VR虛擬現實技術在氣象科普宣傳中的應用與思考
——以暴雨、泥石流氣象災害為例

潘淑杰，張 妍，郭 佳，苗 芮

(1.天津市氣象服務中心 天津300074；2.天津市突發公共事件預警發布中心 天津300074；3.天津市祥云氣象信息服務有限公司 天津300074)

0 引 言

近年來，我國氣象科普工作得到各層面的重視，獲得較快發展，但氣象科普形式仍較原始，如氣象科普展板一直是氣象科普宣傳的主要載體，在大型廣場咨詢宣傳中能營造現場氣氛，但承載信息量有限，受眾大多走馬觀花；宣傳手冊主題性強，信息量可根據需要訂制保存，但形式拘泥，對公眾深入閱讀吸引力不大，不能激發公眾主動參與、學習和探索的熱情，氣象科普預期目標難以實現。基于我國氣象知識普及率不高的現狀，氣象科普方式創新勢在必行。虛擬現實技術是當前對公眾最具吸引力的新興技術，結合氣象科普，將增強科普形式互動性、新穎性和娛樂性等，使“被動科普”轉變為“主動科普”。如：科普宣傳《小明解說智慧氣象》趣味短片，虛擬氣象志愿者小明以生動活潑、圖文并茂、個性鮮明的解說，將防災減災的理念融入日常生活小事中，引導孩子們走進豐富多彩的氣象天地，受到了在場師生的熱烈歡迎，體現了虛擬現實技術在氣象科普宣傳中的實際應用成效。將VR虛擬現實技術應用到氣象災害防御模擬教學中，能有效提高參與者災害自救互救能力，在很大程度上減少因氣象災害造成的生命財產損失，是保護人民群眾生命財產安全的有力措施。隨著新媒體時代的到來，人們的生活方式和思維模式發生較大轉變，隨著知識水平和認知水平的不斷提高，人們對氣象服務的要求也越來越高。伴隨著日新月異的時代發展需求，傳統氣象科普宣傳工作的弊端日益凸顯，為了更好地滿足人民群眾對氣象服務工作的需求，本文以 VR虛擬現實技術應用為例，對新媒體時代下如何做好氣象宣傳科普工作展開思考。

1 VR虛擬現實技術應用于氣象科普的優勢

VR虛擬現實技術的概念最早形成于40年前[1]，初期發展相對緩慢，隨著計算機技術的飛速發展，該技術的發展也越來越快，應用場景越來越豐富[2]。它基于沉浸式虛擬環境技術、立體顯示和交互技術、系統開發工具應用技術、系統集成技術等多項核心技術，主要特點是解決虛擬環境準確性、虛擬環境感知信息合成的真實性、人與虛擬環境交互的自然性、實時顯示、圖形生成、智能技術等問題，使用戶身臨其境地感知虛擬環境，從而達到探索和認識客觀事物的目的。基于虛擬現實技術的 3I特性(構想性、沉浸感、實時交互性[3])，我們可以通過該技術的運用，針對氣象災害事件應急科普教育等領域，開發對應的三維仿真科普教育系統。一方面VR虛擬現實技術可以構造出很多超越現實世界的虛擬環境，比如一些現實世界中難以構建或構建成本很高的環境，模擬各種自然災害效果的特效、煙火、擴散流體、氣體等；另一方面體驗者可以沉浸到這種教學環境中進行體驗式學習[4-5]，接收視覺、聽覺、觸覺等全方位近似于實戰的訓練，從而提高科普互動效果。

通過VR虛擬現實技術，能夠以虛擬建模的形式與體驗者進行互動展現，體驗者以當事人視角去感受和體驗一場氣象災害帶來的直觀感受，并且體驗采用不同的應對手段帶來的防護效果，對氣象災害和防御有更直觀深刻的認知，使體驗者真正學會和了解如何正確處理遇到的氣象災害緊急情況。在大力提升天津市氣象科普宣傳能力建設的同時，也為天津的經濟建設起到一定支撐作用。

