虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在氣象科普工作中的應(yīng)用

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述

1.1 概念

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，簡稱VR），又稱靈境技術(shù)，是20世紀(jì)發(fā)展起來的一項(xiàng)全新的實(shí)用技術(shù)，其基本實(shí)現(xiàn)方式是計(jì)算機(jī)模擬虛擬環(huán)境從而給人以環(huán)境沉浸感。隨著社會(huì)生產(chǎn)力和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的需求日益旺盛，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也取得了巨大進(jìn)步，并逐步成為一個(gè)新的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域[1]。

1.2 特點(diǎn)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有較為突出的三個(gè)特點(diǎn)，即：交互性、沉浸性和想象性。交互性是指參與者可以自然方式與虛擬環(huán)境之間交互，這樣的交互形式比平面圖形交互形式更豐富生動(dòng)；沉浸性又稱臨場(chǎng)感、浸入性，是指虛擬環(huán)境能夠帶給參與者身臨其境的體驗(yàn)，從而產(chǎn)生與真實(shí)世界一樣的感覺；想象性使得參與者從被動(dòng)轉(zhuǎn)為主動(dòng)接受事物，通過感性與理性認(rèn)識(shí)主動(dòng)探尋信息，深化概念并進(jìn)而產(chǎn)生認(rèn)知上的新意和構(gòu)想。

1.3 傳播價(jià)值

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的傳播價(jià)值主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面。

第一，更新了傳播方式。傳播方式不再是單向、被動(dòng)地傳播，而變?yōu)榱穗p向、主動(dòng)地傳播，傳播者與參與者可以互動(dòng)，使傳播信息具有流動(dòng)性。

第二，刺激多元化傳播手段產(chǎn)生。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)無疑是現(xiàn)代科技的一種傳播形式，將會(huì)刺激產(chǎn)生新的傳播形式，傳播將具有更廣的參與度和更大的包容性。

第三，為自媒體提供豐富資源。參與者可以通過各種自媒體平臺(tái)對(duì)其他受眾群體進(jìn)行二次傳播，擴(kuò)大了傳播的廣度和深度，傳播行為更加個(gè)性化。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠很好地還原和再現(xiàn)真實(shí)的世界，并且因其良好的交互性，使其可以在各領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，甚至深刻影響和改變各個(gè)領(lǐng)域現(xiàn)有局面。隨著科技進(jìn)步、技術(shù)融合及人類不斷的嘗試與探索，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)有都有極大發(fā)展。

2.1 教育領(lǐng)域

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以建立各種虛擬實(shí)驗(yàn)室，突破了場(chǎng)地、設(shè)備、經(jīng)費(fèi)等問題帶來的局限性，同時(shí)規(guī)避了某些危險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)帶來的隱患。對(duì)于日常教學(xué)中難以理解的構(gòu)造、原理等問題，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以直觀地教學(xué)，使學(xué)生快速掌握了解相關(guān)知識(shí)。此外，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)逐漸走進(jìn)了圖書館建設(shè)，不僅減輕了圖書管理員的工作量，同時(shí)也給予讀者更奇特的閱讀感，激發(fā)讀者閱讀興趣。

2.2 醫(yī)療領(lǐng)域

在醫(yī)療領(lǐng)域中，任何一個(gè)失誤都有可能造成無法挽回的后果。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以幫助醫(yī)護(hù)人員，特別是處在實(shí)習(xí)或培訓(xùn)崗位的人員建立模擬工作場(chǎng)景，如虛擬手術(shù)臺(tái)等進(jìn)行反復(fù)操作練習(xí)，尤其對(duì)于罕見病、復(fù)雜病等風(fēng)險(xiǎn)性高、患病率少且操作過程零失誤的疾病具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。目前，國外利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在心理疾病治療方面也有了一定的積累，可以幫助治療如自閉癥、焦慮癥、抑郁癥等心理疾病。

2.3 軍事領(lǐng)域

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的新成果往往最先運(yùn)用到航天與軍事訓(xùn)練中，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以真實(shí)模擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，進(jìn)行大規(guī)模軍事模擬演習(xí)，對(duì)于從模擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境過渡到真實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境有具有重要意義。目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在軍事領(lǐng)域中擁有舉足輕重的地位。

