臺風三維建模方法分析

王云卓

中國民用航空局空中交通管理局航空氣象中心 北京 100122

引言

我國是一個臺風多發的國家，尤其夏季，很多沿海地區時常遭到臺風襲擊。臺風來襲經常伴隨著狂風、暴雨和風暴潮，導致潮水漫溢，沖毀房屋和建筑設施，淹沒城鎮和農田，造成大量人員傷亡和財產損失。2014年的臺風“威馬遜”共導致海南直接經濟損失達119.5億元，全省325.8萬人受災。在針對臺風災害知識的普及問題上傳統方式方法存在局限性，受地域和氣候影響，無法實現對臺風這種惡劣天氣現象的實景教學，另外，在宣傳氣象科普知識時，通過圖文展示、實物展出等傳統方式，民眾缺少交互體驗感，效果不佳。隨著虛擬現實三維建模技術的發展及日趨成熟，將虛擬現實三維建模技術應用于臺風教學體驗中，可以改進氣象教學模式，提高民眾對災害性天氣的感性認識，實現民眾在氣象科普中的交互體驗等。本文歸納了虛擬現實三維建模方法，分析了虛擬現實建模方法的典型應用場景以及優缺點，總結了虛擬現實三維建模技術在氣象上應用所面臨的問題，最后展望了虛擬現實技術三維建模在民航氣象領域的應用前景。

1 三維建模技術發展現狀

三維建模技術主要分為基于圖形和基于圖像的建模技術，除此之外還有利用三維掃描儀和數學函數的建模技術。基于圖形的三維建模技術是面向場景的幾何模型，其基礎數據是景物的矢量幾何數據，基于圖像的三維建模技術的基礎數據是手機、無人機等拍攝的二維圖像，基于三維掃描儀的基礎數據是實物內部結構之間的距離數據，而數學模型的基礎數據則是氣象數據、數學公式和原理。

三維建模技術最早應用于地質統計學，如今三維建模技術目前已在多領域中使用，在地質、交通、能源、影視、動畫、通信、氣象、醫學等方面都發揮了很大的作用，如機器人視覺導航中的障礙物檢測、三維地形重建、醫學影像分析以及虛擬現實等。目前，市場上有很多三維建模軟件，如3DSMAX等，已經發展得非常成熟了。目前，三維建模技術在氣象領域也取得廣泛應用。能針對天氣現象中的雨、雪和霧進行三維建模模擬，對天氣系統的模擬主要體現在流場、溫度場和濕度場等方面[1]。

2 三維建模方法分析

2.1 使用三維軟件建模

利用三維軟件建模，建模方法有很多，比如幾何建模、多邊形建模、布爾建模和放樣建模等，共同點都是利用點、線、面等基本的幾何元素建模，通過平移、旋轉、拉伸以及布爾運算建模。本課題主要研究了其中的幾何建模方法。在三維建模當中對于幾何體的應用非常廣泛，其貫穿了整個3DSMAX的建模過程，常被用于制作基礎模型。幾何建模又分為三種，分別是線框模型，表面模型和實體模型。很多大型的虛擬模型在分解后是各種基礎的幾何模型，因此利用幾何模型進行建模的方法比較簡單和直接。在建模型之前，首先收集相關資料，掌握幾何物的整體形狀，然后在軟件的操作頁面上選擇創建工具，通過平移、旋轉、拉伸等工具，這樣就可以讓幾何圖形重新排布組合，進而獲得想要的整體三維模型。

目前，市場上優秀的建模軟件眾多，主要有3DSMAX、AutoCAD、Maya、SoftImage等。但是軟件建模比較適用于電影特效、影視制作、動畫制作及渲染、工業設計和建筑等，對于給風、雨、雷暴這種邊界模糊、結構復雜、形態各異、運動軌跡不確定的自然景象建模，需要通過間接的方式，創建臺風來臨使物體移動、水位增高等場景，模擬臺風過境時的場景，但難以通過軟件建模直接模擬臺風本身。

2.2 根據二維圖像建模

目前，市場上優秀的二維圖像建模軟件，主要有Context Capture、Photoscan、Street Factory等。基于二維圖像的建模由于圖像本身包含著豐富的場景信息，很容易從圖像獲得照片般逼真的場景模型，而且建模自動化程度高、速度更快、更方便，可以獲得很高的繪制速度和高度的真實感。基于圖片建模的步驟主要分為以下幾個：首先通過不同的角度對被拍攝對象拍攝多次，獲取多個照片組；然后基于獲取到的多個圖片組，生成建模主體的多個三維模型；再將上述選擇的合成三維模型分割為多個合成區域，獲取多個特征點；然后進行稀疏重建、稠密重建、點云模型化，最后合成三維模型，這給我們提供了獲得照片般逼真的場景模型。

但是基于二維圖像建模方式更適用于靜態的景象對于給風、雨、雷暴這種一直處于變化中、運動軌跡不確定的自然景象建模，難以為同一場景在多個角度拍攝多組照片，只能通過拍攝靜態樹、建筑物等場景，通過后期渲染、仿真等手段，模擬臺風來臨時大樹連根拔起、建筑倒塌的景象，從而間接反映與描述臺風。

