增強現實技術在氣象科普中的應用和優勢

王 鑫，卜清軍，呼莉莉，張煒杰，徐靈芝

(1. 天津市應急管理事務中心 天津 300000；2. 天津市濱海新區氣象局 天津 300457；3. 天津港集團有限公司 天津 300450；4. 天津市氣象臺 天津 300074)

0 引 言

氣象科普，即氣象科學的普及，是指利用各種傳媒以公眾易于理解、接受和參與的方式向普通公眾介紹專業的氣象知識，讓公眾了解氣象在日常生活中的重要性，提高預防和減輕氣象災害的能力[1]。

隨著我國經濟社會發展，氣象科普已經融入社會的方方面面。近年來氣候異常導致的極端氣象事件和氣象災害造成的人員財產損失逐年增加，使得公眾對氣象科學普及的關注日漸突出，這給氣象科普工作的發展提供了廣大的受眾，奠定了良好的基礎。氣象科普在輿論引導和突發公共事件應對等方面同樣發揮著重要的作用[2]。氣象科學包含數學、物理學、地理學等學科的基礎知識，例如帕斯卡氣壓定律、牛頓定律、地轉偏向力、三圈環流等，這些知識點覆蓋小學、中學乃至大學的基礎理論課程。依托移動互聯新平臺，利用增強現實技術將氣象過程和物理實驗進行模擬、復原，可以增加科普的真實性。通過調整模型的物理量來改變氣象過程的發展和實驗結果，可以增強科普的互動性以及受眾對科普內容的理解。

1 國內外氣象科普現狀

1.1 國內現狀

近年來國內氣象科普宣傳投入和力度逐年增加，取得了一定的宣傳效果。目前氣象科普的手段主要有以下幾種：一是通過新聞媒體的報道，媒體報道具有時效性強、受眾廣、權威的特點，但主要以氣象災害預防和救助為主；二是氣象部門的開放參觀，公眾可以近距離了解和感受國家各級氣象主管部門的日常工作和先進的探測、預報、預警技術手段；三是氣象科普展館，館內常展示有各類科普掛圖、氣象儀器、宣傳影片、模型、模擬3D展臺和互動游戲等；四是網站和移動新媒體(微信、微博、APP)，這有別于傳統的氣象科普，正處于發展階段[3]。此外，我國氣象科普宣傳具有時間分布集中的特征：一是“3.23氣象日”“5.12防災減災日”等紀念日前后；二是較大氣象災害或事件發生前后?？傮w而言，我國氣象科普推廣手段較為傳統、宣傳時間集中、受地點限制嚴重，還有較大的創新和發展空間。

1.2 國際現狀

國際上，氣象科普工作主要是嵌入氣象機構的社會化服務中實現的。國外氣象部門對公眾開展公益性氣象服務時，涉及的服務內容包括一般性天氣預報、涉及日常出行的天氣信息服務等，以及與應急避險、交通等部門聯動形成的氣象信息預警服務。此外，國外比較重視結合重大氣象和環境事件開展密集、全方位的公眾宣傳。這種常規氣象信息服務和定點氣象信息服務相結合的方式，有利于打造一個張弛有度、全面滲透的氣象科普環境。

2 增強現實技術在氣象科普中的設計

2.1 增強現實(Augmented Reality，AR)技術概述

增強現實是利用計算機系統產生現實環境中并不存在的虛擬信息，這些虛擬信息可被用戶以視覺、聽覺、觸覺等方式感知，成為周圍真實環境的組成部分，從而增強用戶對現實世界的感知[4]。本文中增強現實技術應用主要是指增強可視技術的應用。通過增強可視來突出氣象科普虛實結合、實時互動、三維立體的特點，從而實現移動便捷、增強趣味、提升互動、簡化問題的最終目的。實現AR技術的原理主要有3個方面[5]。

①顯示技術，AR的顯示設備是用于顯示虛擬圖像和真實環境相疊加產生的影像。

②跟蹤和定位技術，AR需要進行定位，跟蹤用戶位置、視域方向，確定虛擬物體在三維場景中的位置，從而實現交互。

③界面可視化和標定技術，讓用戶更好地與虛擬信息進行實時交互，需實現有效可視化并進行大量標定生成準確定位[6]。

2.2 通過改變降水強度模擬降水量級和城市瀝澇

降水是影響公眾生活最多的天氣現象之一，由強降水引發洪澇、泥石流、城市瀝澇等災害是造成人民財產損失的主要災種。降水強度、降水量、過程降水量這些專業詞匯給公眾對降水等級的理解和對降水造成的影響的判斷制造了困難。

