增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在氣象科普中的應(yīng)用和優(yōu)勢

王 鑫，卜清軍，呼莉莉，張煒杰，徐靈芝

(1. 天津市應(yīng)急管理事務(wù)中心 天津 300000；2. 天津市濱海新區(qū)氣象局 天津 300457；3. 天津港集團(tuán)有限公司 天津 300450；4. 天津市氣象臺(tái) 天津 300074)

0 引 言

氣象科普，即氣象科學(xué)的普及，是指利用各種傳媒以公眾易于理解、接受和參與的方式向普通公眾介紹專業(yè)的氣象知識，讓公眾了解氣象在日常生活中的重要性，提高預(yù)防和減輕氣象災(zāi)害的能力[1]。

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，氣象科普已經(jīng)融入社會(huì)的方方面面。近年來氣候異常導(dǎo)致的極端氣象事件和氣象災(zāi)害造成的人員財(cái)產(chǎn)損失逐年增加，使得公眾對氣象科學(xué)普及的關(guān)注日漸突出，這給氣象科普工作的發(fā)展提供了廣大的受眾，奠定了良好的基礎(chǔ)。氣象科普在輿論引導(dǎo)和突發(fā)公共事件應(yīng)對等方面同樣發(fā)揮著重要的作用[2]。氣象科學(xué)包含數(shù)學(xué)、物理學(xué)、地理學(xué)等學(xué)科的基礎(chǔ)知識，例如帕斯卡氣壓定律、牛頓定律、地轉(zhuǎn)偏向力、三圈環(huán)流等，這些知識點(diǎn)覆蓋小學(xué)、中學(xué)乃至大學(xué)的基礎(chǔ)理論課程。依托移動(dòng)互聯(lián)新平臺(tái)，利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將氣象過程和物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬、復(fù)原，可以增加科普的真實(shí)性。通過調(diào)整模型的物理量來改變氣象過程的發(fā)展和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以增強(qiáng)科普的互動(dòng)性以及受眾對科普內(nèi)容的理解。

1 國內(nèi)外氣象科普現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)現(xiàn)狀

近年來國內(nèi)氣象科普宣傳投入和力度逐年增加，取得了一定的宣傳效果。目前氣象科普的手段主要有以下幾種：一是通過新聞媒體的報(bào)道，媒體報(bào)道具有時(shí)效性強(qiáng)、受眾廣、權(quán)威的特點(diǎn)，但主要以氣象災(zāi)害預(yù)防和救助為主；二是氣象部門的開放參觀，公眾可以近距離了解和感受國家各級氣象主管部門的日常工作和先進(jìn)的探測、預(yù)報(bào)、預(yù)警技術(shù)手段；三是氣象科普展館，館內(nèi)常展示有各類科普掛圖、氣象儀器、宣傳影片、模型、模擬3D展臺(tái)和互動(dòng)游戲等；四是網(wǎng)站和移動(dòng)新媒體(微信、微博、APP)，這有別于傳統(tǒng)的氣象科普，正處于發(fā)展階段[3]。此外，我國氣象科普宣傳具有時(shí)間分布集中的特征：一是“3.23氣象日”“5.12防災(zāi)減災(zāi)日”等紀(jì)念日前后；二是較大氣象災(zāi)害或事件發(fā)生前后?？傮w而言，我國氣象科普推廣手段較為傳統(tǒng)、宣傳時(shí)間集中、受地點(diǎn)限制嚴(yán)重，還有較大的創(chuàng)新和發(fā)展空間。

1.2 國際現(xiàn)狀

國際上，氣象科普工作主要是嵌入氣象機(jī)構(gòu)的社會(huì)化服務(wù)中實(shí)現(xiàn)的。國外氣象部門對公眾開展公益性氣象服務(wù)時(shí)，涉及的服務(wù)內(nèi)容包括一般性天氣預(yù)報(bào)、涉及日常出行的天氣信息服務(wù)等，以及與應(yīng)急避險(xiǎn)、交通等部門聯(lián)動(dòng)形成的氣象信息預(yù)警服務(wù)。此外，國外比較重視結(jié)合重大氣象和環(huán)境事件開展密集、全方位的公眾宣傳。這種常規(guī)氣象信息服務(wù)和定點(diǎn)氣象信息服務(wù)相結(jié)合的方式，有利于打造一個(gè)張弛有度、全面滲透的氣象科普環(huán)境。

