徐智慧 羅陽(yáng)

[摘 要]隨著虛擬技術(shù)的進(jìn)步，氣象與虛擬技術(shù)的完美結(jié)合將不是問(wèn)題。本文探討了虛擬技術(shù)在氣象監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)預(yù)警、服務(wù)中的應(yīng)用，以及針對(duì)氣象應(yīng)用的虛擬設(shè)備改造、平臺(tái)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(hào)]G434 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和氣象業(yè)務(wù)現(xiàn)代化建設(shè)的推進(jìn)，人們對(duì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性要求越來(lái)越高，對(duì)氣象服務(wù)個(gè)性化需求越來(lái)越高。如何將新的科學(xué)技術(shù)運(yùn)用到氣象工作中來(lái)，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(dāng)前一項(xiàng)需要我們?nèi)パ芯康闹匾ぷ鳌．?dāng)前公共氣象服務(wù)還存在一些不容忽視的問(wèn)題，特別是氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警能力、抵御能力、減災(zāi)能力、氣象科普宣傳能力與國(guó)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(zhǎng)的社會(huì)需要。隨著虛擬技術(shù)的進(jìn)步，氣象工作與虛擬技術(shù)的完美結(jié)合將不是問(wèn)題，將目前先進(jìn)的虛擬技術(shù)運(yùn)用到氣象現(xiàn)代化建設(shè)中去，將有助于提高氣象監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)和預(yù)警水平、增強(qiáng)氣象災(zāi)害防御能力、增強(qiáng)氣象科普宣傳能力。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是如今最受關(guān)注的前沿科技之一，在一些世界級(jí)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(jìn)一步發(fā)展，全景攝像技術(shù)正在逐漸走入歷史舞臺(tái)的中心。人們已經(jīng)可以使用VR全景相機(jī)拍攝720°的全景影像。這種新式的全場(chǎng)景的畫面，顯著改變了傳統(tǒng)相機(jī)拍攝圖像單一、碎片化的現(xiàn)狀。進(jìn)一步地，當(dāng)使用者通過(guò)專用的VR眼鏡觀看全景影像時(shí)，只需要輕輕轉(zhuǎn)動(dòng)面部的方向即可以沉浸式的方式瀏覽照片里的每個(gè)場(chǎng)景和細(xì)節(jié)，這樣的體驗(yàn)讓人如臨現(xiàn)場(chǎng)。

氣象部門很早就借助虛擬技術(shù)原理進(jìn)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(tái)風(fēng) “蘇迪羅”登陸我國(guó)前，鳳凰氣象站節(jié)目也通過(guò)虛擬技術(shù)，以一個(gè)虛擬模型展示了臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)，在節(jié)目中主持人說(shuō)到臺(tái)風(fēng)內(nèi)部的環(huán)流形勢(shì)，臺(tái)風(fēng)被“切開”，說(shuō)到影響臺(tái)風(fēng)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(dá);另外VR技術(shù)在氣象科普館也有所應(yīng)用，人們進(jìn)入相關(guān)的展廳，就能看到電腦模擬出來(lái)的關(guān)于雷暴、閃電、洪澇等不同災(zāi)害性天氣對(duì)生產(chǎn)生活造成破壞的場(chǎng)景。

另外，在少數(shù)國(guó)家和地區(qū)，也曾進(jìn)行過(guò)以全景圖像的方式來(lái)進(jìn)行氣象觀測(cè)記錄的研究。不過(guò)，這些研究往往并未讓氣象觀測(cè)記錄的工作常態(tài)化，也沒有對(duì)設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)化、自動(dòng)化研究，最終他們的研究產(chǎn)出并不適合用于長(zhǎng)期的戶外氣象觀測(cè)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(lái)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(cè)中的應(yīng)用。目前氣象部門大量利用自動(dòng)觀測(cè)設(shè)備代替人工觀測(cè)，取消了云等氣象要求的觀測(cè)。利用VR的全景成像技術(shù)，能在一定程度上彌補(bǔ)人工觀測(cè)手段不足，時(shí)效性不足，彌補(bǔ)自動(dòng)觀測(cè)儀器觀測(cè)項(xiàng)目不全的缺陷，減少觀測(cè)天空實(shí)時(shí)狀況的盲區(qū)，實(shí)時(shí)提供監(jiān)測(cè)點(diǎn)天氣實(shí)況。

2.1 虛擬在氣象預(yù)警、預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

當(dāng)虛擬設(shè)備監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)達(dá)到一定規(guī)模時(shí)，就可以輕松為預(yù)報(bào)員及時(shí)提供各地天空狀況、天氣現(xiàn)象、云量、云狀等要素為預(yù)報(bào)作依據(jù)。同時(shí)，還能有效提高預(yù)警時(shí)效性和針對(duì)性;檢驗(yàn)短臨預(yù)報(bào)預(yù)警的準(zhǔn)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(shí)也能為公眾提供監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(shí)還可以以通俗易懂的方式展現(xiàn)天氣過(guò)程的影響到底是怎樣的，氣象觀測(cè)的方法、天氣預(yù)報(bào)的過(guò)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(shí)中身臨其境感受氣象科普樂(lè)趣的同時(shí)加深公眾對(duì)氣象災(zāi)害的認(rèn)識(shí)和預(yù)防。

3 針對(duì)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(duì)目前市場(chǎng)上常用的虛擬相機(jī)進(jìn)行必要的改進(jìn)。