通過 VR虛擬現實技術開發的 VR氣象災害逃生模擬系統，以典型的氣象災害案例為基礎，結合多年的氣象科普宣傳經驗，采用仿真技術為科普教育提供一個模擬真實的災害現場，并搭建了交互式氣象科普教育系統平臺。該教育系統平臺集成了虛擬現實(VR)具有沉浸性、交互性和想象性的三大特點，能夠提供豐富的感知線索以及多通道(如聽覺、視覺、觸覺等)的反饋，幫助學習者將虛擬情境的所學遷移到真實生活中，滿足情境學習的需要[6]，讓體驗者身臨其境感受災害環境，并結合災害防護過程中的專業知識進行針對性的教學體驗。通過虛擬培訓教育，不但可以加速公眾對氣象災害知識的掌握，提高公眾的氣象防災減災能力，還降低了氣象科普基地的各項成本，改善培訓環境，使體驗者真正學會和了解如何正確處理遇到的氣象災害情況。

2 VR虛擬現實技術與氣象災害防御科普的有機融合

VR虛擬現實技術通過三維建模和大量天氣特效的方式模擬展現暴雨、泥石流對環境的破壞及給人類帶來的危害，體驗者以當事人視角去感受一場災害帶來的震憾，對自然災害有更直觀深刻的認知，同時在體驗過后，學會和了解如何正確處理遇到的緊急情況。具體包括：VR暴雨 150s安全科普體驗展示和VR泥石流150s安全科普體驗展示。

2.1 VR暴雨安全科普體驗展示內容

通過虛擬現實技術以“第一人稱”視角講述體驗者前往山區天氣災害體驗廊道并在山路上突遇暴雨來襲的過程，體驗者從第一視角感受遇到突發暴雨如何進行有效避險的過程。在整個體驗過程中會有幫助性文字進行提示，讓體驗者在虛擬的環境中產生真實的感受[7]。體驗者駕駛車輛行駛在去天氣災害體驗廊道的山路上，在進山之前天氣突變，行駛到崗亭時，開始降雨，雨勢很大，視線受影響，車輛行駛變得緩慢，伴隨雷電的聲音，雨勢越來越大，體驗者只能以很慢的速度前進，在行駛到一個山底處時，前行的道路被雨水沖落的石頭所阻擋，不能前行，面對隨時可能沖刷下來的落石和樹木，體驗者出于自身安全考慮只能棄車前行，下車后沿著山道向地勢高的地方走，在躲避過程中看到車輛的周邊開始出現積水區域，雨水在山體低洼處匯聚，水位不斷升高，車輛慢慢被淹沒，如果停留在車上后果將不堪設想。體驗者在整個逃生過程中會有正確的暴雨逃生指南講解，闡述在山區遇到強暴雨該如何正確應對處理來保護自身安全。

2.2 VR泥石流安全科普體驗展示內容

通過虛擬現實技術以“第一人稱”視角模擬體驗者在前往山區天氣災害體驗廊道的路上遇到大暴雨后，在逃生過程中遇到泥石流的過程。體驗者以第一視角真實目睹因暴雨而引發的泥石流、滑坡，混雜著山石的雨水匯流后對環境和人造成的強大破壞力。在整個體驗過程中會有幫助性文字進行提示。體驗者在暴雨持續的過程中棄車前往安全區域時，雨勢一直很急很大，從山上不斷有泥石流沖下來，前往安全區域的山道已被阻攔，周圍的石塊不斷滾落，站在山道上往下看，車輛已被泥石流裹挾到更大的匯流區，山底的房屋被泥石流沖塌。體驗后期，雨勢變小，但是自山上沖刷下來的泥石流依然很急。體驗者在前進的過程中，不僅要注意腳下的路面，還要時刻注意山上順流而下的泥石流，在前行過程中及時躲避。在前往安全區域(安全區域設定在接近山頂的平坦處)的過程中，畫面會有文字提示和交互操作提示，引導體驗者選擇正確的逃生路線，注意可能帶來危險的隱藏點。體驗者按照正確引導最終可以到達安全區域而完成體驗，如果體驗者不按照正確引導則會出現人身安全危險，不能到達安全區域，則體驗失敗。通過第一人稱視角的體驗可以讓體驗者對泥石流有更深刻的認知和了解。