2.4 娛樂領(lǐng)域

目前最為大眾熟知的是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于游戲等娛樂領(lǐng)域。游戲行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)殘酷，設(shè)計(jì)公司深知一款能給用戶帶來好的體驗(yàn)感的游戲?qū)τ诠灸酥劣螒驑I(yè)發(fā)展的重要意義?；谔摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)的游戲相比傳統(tǒng)游戲而言，最大的優(yōu)勢(shì)在于沉浸感，這種沉浸感就是游戲好的體驗(yàn)感。此外，對(duì)于電影、體育賽事、綜藝等娛樂領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所具有的潛力也不可被低估。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)目前還被應(yīng)用于工業(yè)、物流、健康、購物等領(lǐng)域，未來充滿不確定性，還有會(huì)更多的領(lǐng)域等待人類探索，而這些領(lǐng)域?qū)?huì)迎來自己的紅利期，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將大放異彩。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在氣象科普領(lǐng)域嘗試

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)近年來開始被應(yīng)用于氣象領(lǐng)域。有利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)天氣現(xiàn)象、天氣系統(tǒng)和數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品進(jìn)行模擬的，也有將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于氣象影視宣傳方面進(jìn)行節(jié)目制作的[2]。目前氣象部門科普產(chǎn)品大多圍繞在圖書、宣傳折頁、展板等方面，手段和形式較為傳統(tǒng)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在氣象科普領(lǐng)域嘗試較少。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于氣象科普領(lǐng)域，不僅可以激發(fā)公眾的學(xué)習(xí)性，更可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，使公眾加深對(duì)如氣象災(zāi)害等方面的科學(xué)認(rèn)識(shí)，達(dá)到了解、加深、掌握知識(shí)的目的，從而提高應(yīng)對(duì)氣象災(zāi)害和自救、互救的能力。以下通過6部VR氣象科普短片分析其科普作用。

3.1 《穿越臺(tái)風(fēng)》

短片《穿越臺(tái)風(fēng)》中，參與者將隨同科學(xué)博士體驗(yàn)一場(chǎng)臺(tái)風(fēng)之旅。視角首先在太空中觀測(cè)到地球上的臺(tái)風(fēng)全貌，了解臺(tái)風(fēng)的形成原理，之后逐漸進(jìn)入風(fēng)平浪靜的臺(tái)風(fēng)眼區(qū)，發(fā)現(xiàn)一艘被困船只，通過引導(dǎo)被困船只在可航半圓區(qū)域內(nèi)分別穿過臺(tái)風(fēng)的云墻區(qū)、螺旋雨帶區(qū)，最終安全抵達(dá)港口避險(xiǎn)。參與者在觀看短片后將對(duì)臺(tái)風(fēng)各個(gè)區(qū)域的天氣現(xiàn)象以及破壞力有了更具體的認(rèn)識(shí)，在面對(duì)自然災(zāi)害的時(shí)候，了解如何更能保護(hù)自身及家人的生命財(cái)產(chǎn)安全?；?dòng)部分為參與者佩戴VR頭盔后，需要操作手柄發(fā)射導(dǎo)航浮標(biāo)，為被困船只指引方向。

3.2 《天兵行動(dòng)（上、下）》

短片《天兵行動(dòng)》（上部）以科幻故事題材，主要講述為應(yīng)對(duì)地球氣候突變引發(fā)一系列極端天氣，聯(lián)合國糧農(nóng)組織培育研究出一種高產(chǎn)抗災(zāi)的食物“I709”玉米，位于亞洲地區(qū)的培育基地由于受到極端天氣的影響，需要我國軍方派出特種作戰(zhàn)部隊(duì)“天兵行動(dòng)隊(duì)”前往培育基地，執(zhí)行營救“I709”玉米原株的緊急任務(wù)。在游戲化的體驗(yàn)中講述人工增雨的原理和作業(yè)條件?；?dòng)部分為參與者佩戴VR頭盔后，操作手柄發(fā)射人工增雨火箭彈撲滅森林火災(zāi)。

短片《天兵行動(dòng)》（下部）中，參與者將隨同“天兵小隊(duì)”一起經(jīng)歷救援后的護(hù)航任務(wù)，在執(zhí)行任務(wù)過程中參與并認(rèn)識(shí)了解人工消霧作業(yè)的方法。任務(wù)完成之后通過科幻的方式展現(xiàn)人類通過科技應(yīng)對(duì)氣象災(zāi)害和改變氣候的暢想。

3.3 《氣候與水》

短片《氣候與水》以氣候變化、水資源以及人類活動(dòng)之間的相互影響為主題，展示了大氣能量交換與水循環(huán)的關(guān)系、陸地降水的多樣性、人類活動(dòng)對(duì)氣候與水的共同影響、極端的災(zāi)害氣候等多方面相關(guān)科學(xué)知識(shí)。通過圖形渲染、物理模擬和體積特效等技術(shù)方式，呈現(xiàn)森林、海洋、沙漠等氣候和工業(yè)城市場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)山洪、山火、臺(tái)風(fēng)等極端天氣的災(zāi)害效果。