2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在氣象科普中的設(shè)計(jì)

2.1 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality，AR)技術(shù)概述

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生現(xiàn)實(shí)環(huán)境中并不存在的虛擬信息，這些虛擬信息可被用戶以視覺、聽覺、觸覺等方式感知，成為周圍真實(shí)環(huán)境的組成部分，從而增強(qiáng)用戶對現(xiàn)實(shí)世界的感知[4]。本文中增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用主要是指增強(qiáng)可視技術(shù)的應(yīng)用。通過增強(qiáng)可視來突出氣象科普虛實(shí)結(jié)合、實(shí)時(shí)互動(dòng)、三維立體的特點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)便捷、增強(qiáng)趣味、提升互動(dòng)、簡化問題的最終目的。實(shí)現(xiàn)AR技術(shù)的原理主要有3個(gè)方面[5]。

①顯示技術(shù)，AR的顯示設(shè)備是用于顯示虛擬圖像和真實(shí)環(huán)境相疊加產(chǎn)生的影像。

②跟蹤和定位技術(shù)，AR需要進(jìn)行定位，跟蹤用戶位置、視域方向，確定虛擬物體在三維場景中的位置，從而實(shí)現(xiàn)交互。

③界面可視化和標(biāo)定技術(shù)，讓用戶更好地與虛擬信息進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，需實(shí)現(xiàn)有效可視化并進(jìn)行大量標(biāo)定生成準(zhǔn)確定位[6]。

2.2 通過改變降水強(qiáng)度模擬降水量級和城市瀝澇

降水是影響公眾生活最多的天氣現(xiàn)象之一，由強(qiáng)降水引發(fā)洪澇、泥石流、城市瀝澇等災(zāi)害是造成人民財(cái)產(chǎn)損失的主要災(zāi)種。降水強(qiáng)度、降水量、過程降水量這些專業(yè)詞匯給公眾對降水等級的理解和對降水造成的影響的判斷制造了困難。

將降水模型的12小時(shí)降水量、24小時(shí)降水量作為變量由科普受眾自行設(shè)定，通過降水強(qiáng)度與降水時(shí)間的累積，顯示降水量級。事先設(shè)定無排水系統(tǒng)的沙漠地區(qū)、地質(zhì)災(zāi)害等級較高的山區(qū)、排水一般的老城區(qū)3種不同的下墊面模型以供選擇，并配以相關(guān)聲音、文字解釋。

最終的目的是讓受眾通過互動(dòng)，主動(dòng)了解降水等級與降水量的關(guān)系。了解干旱地區(qū)地表徑流、山洪、泥石流、城市瀝澇的形成和危險(xiǎn)。

2.3 改變臺(tái)風(fēng)中心氣壓制造臺(tái)風(fēng)并模擬其路徑

臺(tái)風(fēng)是每年夏季影響我國東南沿海的主要?dú)庀鬄?zāi)害，臺(tái)風(fēng)帶來的大風(fēng)和強(qiáng)降水是造成災(zāi)害的主要因素。影響我國的臺(tái)風(fēng)受氣壓梯度力、地轉(zhuǎn)偏向力、下墊面和其他氣象系統(tǒng)的共同影響，向西北方向移動(dòng)影響我國東南沿海地區(qū)。

通過設(shè)定臺(tái)風(fēng)中心的氣壓值，改變臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度、生成地點(diǎn)，并模擬臺(tái)風(fēng)路徑和登陸點(diǎn)。讓公眾了解臺(tái)風(fēng)的基本知識，通過聲音和文字普及防臺(tái)知識。