3 虛擬現實技術在科普宣傳中的應用特點

虛擬現實是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統，是以計算機技術為核心的現代高科技營造的一個集逼真的視覺、聽覺、觸覺、嗅覺及味覺為一體的虛擬環境和感官世界，通過多種傳感設備以自然方式與虛擬環境中對象交互作用、相互影響，產生一種身臨其境的感受，以沉浸性、交互性和構想性為基本特征的計算機高級人機界面，使人能夠沉浸在計算機生成的虛擬境界中，通過語言、手勢等自然方式與之實時交互，創建一種多維信息空間。現階段虛擬現實設備更多的是作為“游戲外設”被公眾所認知，在專業領域，虛擬現實技術已經運用到許多行業和領域中，甚至已深刻影響和改變各行業格局。

4 思考與探索

根據氣象災害發生過程及逃生路線設計開發完善的模擬體驗交互體系，搭建現場環境、天氣、災難特效、使用道具等 VR數字虛擬環境的各類元素模型，模擬構建氣象災害及衍生災害造成的各類表現及災難逃生中可能出現的不同突發情況的反饋狀態及數字信息。設計研發基于虛擬仿真的VR人機交互操作模式，開發針對交互體驗及災難知識點引導普及的功能模塊，最終使得整套系統的仿真效果、交互形式、特效表現及實時引導表現得淋漓盡致。

基于虛擬現實技術設計的這一套針對暴雨、泥石流的氣象災害防御體驗系統，一經推出就獲得了體驗者的一致好評，成為豐富氣象科普宣傳的重要手段，但在短片形式、音效、特效等多方面，仍存在較大提升空間。

4.1 整體創作創新不足

由于理論知識局限，無論從人物創造、宣傳內容，還是講解詞解說、錄制等方面，仍有不少瑕疵。短片大量引用了網絡素材，雖然較為豐富，但是非原創形象，圖像較為單一，生動性有些不足。

4.2 音質水平有待完善

配音音質效果一般，后期聲音處理中，外界噪音較大，無法徹底消除，需掌握和應用更加完善的聲音處理軟件。

4.3 宣傳力度需進一步加大

針對世界氣象日專題制作的虛擬現實技術短片，時效性較強且僅供氣象業內參考，放映形式及傳播范圍都受到了較大局限，手機微信限制分享視頻不得超過3min，也在一定程度上影響了其傳播。

5 結 語

暴雨、泥石流是自然界中夏季發生的最為常見的氣象災害，VR氣象災害逃生模擬系統，以此典型的氣象災害案例為基礎，結合多年的氣象科普宣傳經驗，采用仿真技術為科普教育提供一個模擬真實的災害現場，搭建的交互式氣象科普教育系統平臺成為傳播氣象科普知識的新手段。該模擬系統平臺集成了虛擬現實(VR)具有沉浸性、交互性和想象性等 3大特點，能夠提供豐富的感知線索以及多通道(如聽覺、視覺、觸覺等)的反饋，幫助學習者將虛擬情境的所學遷移到真實生活中，滿足情境學習的需要，讓體驗者身臨其境感受災害環境，并結合災害防護過程中的專業知識進行針對性的教學體驗。通過虛擬培訓教育，不但可以加速公眾對氣象災害知識的掌握，提高公眾的氣象防災減災能力，還降低了氣象科普基地的各項成本，改善培訓環境，使體驗者真正學會和了解如何正確處理遇到的氣象災害情況，最大程度地減少災害的損失。