臺風(fēng)三維建模方法分析

王云卓

中國民用航空局空中交通管理局航空氣象中心 北京 100122

引言

我國是一個臺風(fēng)多發(fā)的國家，尤其夏季，很多沿海地區(qū)時常遭到臺風(fēng)襲擊。臺風(fēng)來襲經(jīng)常伴隨著狂風(fēng)、暴雨和風(fēng)暴潮，導(dǎo)致潮水漫溢，沖毀房屋和建筑設(shè)施，淹沒城鎮(zhèn)和農(nóng)田，造成大量人員傷亡和財產(chǎn)損失。2014年的臺風(fēng)“威馬遜”共導(dǎo)致海南直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)119.5億元，全省325.8萬人受災(zāi)。在針對臺風(fēng)災(zāi)害知識的普及問題上傳統(tǒng)方式方法存在局限性，受地域和氣候影響，無法實(shí)現(xiàn)對臺風(fēng)這種惡劣天氣現(xiàn)象的實(shí)景教學(xué)，另外，在宣傳氣象科普知識時，通過圖文展示、實(shí)物展出等傳統(tǒng)方式，民眾缺少交互體驗(yàn)感，效果不佳。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)三維建模技術(shù)的發(fā)展及日趨成熟，將虛擬現(xiàn)實(shí)三維建模技術(shù)應(yīng)用于臺風(fēng)教學(xué)體驗(yàn)中，可以改進(jìn)氣象教學(xué)模式，提高民眾對災(zāi)害性天氣的感性認(rèn)識，實(shí)現(xiàn)民眾在氣象科普中的交互體驗(yàn)等。本文歸納了虛擬現(xiàn)實(shí)三維建模方法，分析了虛擬現(xiàn)實(shí)建模方法的典型應(yīng)用場景以及優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)了虛擬現(xiàn)實(shí)三維建模技術(shù)在氣象上應(yīng)用所面臨的問題，最后展望了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)三維建模在民航氣象領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

1 三維建模技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

三維建模技術(shù)主要分為基于圖形和基于圖像的建模技術(shù)，除此之外還有利用三維掃描儀和數(shù)學(xué)函數(shù)的建模技術(shù)?；趫D形的三維建模技術(shù)是面向場景的幾何模型，其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是景物的矢量幾何數(shù)據(jù)，基于圖像的三維建模技術(shù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是手機(jī)、無人機(jī)等拍攝的二維圖像，基于三維掃描儀的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是實(shí)物內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的距離數(shù)據(jù)，而數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)則是氣象數(shù)據(jù)、數(shù)學(xué)公式和原理。

三維建模技術(shù)最早應(yīng)用于地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)，如今三維建模技術(shù)目前已在多領(lǐng)域中使用，在地質(zhì)、交通、能源、影視、動畫、通信、氣象、醫(yī)學(xué)等方面都發(fā)揮了很大的作用，如機(jī)器人視覺導(dǎo)航中的障礙物檢測、三維地形重建、醫(yī)學(xué)影像分析以及虛擬現(xiàn)實(shí)等。目前，市場上有很多三維建模軟件，如3DSMAX等，已經(jīng)發(fā)展得非常成熟了。目前，三維建模技術(shù)在氣象領(lǐng)域也取得廣泛應(yīng)用。能針對天氣現(xiàn)象中的雨、雪和霧進(jìn)行三維建模模擬，對天氣系統(tǒng)的模擬主要體現(xiàn)在流場、溫度場和濕度場等方面[1]。

2 三維建模方法分析

2.1 使用三維軟件建模

利用三維軟件建模，建模方法有很多，比如幾何建模、多邊形建模、布爾建模和放樣建模等，共同點(diǎn)都是利用點(diǎn)、線、面等基本的幾何元素建模，通過平移、旋轉(zhuǎn)、拉伸以及布爾運(yùn)算建模。本課題主要研究了其中的幾何建模方法。在三維建模當(dāng)中對于幾何體的應(yīng)用非常廣泛，其貫穿了整個3DSMAX的建模過程，常被用于制作基礎(chǔ)模型。幾何建模又分為三種，分別是線框模型，表面模型和實(shí)體模型。很多大型的虛擬模型在分解后是各種基礎(chǔ)的幾何模型，因此利用幾何模型進(jìn)行建模的方法比較簡單和直接。在建模型之前，首先收集相關(guān)資料，掌握幾何物的整體形狀，然后在軟件的操作頁面上選擇創(chuàng)建工具，通過平移、旋轉(zhuǎn)、拉伸等工具，這樣就可以讓幾何圖形重新排布組合，進(jìn)而獲得想要的整體三維模型。

