VR/AR技術(shù)在氣象觀測站場景管理中的應(yīng)用

聞春華 李志鵬

（江西省大氣探測技術(shù)中心 江西省南昌市 330096）

近年來，人工智能(AI)、大數(shù)據(jù)等科技和產(chǎn)業(yè)生態(tài)的持續(xù)發(fā)展，推動(dòng)了VR(虛擬現(xiàn)實(shí))的不斷演進(jìn)。虛擬現(xiàn)實(shí)終端已由單一應(yīng)用向多元化應(yīng)用、由分立向融合的方向演變。VR產(chǎn)業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，在娛樂、教育培訓(xùn)、旅游、科普宣傳等方面得到應(yīng)用，產(chǎn)業(yè)鏈在不斷完善，成為行業(yè)應(yīng)用的一個(gè)亮點(diǎn)，潘騰[2]、沈馨蕙[5]、張磊[6]、陳艷芳[7]、陳聞[8]、雷振江[9]等分別在科技展示、培訓(xùn)、工業(yè)生產(chǎn)以及電力行業(yè)應(yīng)用開展了基于VR/AR 技術(shù)的應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)，通常多以預(yù)設(shè)靜態(tài)數(shù)據(jù)、重復(fù)的沉浸式體驗(yàn)應(yīng)用為主。

目前，VR/AR 技術(shù)在氣象行業(yè)的應(yīng)用也在逐步的探索與研究，主要在氣象現(xiàn)象模擬展示、氣象科普體驗(yàn)等方面，徐嫩羽等[1]對VR/AR 技術(shù)在氣象科普領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了分析研究。而VR/AR 技術(shù)與氣象實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的結(jié)合應(yīng)用還不多，處于起步階段。文中，立足氣象觀測業(yè)務(wù)實(shí)際，利用網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)庫技術(shù)，基于臺(tái)站實(shí)時(shí)觀測數(shù)據(jù)與設(shè)備運(yùn)行信息等開展VR/AR在氣象觀測站場景管理應(yīng)用研究，探索現(xiàn)代信息技術(shù)深度應(yīng)用氣象觀測業(yè)務(wù)新途徑，為氣象業(yè)務(wù)服務(wù)提供更高水平的氣象觀測基礎(chǔ)支撐。

1 應(yīng)用設(shè)計(jì)

基于VR/AR 的氣象觀測站場景管理應(yīng)用以南昌國家基本氣象觀測站為例，通過對氣象觀測站場與探測環(huán)境進(jìn)行VR 建模與仿真、對實(shí)時(shí)觀測數(shù)據(jù)、氣象觀測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息以及臺(tái)站質(zhì)控后數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，為氣象臺(tái)站實(shí)時(shí)掌握氣象觀測站場探測環(huán)境、觀測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、觀測要素?cái)?shù)據(jù)變化趨勢與天氣現(xiàn)象實(shí)時(shí)場景提供沉浸式人機(jī)交互體驗(yàn)和常規(guī)三維應(yīng)用管理。應(yīng)用設(shè)計(jì)路線見圖1。

1.1 現(xiàn)實(shí)場景三維重現(xiàn)

通過現(xiàn)場地形地貌航拍采集、設(shè)備圖片紋理采集，基于maya進(jìn)行三維模型及地形真實(shí)比例還原，對氣象觀測場與探測環(huán)境進(jìn)行VR 建模與仿真，將地形及觀測設(shè)備三維化合入U(xiǎn)nity 引擎， Unity引擎在服務(wù)器中實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行同步更新，并自動(dòng)化進(jìn)行大數(shù)據(jù)處理與管理，生成相應(yīng)的展示產(chǎn)品。