3.4 《漫游氣象博物館》

短片《漫游氣象博物館》以中國北極閣氣象博物館（注：中國北極閣氣象博物館位于南京市玄武區(qū)北極閣山上，是中國第一個(gè)氣象專業(yè)性博物館，于2010年3月建成）的古代氣象展區(qū)為原型，設(shè)計(jì)了5個(gè)展館，分別為：實(shí)景航拍博物館、進(jìn)化與氣候館、石器時(shí)代館、夏商西周館以及古代綜合館。石器時(shí)代館采用360°全景航拍北極閣氣象歷史博物館，通過無人機(jī)與全景攝像機(jī)空中航拍，展示北極閣觀象臺(tái)與周邊環(huán)境的風(fēng)貌；進(jìn)化與氣候館為人類進(jìn)化與氣候全景解說動(dòng)畫，以動(dòng)畫與科普形式介紹人類祖先的進(jìn)化歷程，表現(xiàn)古猿進(jìn)化到氏族人類與氣候地理環(huán)境變遷之間的密切聯(lián)系；石器時(shí)代館以3D動(dòng)畫方式全景還原石器時(shí)代中國古人的氣象活動(dòng)和對(duì)日月季年的認(rèn)知水平，展現(xiàn)了河姆渡人與半坡文明的生活狀態(tài)；夏商西周館以3D動(dòng)畫方式全景還原了夏商周時(shí)期中國古人的氣象成就，如世界上最早的觀象臺(tái)都陶寺觀象臺(tái)等；古代綜合館以3D還原與動(dòng)畫科普的方式展現(xiàn)我國古代人民的天文成就與驚人智慧，重點(diǎn)介紹了如渾儀、日晷等古代氣象天文儀器。這5個(gè)展館凝練介紹了數(shù)千年璀璨的中華氣象文明史，使公眾了解了人類文明從起源走向發(fā)展的過程?；?dòng)部分為參與者佩戴VR頭盔后，通過手柄控制進(jìn)入博物館的各個(gè)展區(qū)，與展項(xiàng)進(jìn)行交互操作，可以進(jìn)入對(duì)應(yīng)的虛擬世界進(jìn)行科普講解，展示古代場(chǎng)景等。

3.5 《南極探索》

南極被人們稱為第七大陸，是地球上最后一個(gè)被發(fā)現(xiàn)且唯一沒有人員定居的大陸。在短片《南極探索》中，參與者將跟隨南極探險(xiǎn)隊(duì)的小舟身臨其境地見證南極酷寒與干燥氣候，穿梭在南極冰川之中。結(jié)合旁白語音的介紹，科普南極的氣候特點(diǎn)、風(fēng)速與降水條件。同時(shí)，參與者還可以置身于可愛的企鵝群里，認(rèn)識(shí)到南極生物的多樣性與人類活動(dòng)息息相關(guān)，了解保護(hù)氣象環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展的重要性。

3.6 《龍卷風(fēng)》

龍卷風(fēng)是一種具有一定破壞力的自然現(xiàn)象，在短片《龍卷風(fēng)》中，參與者將以拍攝龍卷風(fēng)的“逐風(fēng)者”車輛記錄儀視角，身臨龍卷風(fēng)肆虐的現(xiàn)場(chǎng)，感受撲面而來的氣旋巨大的破壞力。跟隨科普旁白，了解龍卷風(fēng)的規(guī)模、風(fēng)速、形態(tài)與形成規(guī)律等知識(shí)，在直面緊張刺激的自然災(zāi)害同時(shí)，參與者也能深刻理解氣象防災(zāi)減災(zāi)的必要性。

3.7 應(yīng)用場(chǎng)景及效果

將6部VR氣象科普短片應(yīng)用于“3·23”世界氣象日、“5·12”防災(zāi)減災(zāi)日、氣象科技活動(dòng)周、科普“四進(jìn)”等大型科普活動(dòng)以及一些氣象科普展館中。VR氣象科普短片的出現(xiàn)，受到大量公眾的關(guān)注，每次在活動(dòng)中應(yīng)用都會(huì)吸引公眾爭(zhēng)先參與體驗(yàn)，這其中包括對(duì)氣象知識(shí)充滿渴望的青少年和學(xué)生群體、希望用所學(xué)知識(shí)指導(dǎo)生活生產(chǎn)的中年人、以及緊跟時(shí)代步伐對(duì)現(xiàn)代科技充滿好奇心的老年人。