目前，市場上優(yōu)秀的建模軟件眾多，主要有3DSMAX、AutoCAD、Maya、SoftImage等。但是軟件建模比較適用于電影特效、影視制作、動畫制作及渲染、工業(yè)設(shè)計和建筑等，對于給風(fēng)、雨、雷暴這種邊界模糊、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、形態(tài)各異、運(yùn)動軌跡不確定的自然景象建模，需要通過間接的方式，創(chuàng)建臺風(fēng)來臨使物體移動、水位增高等場景，模擬臺風(fēng)過境時的場景，但難以通過軟件建模直接模擬臺風(fēng)本身。

2.2 根據(jù)二維圖像建模

目前，市場上優(yōu)秀的二維圖像建模軟件，主要有Context Capture、Photoscan、Street Factory等?；诙S圖像的建模由于圖像本身包含著豐富的場景信息，很容易從圖像獲得照片般逼真的場景模型，而且建模自動化程度高、速度更快、更方便，可以獲得很高的繪制速度和高度的真實(shí)感。基于圖片建模的步驟主要分為以下幾個：首先通過不同的角度對被拍攝對象拍攝多次，獲取多個照片組；然后基于獲取到的多個圖片組，生成建模主體的多個三維模型；再將上述選擇的合成三維模型分割為多個合成區(qū)域，獲取多個特征點(diǎn)；然后進(jìn)行稀疏重建、稠密重建、點(diǎn)云模型化，最后合成三維模型，這給我們提供了獲得照片般逼真的場景模型。

但是基于二維圖像建模方式更適用于靜態(tài)的景象對于給風(fēng)、雨、雷暴這種一直處于變化中、運(yùn)動軌跡不確定的自然景象建模，難以為同一場景在多個角度拍攝多組照片，只能通過拍攝靜態(tài)樹、建筑物等場景，通過后期渲染、仿真等手段，模擬臺風(fēng)來臨時大樹連根拔起、建筑倒塌的景象，從而間接反映與描述臺風(fēng)。

2.3 利用三維掃描儀設(shè)備建模

三維掃描儀是當(dāng)前使用的對實(shí)際物體三維建模的重要工具之一。它能快速方便地將真實(shí)世界的立體彩色信息轉(zhuǎn)換為計算機(jī)能直接處理的數(shù)字信號，為實(shí)物數(shù)字化提供了有效的手段。它可被理解為照相機(jī)，但是與照相機(jī)不同之處在于，它抓取的不是顏色信息，而是實(shí)物的距離信息。通過掃描，可以獲得物體表面每個采樣點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)，彩色掃描還可以獲得每個采樣點(diǎn)的色彩。某些掃描設(shè)備甚至可以獲得物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。利用三維掃描儀設(shè)備建模優(yōu)點(diǎn)是測量精度高，其缺點(diǎn)是價格昂貴，物體形狀復(fù)雜時的控制復(fù)雜，速度慢。

利用三維掃描儀建模同樣不能直接給風(fēng)、雨、雷暴這種邊界模糊、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、形態(tài)各異、運(yùn)動軌跡不確定的自然景象建模。若采用三維掃描儀設(shè)備建模，則需要先掃描一個具體的物體，比如汽車、桌子、椅子等物體，再通過后期渲染、仿真等手段，模擬臺風(fēng)來臨時汽車、桌子、椅子等物體飛向空中的景象。

2.4 利用數(shù)學(xué)模型建模

自然界的風(fēng)場是一個復(fù)雜的力場，在空間和時間上都是隨機(jī)變化的，風(fēng)的變化規(guī)律基本無跡可尋。但是朱震毅等人在其文章中給出了新的思路，利用Visual c++和OpenGL平臺建立數(shù)學(xué)模型和圖形系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)臺風(fēng)場數(shù)字模擬結(jié)果可視化，這也被界內(nèi)稱為科學(xué)計算可視化技術(shù)。科學(xué)計算可視化技術(shù)是將三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖像，因此可將臺風(fēng)的數(shù)據(jù)輸入到臺風(fēng)模型中，獲得真實(shí)度較高的模擬臺風(fēng)場景。文章提到以非對稱Bogus二維臺風(fēng)模型為基礎(chǔ)再利用正弦函數(shù)，加上高度變化自變量，形成三維風(fēng)場模型。最后在OpenGL平臺創(chuàng)建地形并使用c++編寫的粒子系統(tǒng)模擬風(fēng)的變化共同進(jìn)行三維視景模擬仿真[3]。其中涉及的粒子系統(tǒng)是一種簡單且有效的不規(guī)則模糊物體的建模方法，其基本思想是把物體看成是由大量不規(guī)則的隨機(jī)分布的粒子組成的粒子集[4]。每個粒子具有一定的屬性，如外觀、空間位置、運(yùn)動、生存屬性等，它們可以在不斷運(yùn)動和改變形狀中，來表現(xiàn)景物總體的外形特征和動態(tài)的變化規(guī)律。賈慶軒等人在研究風(fēng)場建模場景中得出，采用正弦函數(shù)不能高精度模擬風(fēng)場，對風(fēng)的隨機(jī)性體現(xiàn)不明顯。譜解法計算量大，在大型場景中使用不便。所以賈慶軒采用了柏林噪聲函數(shù)、余弦插值函數(shù)、余弦差分函數(shù)等函數(shù)模擬出平均風(fēng)場和脈動風(fēng)場，合在一起模擬出了三維空間風(fēng)場[2]。

