虚拟技术在气象中的应用思考

LaurieKota

[摘 要]随着虚拟技术的进步，气象与虚拟技术的完美结合将不是问题。本文探讨了虚拟技术在气象监测、预测预警、服务中的应用，以及针对气象应用的虚拟设备改造、平台搭建等。
[关键词]虚拟技术;设备改造;气象应用。
[中图分类号]G434[文献标识码]A
随着社会经济的发展和气象业务现代化建设的推进，人们对预测预报准确性要求越来越高，对气象服务个性化需求越来越高。如何将新的科学技术运用到气象工作中来，如何将气象业务现代化建设成果在公共气象服务中充分展示，是当前一项需要我们去研究的重要工作。当前公共气象服务还存在一些不容忽视的问题，特别是气象灾害监测预警能力、抵御能力、减灾能力、气象科普宣传能力与国家防灾减灾的总体要求不适应，还不能完全满足日益增长的社会需要。随着虚拟技术的进步，气象工作与虚拟技术的完美结合将不是问题，将目前先进的虚拟技术运用到气象现代化建设中去，将有助于提高气象监测预报和预警水平、增强气象灾害防御能力、增强气象科普宣传能力。
1 国内外研究现状与发展趋势
虚拟现实技术是如今最受关注的前沿科技之一，在一些世界级科技巨头的带领下，VR技术正在飞速发展着。随着现代摄影摄像技术的进一步发展，全景摄像技术正在逐渐走入历史舞台的中心。人们已经可以使用VR全景相机拍摄720°的全景影像。这种新式的全场景的画面，显著改变了传统相机拍摄图像单一、碎片化的现状。进一步地，当使用者通过专用的VR眼镜观看全景影像时，只需要轻轻转动面部的方向即可以沉浸式的方式浏览照片里的每个场景和细节，这样的体验让人如临现场。
气象部门很早就借助虚拟技术原理进行气象科普和气象节目制作方面的探索。2008年开始，气象部门便借助虚拟技术原理给节目增加了更丰富的数据信息和科普内容。在台风 “苏迪罗”登陆我国前，凤凰气象站节目也通过虚拟技术，以一个虚拟模型展示了台风结构，在节目中主持人说到台风内部的环流形势，台风被“切开”，说到影响台风被“挪走”，显示受影响路段，原本很难理解的文字就得到了直观的表达;另外VR技术在气象科普馆也有所应用，人们进入相关的展厅，就能看到电脑模拟出来的关于雷暴、闪电、洪涝等不同灾害性天气对生产生活造成破坏的场景。
另外，在少数国家和地区，也曾进行过以全景图像的方式来进行气象观测记录的研究。不过，这些研究往往并未让气象观测记录的工作常态化，也没有对设备进行系统化、自动化研究，最终他们的研究产出并不适合用于长期的户外气象观测工作中。
虽然有着一些困难，但将全景成像、物联网等技术融入到气象工作中这一发展方向，有着广阔前景，虚拟技术能给气象服务带来更多的改变。
2 虚拟技术在气象中的应用设想
虚拟技术在气象观测中的应用。目前气象部门大量利用自动观测设备代替人工观测，取消了云等气象要求的观测。利用VR的全景成像技术，能在一定程度上弥补人工观测手段不足，时效性不足，弥补自动观测仪器观测项目不全的缺陷，减少观测天空实时状况的盲区，实时提供监测点天气实况。
2.1 虚拟在气象预警、预报中的应用
当虚拟设备监测网点达到一定规模时，就可以轻松为预报员及时提供各地天空状况、天气现象、云量、云状等要素为预报作依据。同时，还能有效提高预警时效性和针对性;检验短临预报预警的准确性。
2.2 虚拟技术在气象服务中的应用
