徐智慧 羅陽

[摘 要]隨著虛擬技術(shù)的進步，氣象與虛擬技術(shù)的完美結(jié)合將不是問題。本文探討了虛擬技術(shù)在氣象監(jiān)測、預(yù)測預(yù)警、服務(wù)中的應(yīng)用，以及針對氣象應(yīng)用的虛擬設(shè)備改造、平臺搭建等。

[關(guān)鍵詞]虛擬技術(shù);設(shè)備改造;氣象應(yīng)用。

[中圖分類號]G434 [文獻標識碼]A

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和氣象業(yè)務(wù)現(xiàn)代化建設(shè)的推進，人們對預(yù)測預(yù)報準確性要求越來越高，對氣象服務(wù)個性化需求越來越高。如何將新的科學技術(shù)運用到氣象工作中來，如何將氣象業(yè)務(wù)現(xiàn)代化建設(shè)成果在公共氣象服務(wù)中充分展示，是當前一項需要我們?nèi)パ芯康闹匾ぷ?。當前公共氣象服?wù)還存在一些不容忽視的問題，特別是氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警能力、抵御能力、減災(zāi)能力、氣象科普宣傳能力與國家防災(zāi)減災(zāi)的總體要求不適應(yīng)，還不能完全滿足日益增長的社會需要。隨著虛擬技術(shù)的進步，氣象工作與虛擬技術(shù)的完美結(jié)合將不是問題，將目前先進的虛擬技術(shù)運用到氣象現(xiàn)代化建設(shè)中去，將有助于提高氣象監(jiān)測預(yù)報和預(yù)警水平、增強氣象災(zāi)害防御能力、增強氣象科普宣傳能力。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是如今最受關(guān)注的前沿科技之一，在一些世界級科技巨頭的帶領(lǐng)下，VR技術(shù)正在飛速發(fā)展著。隨著現(xiàn)代攝影攝像技術(shù)的進一步發(fā)展，全景攝像技術(shù)正在逐漸走入歷史舞臺的中心。人們已經(jīng)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(tǒng)相機拍攝圖像單一、碎片化的現(xiàn)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(zhuǎn)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(jié)，這樣的體驗讓人如臨現(xiàn)場。

氣象部門很早就借助虛擬技術(shù)原理進行氣象科普和氣象節(jié)目制作方面的探索。2008年開始，氣象部門便借助虛擬技術(shù)原理給節(jié)目增加了更豐富的數(shù)據(jù)信息和科普內(nèi)容。在臺風 “蘇迪羅”登陸我國前，鳳凰氣象站節(jié)目也通過虛擬技術(shù)，以一個虛擬模型展示了臺風結(jié)構(gòu)，在節(jié)目中主持人說到臺風內(nèi)部的環(huán)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(shù)在氣象科普館也有所應(yīng)用，人們進入相關(guān)的展廳，就能看到電腦模擬出來的關(guān)于雷暴、閃電、洪澇等不同災(zāi)害性天氣對生產(chǎn)生活造成破壞的場景。

另外，在少數(shù)國家和地區(qū)，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(tài)化，也沒有對設(shè)備進行系統(tǒng)化、自動化研究，最終他們的研究產(chǎn)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(lián)網(wǎng)等技術(shù)融入到氣象工作中這一發(fā)展方向，有著廣闊前景，虛擬技術(shù)能給氣象服務(wù)帶來更多的改變。

2 虛擬技術(shù)在氣象中的應(yīng)用設(shè)想

虛擬技術(shù)在氣象觀測中的應(yīng)用。目前氣象部門大量利用自動觀測設(shè)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(shù)，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(qū)，實時提供監(jiān)測點天氣實況。

2.1 虛擬在氣象預(yù)警、預(yù)報中的應(yīng)用

當虛擬設(shè)備監(jiān)測網(wǎng)點達到一定規(guī)模時，就可以輕松為預(yù)報員及時提供各地天空狀況、天氣現(xiàn)象、云量、云狀等要素為預(yù)報作依據(jù)。同時，還能有效提高預(yù)警時效性和針對性;檢驗短臨預(yù)報預(yù)警的準確性。

2.2 虛擬技術(shù)在氣象服務(wù)中的應(yīng)用

虛擬技術(shù)在為氣象工作者提供氣象要素的同時也能為公眾提供監(jiān)測點的天氣、交通、環(huán)境等信息，為公共氣象服務(wù)提供手段。另外，將VR技術(shù)應(yīng)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(xiàn)天氣過程的影響到底是怎樣的，氣象觀測的方法、天氣預(yù)報的過程是怎樣的，如何才能更好地防災(zāi)減災(zāi)等。讓用戶在虛擬現(xiàn)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(zāi)害的認識和預(yù)防。