非對稱Bogus二維臺風(fēng)模型以及相關(guān)正弦函數(shù)：

賈慶軒等人在研究風(fēng)場建模場景時用到的余弦函數(shù)：

利用數(shù)學(xué)模型建模，使用粒子系統(tǒng)來模擬風(fēng)，將風(fēng)的變化通過每個粒子在風(fēng)場的運(yùn)動來體現(xiàn)，已經(jīng)能較為精確地模擬出臺風(fēng)風(fēng)場了。但是數(shù)學(xué)建模難度較大，涉及數(shù)學(xué)、計算機(jī)編程、氣象、視景仿真等多種專業(yè)知識，需要多種專業(yè)的人員共同配合才能完成，實(shí)現(xiàn)起來需要花費(fèi)較大的人力。

3 三維建模技術(shù)在氣象領(lǐng)域應(yīng)用面臨的問題

氣象模型建模復(fù)雜，氣象天氣現(xiàn)象和天氣系統(tǒng)可變因素較多，不規(guī)則，邊界模糊，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致難以使用簡單方法為復(fù)雜系統(tǒng)建模。

缺少復(fù)合型人才，對多方面專業(yè)技術(shù)能力要求較高。三維建模技術(shù)在氣象領(lǐng)域應(yīng)用至少涉及了氣象專業(yè)、計算機(jī)專業(yè)、三維建模技術(shù)專業(yè)。

對于臺風(fēng)模型三維建模問題，若選用數(shù)學(xué)模型建模，可模擬出較為真實(shí)的臺風(fēng)模型，但是需要用到多種數(shù)學(xué)公式共同推導(dǎo)計算，還要懂得編程技術(shù)、建模技術(shù)等；若選用三維掃描儀、二維圖像建模和三維軟件建模模擬效果相對數(shù)學(xué)模型建模難以模擬出臺風(fēng)的真實(shí)運(yùn)動軌跡，只能通過間接方式，模擬臺風(fēng)來臨時帶來的風(fēng)、雨、雷暴等惡劣天氣對周邊的人、房屋、汽車、建筑物等造成的影響。但是三維建模軟件發(fā)展已經(jīng)非常成熟，建模較其他方法更為簡單，成本也較低，專業(yè)要求能力較低，綜合考慮民航氣象中心人員技術(shù)能力、開發(fā)設(shè)備設(shè)施、開發(fā)經(jīng)費(fèi)等因素，臺風(fēng)三維建模更適合使用三維軟件建模，從而采用間接方式呈現(xiàn)臺風(fēng)效果[5]。

4 三維建模技術(shù)在民航氣象領(lǐng)域的應(yīng)用展望

目前，三維建模技術(shù)已經(jīng)在民航氣象領(lǐng)域有很多地方被應(yīng)用，如在飛行館體驗(yàn)中心體驗(yàn)?zāi)M飛行航空器遭遇雨、雪、霧等場景，在氣象演播廳感受模擬刮風(fēng)、下雨場景，為飛行員與氣象人員科普飛機(jī)遇險的真實(shí)場景等。

隨著科技的發(fā)展和人員專業(yè)能力的提升，三維建模技術(shù)未來在民航氣象領(lǐng)域應(yīng)用應(yīng)該會更加廣泛。比如模擬航在空器降落時遭遇風(fēng)切變、下?lián)舯┝?、大霧等天氣現(xiàn)象，從而更形象更直觀地呈現(xiàn)惡劣天氣現(xiàn)象及其危害效果；在民航視頻會商時，利用三維建模技術(shù)模擬即將出現(xiàn)的惡劣天氣現(xiàn)象對航路造成影響的場景，有助于運(yùn)行人員更直觀地理解即將到來的天氣現(xiàn)象對民航運(yùn)行的影響程度；在管制員指揮飛機(jī)時，利用三維建模技術(shù)模擬出三維航路的實(shí)時狀況，通過觀察不同高度層的航空器位置，及時指揮飛機(jī)避讓等。