面對(duì)復(fù)雜多變的天氣形勢(shì)，氣象科普引導(dǎo)他們用科學(xué)的方法處理問題，讓公眾在接受到氣象信息后更好地理解和應(yīng)用氣象信息并指導(dǎo)生產(chǎn)生活，尤其是當(dāng)臺(tái)風(fēng)、暴雨等氣象災(zāi)害來襲時(shí)，只有在充分了解此類災(zāi)害的危害及如何防御預(yù)警等防災(zāi)減災(zāi)自救知識(shí)的公眾，才能最大限度的避免災(zāi)害可能造成的巨大經(jīng)濟(jì)和生命財(cái)產(chǎn)損失[3]。面對(duì)應(yīng)對(duì)氣候變化的艱巨任務(wù)，氣象科普承擔(dān)了為公眾還原科學(xué)事實(shí)，傳播低碳、綠色理念的使命，增強(qiáng)公眾的環(huán)境意識(shí)以及對(duì)于氣候變化問題的關(guān)注，使應(yīng)對(duì)氣候變化成為每個(gè)公民關(guān)注的焦點(diǎn)，使他們意識(shí)到自己在應(yīng)對(duì)氣候變化過程中所扮演的重要角色。面對(duì)日新月異的科學(xué)技術(shù)革命，氣象科普帶領(lǐng)公眾揭開氣象的“神秘面紗，”令更多人關(guān)注、走進(jìn)氣象博物館，沉浸于歷史的厚重感，使“高冷”的博物館跟上現(xiàn)代技術(shù)的腳步。以科技創(chuàng)新為支撐，通過對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的利用，營造出了優(yōu)良的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境與空間，有效推進(jìn)了氣象科技創(chuàng)新和氣象科學(xué)普及的共同發(fā)展，是“智慧氣象”的具體舉措。

4 局限性

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在氣象科普領(lǐng)域中的運(yùn)用還處于初級(jí)階段，雖然推出的VR氣象科普短片在一定程度上豐富了氣象科普的載體與手段，但如腳本的撰寫、技術(shù)手段的實(shí)現(xiàn)等還在不斷探索與嘗試的過程中。

4.1 交互性有限

目前開發(fā)的6部VR氣象科普短片中，《穿越臺(tái)風(fēng)》及《天兵行動(dòng)（上、下）》需要參與者佩戴VR頭盔后通過手柄進(jìn)行交互，但交互動(dòng)作比較單一，互動(dòng)頻率較低；《氣候與水》則只能配合蛋椅才有更強(qiáng)的體驗(yàn)效果，集成到頭盔里便無法交互，公眾只能將其當(dāng)作一部普通的氣象科普短片觀看，缺少沉浸感；而《南極探索》和《龍卷風(fēng)》由于受時(shí)長和內(nèi)容限制，幾乎沒有交互性。

4.2 缺少個(gè)性化服務(wù)

現(xiàn)有的VR氣象科普短片數(shù)量較少，無法滿足不同受眾群體的需要。如《穿越臺(tái)風(fēng)》VR氣象科普短片，受臺(tái)風(fēng)災(zāi)害影響較大的沿海地區(qū)公眾的關(guān)注度較高，而西部地區(qū)公眾對(duì)此關(guān)注度較低，他們更多想了解的是大風(fēng)、暴雪、干旱、沙塵等與之日常生活聯(lián)系密切的氣象災(zāi)害。受客觀因素影響，目前缺少針對(duì)不同受眾的個(gè)性化內(nèi)容及服務(wù)。

4.3 軟件種類不夠豐富

現(xiàn)有的VR氣象科普短片主要圍繞氣象災(zāi)害以及世界氣象日主題進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，軟件種類貧乏。對(duì)于公眾關(guān)注度較高的如氣象衛(wèi)星、太陽風(fēng)暴、空間天氣、氣象科普基地或場(chǎng)館等主題內(nèi)容還未制定詳細(xì)研發(fā)計(jì)劃。受各方面因素影響，目前還未開發(fā)氣象VR專業(yè)設(shè)備或平臺(tái)，無法進(jìn)一步豐富氣象虛擬現(xiàn)實(shí)內(nèi)涵。

5 結(jié)論

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與氣象科普業(yè)務(wù)的深度融合是氣象科普創(chuàng)新發(fā)展的必由之路。未來不僅要改善現(xiàn)有虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的硬件、軟件技術(shù)，加大氣象科普創(chuàng)新能力，加強(qiáng)氣象科普資源共享，更要加強(qiáng)氣象科普的宣傳力度，改進(jìn)宣傳手段，利用自媒體平臺(tái)吸引更多公眾，提高公眾參與度，形成“智慧眾籌”，切實(shí)推進(jìn)氣象科普工作不斷發(fā)展。