天津市濱海新區(qū)虛擬全景氣象觀測場設(shè)計與實現(xiàn)

陳 濤 ，卜清軍，沈岳峰

(1.天津市濱海新區(qū)氣象局探測與信息中心 天津300456；2.中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所 安徽合肥230031)

0 引 言

隨著社會、經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，氣象與國計民生的關(guān)系越來越緊密，人們的社會氣象意識、氣象觀念提升，對氣象工作也有了更新的要求。目前，涵蓋新媒體、網(wǎng)站、短信、手機(jī) APP、電視、電話等全媒體的氣象服務(wù)正快速發(fā)展。信息技術(shù)與科普的結(jié)合已經(jīng)成為當(dāng)今科普領(lǐng)域改革和發(fā)展的有機(jī)組成部分[1，2]，在氣象科普工作中引入“互聯(lián)網(wǎng)+”氣象宣傳，有助于氣象科普工作更好地為公眾服務(wù)。

虛擬全景技術(shù)是一種基于圖像的建模與渲染的實時動態(tài)顯示技術(shù)。三維全景虛擬現(xiàn)實技術(shù)，在各行業(yè)的宣傳、展示中提供了一種全新的表現(xiàn)形式，讓目標(biāo)群體僅通過手機(jī)、電腦、網(wǎng)絡(luò)即可身臨其境地感受全景視圖[3]。

本文利用三維全景技術(shù)設(shè)計開發(fā)了天津市濱海新區(qū)氣象虛擬實景氣象觀測場，采用基于魚眼圖像的球面全景以及 Krpano引擎，結(jié)合多種格式的音頻、圖形文件嵌入方法，建設(shè)完成具有互動功能的虛擬現(xiàn)實氣象觀測場平臺，在濱海新區(qū)氣象科普基地布設(shè)終端顯示，通過線上線下結(jié)合的方式，提升科普基地體驗、互動、宣傳、教育等能力。濱海新區(qū)虛擬氣象觀測場針對學(xué)齡前兒童和小學(xué)生進(jìn)行科普教育，將科普寓教于樂，從而增加少年兒童學(xué)習(xí)氣象探測儀器科學(xué)內(nèi)涵的興趣。

1 系統(tǒng)功能與架構(gòu)

天津市濱海新區(qū)虛擬氣象觀測場系統(tǒng)整體功能架構(gòu)主要包含三維場景、儀器識別及動畫、觀測數(shù)據(jù)檢索及定時推送以及儀器觀測數(shù)據(jù)展示(圖1)。

圖1 系統(tǒng)功能架構(gòu)圖Fig.1 System function architecture diagram

①三維場景的建立基于 Krpano平臺，利用單反相機(jī)、魚眼鏡頭配合全景云臺進(jìn)行拍攝。Krpano是一種基于 Flash的三維全景播放器，支持各種類型的全景圖以及全景視頻和環(huán)物全景。利用魚眼鏡頭的鏡頭的寬視角和單反數(shù)碼相機(jī)的高像素，配合全景云臺實現(xiàn)場景的優(yōu)質(zhì)拼接，建立觀測場的多個三維全景，實現(xiàn)系統(tǒng)平臺內(nèi)的場景切換、漫游功能，支持場景的上下、左右移動。

②儀器識別及原理動畫顯示模塊：系統(tǒng)實現(xiàn)觀測儀器識別(熱點(diǎn)創(chuàng)建)功能，鼠標(biāo)移動至相關(guān)儀器后，能夠突出顯示該儀器輪廓，鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊被識別儀器后，能夠出現(xiàn)儀器觀測原理動畫或圖片。

③觀測數(shù)據(jù)檢索及定時推送模塊：基于全國綜合氣象信息共享平臺(CIMISS)統(tǒng)一數(shù)據(jù)環(huán)境和服務(wù)接口(MUSIC)，實現(xiàn)全要素觀測數(shù)據(jù)的檢索功能，并實現(xiàn)檢索結(jié)果寫為本地 JSON文件，通過 FTP實現(xiàn)公有云的數(shù)據(jù)推送。

④儀器觀測數(shù)據(jù)顯示：鼠標(biāo)點(diǎn)擊熱點(diǎn)觀測儀器后，能夠?qū)崿F(xiàn)前后端 Http響應(yīng)，并可實現(xiàn)基于百度ECHARTS的高交互圖表顯示。

2 系統(tǒng)特點(diǎn)及功能

2.1 系統(tǒng)三維場景

基于 Krpano的三維場景平臺，建立天津市濱海新區(qū)氣象局國家基本氣象觀測站的4個三維全景(包含百葉箱、地溫、大氣電場儀及業(yè)務(wù)辦公樓)，實現(xiàn)系統(tǒng)平臺內(nèi)各場景的切換和漫游功能，場景可上下、左右移動。實現(xiàn)界面如圖2所示。

圖2 濱海新區(qū)觀測站三維場景建立及交互模塊Fig.2 3D scene establishment and interaction module of meteorological observation station in Binhai New Area

2.2 熱點(diǎn)區(qū)域動畫展示功能

系統(tǒng)實現(xiàn)觀測儀器識別(熱點(diǎn)創(chuàng)建)功能，鼠標(biāo)移動觀測場內(nèi)的各觀測儀器時，突出顯示百葉箱、雨量桶、地溫、大氣電場儀、10m 風(fēng)塔等氣象觀測儀器的輪廓，鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊被識別儀器后，顯示儀器觀測原理動畫或圖片。儀器識別實現(xiàn)效果如圖 3所示，儀器觀測原理動畫實現(xiàn)效果如圖4所示。

圖3 儀器識別高亮顯示效果Fig.3 Instrument identification and display

圖4 儀器識別及觀測原理動畫顯示效果Fig.4 Animation display of instrument works

2.3 數(shù)據(jù)檢索推送功能

基于 CIMISS的 MUSIC接口，檢索天津市濱海新區(qū)氣象局觀測場的全要素觀測數(shù)據(jù)，將檢索結(jié)果JSON文件，通過 FTP向服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)推送，可推送最近 10h的全站點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)。觀測站點(diǎn)檢索數(shù)據(jù)JSON文件格式如圖5所示。

2.4 數(shù)據(jù)高交互顯示

儀器觀測數(shù)據(jù)顯示：鼠標(biāo)點(diǎn)擊熱點(diǎn)觀測儀器能夠?qū)崿F(xiàn)前后端 Http響應(yīng)，并實現(xiàn)基于百度 ECHARTS的高交互圖表顯示，實現(xiàn)移動端小屏上用手指在坐標(biāo)系中進(jìn)行縮放、平移。曲線圖顯示效果如圖 6所示，觀測實況數(shù)據(jù)列表顯示效果如圖7所示。

圖6 觀測數(shù)據(jù)曲線圖顯示效果Fig.6 Curve of observation data

圖7 觀測數(shù)據(jù)列表顯示效果Fig.7 List of observation data

3 結(jié) 語

本文基于虛擬全景技術(shù)，結(jié)合多種格式的音頻、圖形文件嵌入方法，建設(shè)完成具有互動功能的虛擬現(xiàn)實氣象觀測場，完成氣象站內(nèi)百葉箱、閃電定位、能見度、地溫表等測量儀器的原理圖例動畫；實時顯示站點(diǎn)獲得的氣象資料數(shù)據(jù)，繪制不同曲線。通過在天津市濱海新區(qū)氣象科普基地布設(shè)終端顯示，通過線上線下結(jié)合的方式，有效提升科普基地體驗、互動、宣傳、教育等方面的能力。