全景式天氣自動(dòng)監(jiān)控相機(jī)需要分布野外，所以面臨著日常人工維護(hù)缺乏的問(wèn)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(yáng)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(jī)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(jī)即使可以加裝防水外殼，卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以應(yīng)付這樣的氣象條件。進(jìn)一步地，由于部署地點(diǎn)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(jī)固然是完全無(wú)法在這個(gè)場(chǎng)景中使用了。

基于以上因素，要達(dá)到經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、可靠的目標(biāo)，就需要在普通高清相機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展與改造，擴(kuò)展與改造工作主要包含三方面的內(nèi)容。

3.1 相機(jī)供電問(wèn)題

由于安裝地點(diǎn)在野外，監(jiān)測(cè)點(diǎn)可能沒有電力供應(yīng)，監(jiān)測(cè)相機(jī)考慮通過(guò)加裝太陽(yáng)能電池板，利用太陽(yáng)能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)供電與續(xù)航。

通常情況下，在陽(yáng)光較為充足的白天，太陽(yáng)能電池板將能為全景相機(jī)及其附屬設(shè)施的運(yùn)行提供電力。即使在夜間，整個(gè)系統(tǒng)也將能依靠?jī)?chǔ)存在蓄電池組中的電力繼續(xù)工作較長(zhǎng)時(shí)間。

3.2 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸

考慮到監(jiān)測(cè)點(diǎn)可能沒有網(wǎng)絡(luò)接入，可通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，這就要求在相機(jī)上擴(kuò)展無(wú)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(lái)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(shí)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(dòng)作，也將能通過(guò)多終端數(shù)據(jù)線進(jìn)行同步控制。

同時(shí)，增加安卓開發(fā)板并在安卓開發(fā)板上以C語(yǔ)言開發(fā)APP（計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序），實(shí)現(xiàn)控制開關(guān)機(jī)、全景照片、視頻素材拍攝與收集等操作。同時(shí)，依靠安卓開發(fā)板對(duì)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的支持，直接使用4G或3G信號(hào)接入網(wǎng)絡(luò)，管理員可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，利用該APP調(diào)用高清攝像頭的SDK接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(yuǎn)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(jī)的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制問(wèn)題。

3.3 安全與自動(dòng)維護(hù)

通過(guò)對(duì)高清攝像機(jī)的改造，主要解決相機(jī)的遠(yuǎn)程控制開關(guān)機(jī)，防曬、防雨、防雷、自動(dòng)除霧等。

由于全景相機(jī)將部署于戶外，面臨著遠(yuǎn)比室內(nèi)條件惡劣的自然環(huán)境。溫度過(guò)高、過(guò)低，以及殼體進(jìn)水、起霧等問(wèn)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(jī)部署的地點(diǎn)可能處在交通不便的偏遠(yuǎn)地區(qū)，很難做到高頻次的日常維護(hù)。所以解決全景相機(jī)的自動(dòng)除霧、自動(dòng)防曬等功能就顯示十分必要。

針對(duì)這些問(wèn)題，我們需要對(duì)虛擬全景相機(jī)做：

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

（2）定制機(jī)動(dòng)式防曬罩來(lái)避免長(zhǎng)期陽(yáng)光直射對(duì)全景相機(jī)帶來(lái)不利影響，還需要為全景相機(jī)設(shè)計(jì)并安裝由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)動(dòng)式防曬罩。當(dāng)相機(jī)需要拍攝時(shí)，該防曬罩可在伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下打開，避免遮擋鏡頭;當(dāng)相機(jī)完成拍攝、或在其他必要時(shí)刻，防曬罩又可在伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)其防曬功能。

（3）自動(dòng)化、智能化驅(qū)動(dòng)

為了對(duì)防曬罩電機(jī)、清潔刮片電機(jī)提供更為自動(dòng)化、更為智能化的驅(qū)動(dòng)方式，需要在阿堆諾（Arduino）開發(fā)板上采用C語(yǔ)言開發(fā)電機(jī)控制程序，并與伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器相匹配，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)防曬、自動(dòng)除霧功能的智能化控制。

4 應(yīng)用于氣象的VR全景相機(jī)應(yīng)用APP

使用C語(yǔ)言，在安卓開發(fā)板上開發(fā)管理APP，以實(shí)現(xiàn)對(duì)該全景相機(jī)的網(wǎng)絡(luò)控制。

網(wǎng)站應(yīng)用包括后臺(tái)管理系統(tǒng)與展示和查詢系統(tǒng)兩個(gè)部分。其中，后臺(tái)管理系統(tǒng)用于管理人員對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(huì)公眾，為廣大用戶提供各類服務(wù)。

后臺(tái)需要能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與部署在異地的各個(gè)采集站建立連接，并遠(yuǎn)程控制全景相機(jī)拍攝和采集當(dāng)?shù)氐挠跋褓Y料、得到的原始影像資料因能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)回傳至應(yīng)用服務(wù)器，同時(shí)服務(wù)器后臺(tái)應(yīng)能根據(jù)收到的原始影像資料來(lái)自動(dòng)拼接全景影像。

平臺(tái)網(wǎng)站應(yīng)用主要包含數(shù)據(jù)訪問(wèn)、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(cè)點(diǎn)瀏覽、觀測(cè)點(diǎn)詳情等頁(yè)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(jī)管理APP遠(yuǎn)程調(diào)用，使得全景相機(jī)能主動(dòng)傳送圖像、告警等數(shù)據(jù)至服務(wù)器。

5 結(jié)語(yǔ)

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(dòng)氣象站觀測(cè)內(nèi)容，創(chuàng)新了氣象服務(wù)形式和內(nèi)容。從而進(jìn)一步全面提高氣象服務(wù)的質(zhì)量。

[參考文獻(xiàn)]

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