2.4 通過改變風(fēng)的等級模擬風(fēng)災(zāi)造成的影響

風(fēng)是空氣流動(dòng)引起的自然現(xiàn)象，通過改變風(fēng)速，模擬不同風(fēng)速下預(yù)設(shè)模型狀態(tài)的變化(如紅旗飄揚(yáng)、樹木倒伏、屋頂被掀翻等)，使得公眾對風(fēng)災(zāi)有全面的認(rèn)識和理解。

大多公眾對風(fēng)的認(rèn)識是水平方向的空氣流動(dòng)，對于垂直方向的空氣移動(dòng)的風(fēng)了解不多。增強(qiáng)可視技術(shù)可以模擬下?lián)舯┝鲗︼w機(jī)的影響，來展現(xiàn)垂直風(fēng)的危害。

3 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用及其優(yōu)勢

傳統(tǒng)的氣象科普方式往往存在一定的局限性，如科普時(shí)間集中、科普地點(diǎn)限制、科普館建設(shè)運(yùn)行成本高、科普設(shè)備更新慢等。由于以上局限性，導(dǎo)致傳統(tǒng)氣象科普工作難以激發(fā)公眾主動(dòng)參與、學(xué)習(xí)和探索的熱情?；谠鰪?qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)展現(xiàn)的氣象科普將通過虛實(shí)結(jié)合、實(shí)時(shí)互動(dòng)、三維立體等特點(diǎn)為用戶帶來全新體驗(yàn)，并將復(fù)雜難懂的科學(xué)問題轉(zhuǎn)化成具象模型，以半游戲的形式增加知識的趣味性、通俗性。通過移動(dòng)終端搭載APP的形式出現(xiàn)，還可以現(xiàn)實(shí)科普的實(shí)時(shí)性。

3.1 直觀性

AR技術(shù)的優(yōu)勢是將虛擬世界信息和真實(shí)世界信息“無縫”集成，是將在現(xiàn)實(shí)世界的時(shí)間空間范圍很難體驗(yàn)的實(shí)體信息通過圖形技術(shù)模擬后，與真實(shí)世界的影像疊加，實(shí)現(xiàn)接近真實(shí)的感官體驗(yàn)。通過模型將不同尺度的天氣過程從不同角度展現(xiàn)出來，可以將復(fù)雜的天氣現(xiàn)象簡化直觀地展現(xiàn)給用戶[7]。

3.2 趣味性

AR技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)有趣的交互功能，用戶可以通過改變模型的物理量，或者拖拽屏幕上的裝備，滑動(dòng)手機(jī)屏幕調(diào)整觀看模型的視角等，全方位地了解和“掌控”天氣現(xiàn)象、災(zāi)害的發(fā)生及程度。AR技術(shù)為科普產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供了很多的可能性，也為用戶帶來了全新體驗(yàn)。

3.3 便捷性及其他

搭載AR技術(shù)的平臺(tái)為移動(dòng)客戶端及智能手機(jī)，因此氣象科普變得隨時(shí)隨地，打破了時(shí)間和空間的限制。此外，此類科普產(chǎn)品較傳統(tǒng)科普產(chǎn)品還具有更新速度快、開發(fā)和運(yùn)行成本低、參與廣泛的優(yōu)勢。

4 結(jié) 論

增強(qiáng)可視技術(shù)在氣象科普中有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。利于推廣和普及，利于提升氣象科普的互動(dòng)性，利于提升科普效果，利于降低科普推廣中的成本。相對傳統(tǒng)氣象科普方式，AR技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢，該技術(shù)帶給我們的不僅僅是一個(gè)技術(shù)平臺(tái)或工具，更會(huì)孕育出一種新型傳授、解析科學(xué)的模式和學(xué)習(xí)方法。對于貫徹落實(shí)中國氣象科普發(fā)展規(guī)劃、切實(shí)推進(jìn)氣象科普工作具有重大意義。

目前AR技術(shù)的推廣也具有局限性：一是科普市場回報(bào)率低致使開發(fā)者積極性不高；二是科普產(chǎn)品更新的及時(shí)性難以保障，在得到用戶認(rèn)可后，需要注入更多的模型和實(shí)例；三是獨(dú)立的科普APP難以和眾多氣象咨詢APP競爭，需融合發(fā)展，相互促進(jìn)?！?/p>