1.2 數(shù)據(jù)信息與獲取

數(shù)據(jù)信息包括實(shí)時(shí)觀測數(shù)據(jù)與臺(tái)站基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息元數(shù)據(jù)，采用Mysql 管理。實(shí)時(shí)觀測數(shù)據(jù)信息來源于省級(jí)綜合氣象信息共享平臺(tái)(CIMISS)數(shù)據(jù)環(huán)境，對接統(tǒng)一數(shù)據(jù)環(huán)境和服務(wù)接口，逐小時(shí)實(shí)時(shí)獲取觀測場各類觀測設(shè)備（包括各采集器、通信模塊、系統(tǒng)電源、各類傳感器等）運(yùn)行狀態(tài)信息、質(zhì)控后的常規(guī)要素（包括溫度、濕度、風(fēng)向風(fēng)速、氣壓、降水及蒸發(fā)、能見度、日照等）觀測數(shù)據(jù)、國家級(jí)處理的視程障礙及地面凝結(jié)現(xiàn)象（總云量、云高、露、霜、雨凇、霧凇、輕霧、霧、霾、浮塵、積雪、結(jié)冰等）綜合判識(shí)數(shù)據(jù)。臺(tái)站基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通過整理臺(tái)站地理信息、觀測系統(tǒng)設(shè)備詳細(xì)資料以及臺(tái)站功能信息等構(gòu)建元數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)表。

圖1：氣象觀測站場景管理應(yīng)用設(shè)計(jì)路線

圖2：氣象觀測站場景應(yīng)用架構(gòu)

1.3 應(yīng)用架構(gòu)

面向臺(tái)站氣象觀測實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)應(yīng)用，設(shè)計(jì)PC 和VR 雙端口應(yīng)用平臺(tái)。利用Unity 3D 構(gòu)建系統(tǒng)整體框架，采用Unity UGUI 模塊化構(gòu)建系統(tǒng)UI，運(yùn)用C#設(shè)計(jì)UI 功能及交互控制。應(yīng)用3D UI 界面展現(xiàn)臺(tái)站觀測設(shè)備對應(yīng)的觀測數(shù)據(jù)且圖形化展示，研發(fā)VR 設(shè)備對應(yīng)的視程障礙現(xiàn)象交互事件。通過Visual Studio Script 實(shí)現(xiàn)應(yīng)用中各類數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。應(yīng)用架構(gòu)見圖2。

2 功能設(shè)計(jì)

2.1 PC與VR雙端口應(yīng)用

PC 與VR 端可相互切換，桌面用戶通過常規(guī)鼠標(biāo)鍵盤操作進(jìn)行PC 端的桌面應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)文字、數(shù)字、圖形與動(dòng)態(tài)三維場景相融合的效果展示。在VR 端用戶通過頭戴式VR 設(shè)備進(jìn)行沉浸式的操控體驗(yàn)，直觀了解觀測場內(nèi)觀測設(shè)備部署情況、掌握觀測設(shè)備的運(yùn)行情況、觀測數(shù)據(jù)的變化以及天氣現(xiàn)象的場景化還原感知。

2.2 觀測站基礎(chǔ)信息管理

實(shí)現(xiàn)對氣象觀測場站的地理狀況、裝備列裝、臺(tái)站功能等歷史沿革信息的元數(shù)據(jù)集中管理。地理狀況信息包括場站臺(tái)站號(hào)、臺(tái)站名稱、臺(tái)站類型、經(jīng)緯度、海拔高度與探測環(huán)境狀況等。裝備列裝詳細(xì)管理場站內(nèi)布設(shè)的各類觀測系統(tǒng)，展示設(shè)備類型、裝備型號(hào)、生成廠家、啟用時(shí)間、檢定時(shí)間等。觀測功能展示觀測站承擔(dān)的國家級(jí)觀測項(xiàng)目、省級(jí)自主觀測項(xiàng)目以及資料信息交換情況等。通過列表形式查詢，提供文字信息與三維場景自動(dòng)切換相結(jié)合的顯示方式。

2.3 觀測設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控

結(jié)合站點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息的解析與判識(shí)，實(shí)現(xiàn)對站點(diǎn)觀測設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)控與設(shè)備可用性統(tǒng)計(jì)分析。將設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息按照設(shè)備的部件組成進(jìn)行解析分類，對開關(guān)量、模擬量值的判識(shí)診斷設(shè)備運(yùn)行狀況。通過觀測數(shù)據(jù)的上報(bào)情況、數(shù)據(jù)的質(zhì)控結(jié)果的融合應(yīng)用提高運(yùn)行監(jiān)控的精準(zhǔn)度。設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控采用實(shí)時(shí)更新顯示的方式，同時(shí)在三維場景中突出顯示提示相關(guān)信息。設(shè)備可用性通過綜合觀測數(shù)據(jù)上傳情況、維護(hù)維修、數(shù)據(jù)錯(cuò)誤可疑等情況得出，并提供按照時(shí)間的可用性查詢功能。

