識和預防。

3 針對氣象應用的虛擬設備改造

要將虛擬技術應用于氣象，必須針對目前市場上常用的虛擬相機進行必要的改進。

全景式天氣自動監控相機需要分布野外，所以面臨著日常人工維護缺乏的問題。此外，即使在非災害性天氣中，監控系統也將暴露在高溫、低溫、陽光暴曬與潮濕多雨等較為惡劣的環境中。如果受到這些因素的影響，VR全景相機不僅可能成像質量下降、工作異常，甚至可能直接出現軟硬件損壞和故障。某些全景相機即使可以加裝防水外殼，卻遠遠不足以應付這樣的氣象條件。進一步地，由于部署地點可能既沒有互聯網接入條件，也沒有電力供應，普通的虛擬全景攝像機固然是完全無法在這個場景中使用了。

基于以上因素，要達到經濟、實用、可靠的目標，就需要在普通高清相機的基礎上進行擴展與改造，擴展與改造工作主要包含三方面的內容。

3.1 相機供電問題

由于安裝地點在野外，監測點可能沒有電力供應，監測相機考慮通過加裝太陽能電池板，利用太陽能實現自動供電與續航。

通常情況下，在陽光較為充足的白天，太陽能電池板將能為全景相機及其附屬設施的運行提供電力。即使在夜間，整個系統也將能依靠儲存在蓄電池組中的電力繼續工作較長時間。

3.2 數據網絡傳輸

考慮到監測點可能沒有網絡接入，可通過4G網絡實現無線數據傳輸，這就要求在相機上擴展無線數據傳輸模塊。

調整并更新高清攝像頭固件，并使用多終端數據線完成攝像頭陣列的連接。

根據攝像頭生產廠家提供的文檔來調整固件，將為高清攝像頭增設多種控制接口，使得高清攝像頭支持高精度同步時鐘下的拍攝的能力，更好地支持全景圖像、視頻的拍攝。此外，攝像頭陣列的所有拍攝動作，也將能通過多終端數據線進行同步控制。

同時，增加安卓開發板并在安卓開發板上以C語言開發APP（計算機應用程序），實現控制開關機、全景照片、視頻素材拍攝與收集等操作。同時，依靠安卓開發板對蜂窩網絡的支持，直接使用4G或3G信號接入網絡，管理員可通過網絡，利用該APP調用高清攝像頭的SDK接口，實現對高清攝像頭的完全控制。

基于以上步驟，形成以安卓開發板上的APP為核心的遠程控制、數據傳輸中繼，解決全景圖像的拍攝以及全景相機的遠程網絡控制問題。

3.3 安全與自動維護

通過對高清攝像機的改造，主要解決相機的遠程控制開關機，防曬、防雨、防雷、自動除霧等。

由于全景相機將部署于戶外，面臨著遠比室內條件惡劣的自然環境。溫度過高、過低，以及殼體進水、起霧等問題，都可能顯著影響成像質量，甚至還可能造成系統故障和硬件損失。此外，由于全景相機部署的地點可能處在交通不便的偏遠地區，很難做到高頻次的日常維護。所以解決全景相機的自動除霧、自動防曬等功能就顯示十分必要。

針對這些問題，我們需要對虛擬全景相機做：

（1）定制防水外殼與內外雙重清潔刮片來避免防水殼上雨滴或霧氣影響全景相機的成像。

（2）定制機動式防曬罩來避免長期陽光直射對全景相機帶來不利影響，還需要為全景相機設計并安裝由伺服電機驅動的機動式防曬罩。當相機需要拍攝時，該防曬罩可在伺服電機的驅動下打開，避免遮擋鏡頭;當相機完成拍攝、或在其他必要時刻，防曬罩又可在伺服電機的驅動下關閉，實現其防曬功能。

（3）自動化、智能化驅動

為了對防曬罩電機、清潔刮片電機提供更為自動化、更為智能化的驅動方式，需要在阿堆諾（Arduino）開發板上采用C語言開發電機控制程序，并與伺服電機驅動器相匹配，最終實現對自動防曬、自動除霧功能的智能化控制。

4 應用于氣象的VR全景相機應用APP

使用C語言，在安卓開發板上開發管理APP，以實現對該全景相機的網絡控制。

網站應用包括后臺管理系統與展示和查詢系統兩個部分。其中，后臺管理系統用于管理人員對監測點設備的管理、VR資源的管理等;展示與查詢系統面向社會公眾，為廣大用戶提供各類服務。

后臺需要能夠通過網絡與部署在異地的各個采集站建立連接，并遠程控制全景相機拍攝和采集當地的影像資料、得到的原始影像資料因能通過網絡回傳至應用服務器，同時服務器后臺應能根據收到的原始影像資料來自動拼接全景影像。

平臺網站應用主要包含數據訪問、服務、控制器以及視圖層。以B/S架構的方式，向用戶提供全景圖像展示、觀測點瀏覽、觀測點詳情等頁面。此外，網站應用應在控制器層內提供豐富的RESTful等接口，以便被全景相機管理APP遠程調用，使得全景相機能主動傳送圖像、告警等數據至服務器。

5 結語

利用虛擬技術，創新了氣象要素的記錄方式，創新了自動氣象站觀測內容，創新了氣象服務形式和內容。從而進一步全面提高氣象服務的質量。

[參考文獻]

[1] 楊江濤.虛擬現實技術的國內外研究現狀與發展[J].信息通信，2018（01）.