3 針對氣象應(yīng)用的虛擬設(shè)備改造

要將虛擬技術(shù)應(yīng)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(jiān)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(zāi)害性天氣中，監(jiān)控系統(tǒng)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(huán)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(zhì)量下降、工作異常，甚至可能直接出現(xiàn)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(yīng)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(lián)網(wǎng)接入條件，也沒有電力供應(yīng)，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(jīng)濟、實用、可靠的目標，就需要在普通高清相機的基礎(chǔ)上進行擴展與改造，擴展與改造工作主要包含三方面的內(nèi)容。

3.1 相機供電問題

由于安裝地點在野外，監(jiān)測點可能沒有電力供應(yīng)，監(jiān)測相機考慮通過加裝太陽能電池板，利用太陽能實現(xiàn)自動供電與續(xù)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(shè)施的運行提供電力。即使在夜間，整個系統(tǒng)也將能依靠儲存在蓄電池組中的電力繼續(xù)工作較長時間。

3.2 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸

考慮到監(jiān)測點可能沒有網(wǎng)絡(luò)接入，可通過4G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸，這就要求在相機上擴展無線數(shù)據(jù)傳輸模塊。

調(diào)整并更新高清攝像頭固件，并使用多終端數(shù)據(jù)線完成攝像頭陣列的連接。

根據(jù)攝像頭生產(chǎn)廠家提供的文檔來調(diào)整固件，將為高清攝像頭增設(shè)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(shù)據(jù)線進行同步控制。

同時，增加安卓開發(fā)板并在安卓開發(fā)板上以C語言開發(fā)APP（計算機應(yīng)用程序），實現(xiàn)控制開關(guān)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(fā)板對蜂窩網(wǎng)絡(luò)的支持，直接使用4G或3G信號接入網(wǎng)絡(luò)，管理員可通過網(wǎng)絡(luò)，利用該APP調(diào)用高清攝像頭的SDK接口，實現(xiàn)對高清攝像頭的完全控制。

基于以上步驟，形成以安卓開發(fā)板上的APP為核心的遠程控制、數(shù)據(jù)傳輸中繼，解決全景圖像的拍攝以及全景相機的遠程網(wǎng)絡(luò)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(guān)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(nèi)條件惡劣的自然環(huán)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(zhì)量，甚至還可能造成系統(tǒng)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(qū)，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(nèi)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(shè)計并安裝由伺服電機驅(qū)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(qū)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(qū)動下關(guān)閉，實現(xiàn)其防曬功能。

（3）自動化、智能化驅(qū)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(qū)動方式，需要在阿堆諾（Arduino）開發(fā)板上采用C語言開發(fā)電機控制程序，并與伺服電機驅(qū)動器相匹配，最終實現(xiàn)對自動防曬、自動除霧功能的智能化控制。

4 應(yīng)用于氣象的VR全景相機應(yīng)用APP

使用C語言，在安卓開發(fā)板上開發(fā)管理APP，以實現(xiàn)對該全景相機的網(wǎng)絡(luò)控制。

網(wǎng)站應(yīng)用包括后臺管理系統(tǒng)與展示和查詢系統(tǒng)兩個部分。其中，后臺管理系統(tǒng)用于管理人員對監(jiān)測點設(shè)備的管理、VR資源的管理等;展示與查詢系統(tǒng)面向社會公眾，為廣大用戶提供各類服務(wù)。

后臺需要能夠通過網(wǎng)絡(luò)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?shù)氐挠跋褓Y料、得到的原始影像資料因能通過網(wǎng)絡(luò)回傳至應(yīng)用服務(wù)器，同時服務(wù)器后臺應(yīng)能根據(jù)收到的原始影像資料來自動拼接全景影像。

平臺網(wǎng)站應(yīng)用主要包含數(shù)據(jù)訪問、服務(wù)、控制器以及視圖層。以B/S架構(gòu)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(wǎng)站應(yīng)用應(yīng)在控制器層內(nèi)提供豐富的RESTful等接口，以便被全景相機管理APP遠程調(diào)用，使得全景相機能主動傳送圖像、告警等數(shù)據(jù)至服務(wù)器。

5 結(jié)語

利用虛擬技術(shù)，創(chuàng)新了氣象要素的記錄方式，創(chuàng)新了自動氣象站觀測內(nèi)容，創(chuàng)新了氣象服務(wù)形式和內(nèi)容。從而進一步全面提高氣象服務(wù)的質(zhì)量。

[參考文獻]

[1] 楊江濤.虛擬現(xiàn)實技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].信息通信，2018（01）.