將降水模型的12小時降水量、24小時降水量作為變量由科普受眾自行設定，通過降水強度與降水時間的累積，顯示降水量級。事先設定無排水系統的沙漠地區、地質災害等級較高的山區、排水一般的老城區3種不同的下墊面模型以供選擇，并配以相關聲音、文字解釋。

最終的目的是讓受眾通過互動，主動了解降水等級與降水量的關系。了解干旱地區地表徑流、山洪、泥石流、城市瀝澇的形成和危險。

2.3 改變臺風中心氣壓制造臺風并模擬其路徑

臺風是每年夏季影響我國東南沿海的主要氣象災害，臺風帶來的大風和強降水是造成災害的主要因素。影響我國的臺風受氣壓梯度力、地轉偏向力、下墊面和其他氣象系統的共同影響，向西北方向移動影響我國東南沿海地區。

通過設定臺風中心的氣壓值，改變臺風強度、生成地點，并模擬臺風路徑和登陸點。讓公眾了解臺風的基本知識，通過聲音和文字普及防臺知識。

2.4 通過改變風的等級模擬風災造成的影響

風是空氣流動引起的自然現象，通過改變風速，模擬不同風速下預設模型狀態的變化(如紅旗飄揚、樹木倒伏、屋頂被掀翻等)，使得公眾對風災有全面的認識和理解。

大多公眾對風的認識是水平方向的空氣流動，對于垂直方向的空氣移動的風了解不多。增強可視技術可以模擬下擊暴流對飛機的影響，來展現垂直風的危害。

3 增強現實技術的應用及其優勢

傳統的氣象科普方式往往存在一定的局限性，如科普時間集中、科普地點限制、科普館建設運行成本高、科普設備更新慢等。由于以上局限性，導致傳統氣象科普工作難以激發公眾主動參與、學習和探索的熱情?；谠鰪姮F實技術展現的氣象科普將通過虛實結合、實時互動、三維立體等特點為用戶帶來全新體驗，并將復雜難懂的科學問題轉化成具象模型，以半游戲的形式增加知識的趣味性、通俗性。通過移動終端搭載APP的形式出現，還可以現實科普的實時性。

3.1 直觀性

AR技術的優勢是將虛擬世界信息和真實世界信息“無縫”集成，是將在現實世界的時間空間范圍很難體驗的實體信息通過圖形技術模擬后，與真實世界的影像疊加，實現接近真實的感官體驗。通過模型將不同尺度的天氣過程從不同角度展現出來，可以將復雜的天氣現象簡化直觀地展現給用戶[7]。

3.2 趣味性

AR技術可以實現有趣的交互功能，用戶可以通過改變模型的物理量，或者拖拽屏幕上的裝備，滑動手機屏幕調整觀看模型的視角等，全方位地了解和“掌控”天氣現象、災害的發生及程度。AR技術為科普產品的設計和開發提供了很多的可能性，也為用戶帶來了全新體驗。

3.3 便捷性及其他

搭載AR技術的平臺為移動客戶端及智能手機，因此氣象科普變得隨時隨地，打破了時間和空間的限制。此外，此類科普產品較傳統科普產品還具有更新速度快、開發和運行成本低、參與廣泛的優勢。

4 結 論

增強可視技術在氣象科普中有較強的應用價值。利于推廣和普及，利于提升氣象科普的互動性，利于提升科普效果，利于降低科普推廣中的成本。相對傳統氣象科普方式，AR技術具有明顯的優勢，該技術帶給我們的不僅僅是一個技術平臺或工具，更會孕育出一種新型傳授、解析科學的模式和學習方法。對于貫徹落實中國氣象科普發展規劃、切實推進氣象科普工作具有重大意義。

目前AR技術的推廣也具有局限性：一是科普市場回報率低致使開發者積極性不高；二是科普產品更新的及時性難以保障，在得到用戶認可后，需要注入更多的模型和實例；三是獨立的科普APP難以和眾多氣象咨詢APP競爭，需融合發展，相互促進?！?/p>