2.4 觀測要素的變化趨勢展示

應(yīng)用中觀測要素的變化趨勢實(shí)時(shí)更新，提供用戶通過在PC 端的桌面操作對站點(diǎn)各觀測要素按照時(shí)間查詢檢索，展示觀測要素的變化曲線與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。同時(shí)用戶頭戴VR 設(shè)備可以在沉浸式體驗(yàn)中進(jìn)行觀測要素的查詢操控，為實(shí)時(shí)掌握觀測場探測環(huán)境、觀測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、監(jiān)測要素采集及數(shù)據(jù)變化趨勢、天氣變化實(shí)時(shí)場景提供了新的有效手段。

2.5 天氣現(xiàn)象的場景化還原

基于質(zhì)控后的常規(guī)要素觀測數(shù)據(jù)、國家級(jí)處理的視程障礙及地面凝結(jié)現(xiàn)象（總云量、云高、露、霜、雨凇、霧凇、輕霧、霧、霾、浮塵、積雪、結(jié)冰等）綜合判識(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)采集判識(shí)結(jié)果代碼，在三維場景中進(jìn)行天氣現(xiàn)象的仿真展示。設(shè)計(jì)為兩部分：實(shí)時(shí)視程障礙現(xiàn)象和歷史24 小時(shí)視程障礙現(xiàn)象，Unity 引擎通過數(shù)據(jù)庫信息自動(dòng)判別結(jié)果代碼數(shù)值，模擬歷史24 小時(shí)視程障礙現(xiàn)象，并隨時(shí)間推移自動(dòng)化不斷更新判識(shí)結(jié)果。

3 結(jié)論

文中研究VR/AR 技術(shù)融入氣象實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)應(yīng)用的思路與方法，建立氣象觀測站場景管理應(yīng)用平臺(tái)，促進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)與氣象綜合觀測業(yè)務(wù)深度融合應(yīng)用，是氣象觀測智能化、自動(dòng)化發(fā)展應(yīng)用的有益探索，在基于氣象實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的場景應(yīng)用、氣象科普、培訓(xùn)等領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景。

（1）具有數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)、業(yè)務(wù)應(yīng)用在線的特點(diǎn)。通常的娛樂、旅游、教育、軍事、科普、培訓(xùn)、展示宣傳等VR 應(yīng)用，多以靜態(tài)數(shù)據(jù)、重復(fù)沉浸式體驗(yàn)應(yīng)用為主，本應(yīng)用與氣象實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)結(jié)合的實(shí)際應(yīng)用，具有創(chuàng)新性。

（2）具有天氣現(xiàn)象仿真、場景感知生動(dòng)的特點(diǎn)，可實(shí)時(shí)感知觀測場場景、天氣現(xiàn)象等變化，智能模擬當(dāng)前天氣實(shí)況。系統(tǒng)兼具PC 和VR 雙端口場景應(yīng)用切換能力，既可為氣象臺(tái)站的常規(guī)業(yè)務(wù)或值班監(jiān)控提供基于桌面PC 的三維仿真應(yīng)用服務(wù)，也可通過配置VR 眼鏡，提供觀測業(yè)務(wù)沉浸式體驗(yàn)服務(wù)。

（3）構(gòu)建了集觀測設(shè)備信息、狀態(tài)信息、觀測數(shù)據(jù)、綜合判識(shí)數(shù)據(jù)于一體的扁平集約數(shù)據(jù)處理流程，為臺(tái)站實(shí)時(shí)掌握觀測場探測環(huán)境、觀測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、監(jiān)測要素采集及數(shù)據(jù)變化趨勢、天氣變化實(shí)時(shí)場景提供了一體化平臺(tái)。