2.3 利用三維掃描儀設備建模

三維掃描儀是當前使用的對實際物體三維建模的重要工具之一。它能快速方便地將真實世界的立體彩色信息轉換為計算機能直接處理的數字信號，為實物數字化提供了有效的手段。它可被理解為照相機，但是與照相機不同之處在于，它抓取的不是顏色信息，而是實物的距離信息。通過掃描，可以獲得物體表面每個采樣點的三維空間坐標，彩色掃描還可以獲得每個采樣點的色彩。某些掃描設備甚至可以獲得物體內部的結構數據。利用三維掃描儀設備建模優點是測量精度高，其缺點是價格昂貴，物體形狀復雜時的控制復雜，速度慢。

利用三維掃描儀建模同樣不能直接給風、雨、雷暴這種邊界模糊、結構復雜、形態各異、運動軌跡不確定的自然景象建模。若采用三維掃描儀設備建模，則需要先掃描一個具體的物體，比如汽車、桌子、椅子等物體，再通過后期渲染、仿真等手段，模擬臺風來臨時汽車、桌子、椅子等物體飛向空中的景象。

2.4 利用數學模型建模

自然界的風場是一個復雜的力場，在空間和時間上都是隨機變化的，風的變化規律基本無跡可尋。但是朱震毅等人在其文章中給出了新的思路，利用Visual c++和OpenGL平臺建立數學模型和圖形系統，實現臺風場數字模擬結果可視化，這也被界內稱為科學計算可視化技術。科學計算可視化技術是將三維數據轉化為圖像，因此可將臺風的數據輸入到臺風模型中，獲得真實度較高的模擬臺風場景。文章提到以非對稱Bogus二維臺風模型為基礎再利用正弦函數，加上高度變化自變量，形成三維風場模型。最后在OpenGL平臺創建地形并使用c++編寫的粒子系統模擬風的變化共同進行三維視景模擬仿真[3]。其中涉及的粒子系統是一種簡單且有效的不規則模糊物體的建模方法，其基本思想是把物體看成是由大量不規則的隨機分布的粒子組成的粒子集[4]。每個粒子具有一定的屬性，如外觀、空間位置、運動、生存屬性等，它們可以在不斷運動和改變形狀中，來表現景物總體的外形特征和動態的變化規律。賈慶軒等人在研究風場建模場景中得出，采用正弦函數不能高精度模擬風場，對風的隨機性體現不明顯。譜解法計算量大，在大型場景中使用不便。所以賈慶軒采用了柏林噪聲函數、余弦插值函數、余弦差分函數等函數模擬出平均風場和脈動風場，合在一起模擬出了三維空間風場[2]。

非對稱Bogus二維臺風模型以及相關正弦函數：

賈慶軒等人在研究風場建模場景時用到的余弦函數：

利用數學模型建模，使用粒子系統來模擬風，將風的變化通過每個粒子在風場的運動來體現，已經能較為精確地模擬出臺風風場了。但是數學建模難度較大，涉及數學、計算機編程、氣象、視景仿真等多種專業知識，需要多種專業的人員共同配合才能完成，實現起來需要花費較大的人力。

3 三維建模技術在氣象領域應用面臨的問題

氣象模型建模復雜，氣象天氣現象和天氣系統可變因素較多，不規則，邊界模糊，結構復雜，導致難以使用簡單方法為復雜系統建模。

缺少復合型人才，對多方面專業技術能力要求較高。三維建模技術在氣象領域應用至少涉及了氣象專業、計算機專業、三維建模技術專業。

對于臺風模型三維建模問題，若選用數學模型建模，可模擬出較為真實的臺風模型，但是需要用到多種數學公式共同推導計算，還要懂得編程技術、建模技術等；若選用三維掃描儀、二維圖像建模和三維軟件建模模擬效果相對數學模型建模難以模擬出臺風的真實運動軌跡，只能通過間接方式，模擬臺風來臨時帶來的風、雨、雷暴等惡劣天氣對周邊的人、房屋、汽車、建筑物等造成的影響。但是三維建模軟件發展已經非常成熟，建模較其他方法更為簡單，成本也較低，專業要求能力較低，綜合考慮民航氣象中心人員技術能力、開發設備設施、開發經費等因素，臺風三維建模更適合使用三維軟件建模，從而采用間接方式呈現臺風效果[5]。

4 三維建模技術在民航氣象領域的應用展望

目前，三維建模技術已經在民航氣象領域有很多地方被應用，如在飛行館體驗中心體驗模擬飛行航空器遭遇雨、雪、霧等場景，在氣象演播廳感受模擬刮風、下雨場景，為飛行員與氣象人員科普飛機遇險的真實場景等。

隨著科技的發展和人員專業能力的提升，三維建模技術未來在民航氣象領域應用應該會更加廣泛。比如模擬航在空器降落時遭遇風切變、下擊暴流、大霧等天氣現象，從而更形象更直觀地呈現惡劣天氣現象及其危害效果；在民航視頻會商時，利用三維建模技術模擬即將出現的惡劣天氣現象對航路造成影響的場景，有助于運行人員更直觀地理解即將到來的天氣現象對民航運行的影響程度；在管制員指揮飛機時，利用三維建模技術模擬出三維航路的實時狀況，通過觀察不同高度層的航空器位置，及時指揮飛機避讓等。