虚拟技术在为气象工作者提供气象要素的同时也能为公众提供监测点的天气、交通、环境等信息，为公共气象服务提供手段。另外，将VR技术应用到气象科普宣传片的制作，可以让单一的画面和信息变得更加立体，多维度提供更加丰富的信息。同时还可以以通俗易懂的方式展现天气过程的影响到底是怎样的，气象观测的方法、天气预报的过程是怎样的，如何才能更好地防灾减灾等。让用户在虚拟现实中身临其境感受气象科普乐趣的同时加深公众对气象灾害的认识和预防。
3 针对气象应用的虚拟设备改造
要将虚拟技术应用于气象，必须针对目前市场上常用的虚拟相机进行必要的改进。
全景式天气自动监控相机需要分布野外，所以面临着日常人工维护缺乏的问题。此外，即使在非灾害性天气中，监控系统也将暴露在高温、低温、阳光暴晒与潮湿多雨等较为恶劣的环境中。如果受到这些因素的影响，VR全景相机不仅可能成像质量下降、工作异常，甚至可能直接出现软硬件损坏和故障。某些全景相机即使可以加装防水外壳，却远远不足以应付这样的气象条件。进一步地，由于部署地點可能既没有互联网接入条件，也没有电力供应，普通的虚拟全景摄像机固然是完全无法在这个场景中使用了。
基于以上因素，要达到经济、实用、可靠的目标，就需要在普通高清相机的基础上进行扩展与改造，扩展与改造工作主要包含三方面的内容。
3.1 相机供电问题
由于安装地点在野外，监测点可能没有电力供应，监测相机考虑通过加装太阳能电池板，利用太阳能实现自动供电与续航。
通常情况下，在阳光较为充足的白天，太阳能电池板将能为全景相机及其附属设施的运行提供电力。即使在夜间，整个系统也将能依靠储存在蓄电池组中的电力继续工作较长时间。
3.2 数据网络传输
考虑到监测点可能没有网络接入，可通过4G网络实现无线数据传输，这就要求在相机上扩展无线数据传输模块。
调整并更新高清摄像头固件，并使用多终端数据线完成摄像头阵列的连接。
根据摄像头生产厂家提供的文档来调整固件，将为高清摄像头增设多种控制接口，使得高清摄像头支持高精度同步时钟下的拍摄的能力，更好地支持全景图像、视频的拍摄。此外，摄像头阵列的所有拍摄动作，也将能通过多终端数据线进行同步控制。
同时，增加安卓开发板并在安卓开发板上以C语言开发APP（计算机应用程序），实现控制开关机、全景照片、视频素材拍摄与收集等操作。同时，依靠安卓开发板对蜂窝网络的支持，直接使用4G或3G信号接入网络，管理员可通过网络，利用该APP调用高清摄像头的SDK接口，实现对高清摄像头的完全控制。
基于以上步骤，形成以安卓开发板上的APP为核心的远程控制、数据传输中继，解决全景图像的拍摄以及全景相机的远程网络控制问题。
3.3 安全与自动维护
通过对高清摄像机的改造，主要解决相机的远程控制开关机，防晒、防雨、防雷、自动除雾等。
由于全景相机将部署于户外，面临着远比室内条件恶劣的自然环境。温度过高、过低，以及壳体进水、起雾等问题，都可能显著影响成像质量，甚至还可能造成系统故障和硬件损失。此外，由于全景相机部署的地点可能处在交通不便的偏远地区，很难做到高频次的日常维护。所以解决全景相机的自动除雾、自动防晒等功能就显示十分必要。
针对这些问题，我们需要对虚拟全景相机做：
（1）定制防水外壳与内外双重清洁刮片来避免防水壳上雨滴或雾气影响全景相机的成像。
（2）定制机动式防晒罩来避免长期阳光直射对全景相机带来不利影响，还需要为全景相机设计并安装由伺服电机驱动的机动式防晒罩。当相机需要拍摄时，该防晒罩可在伺服电机的驱动下打开，避免遮挡镜头;当相机完成拍摄、或在其他必要时刻，防晒罩又可在伺服电机的驱动下关闭，实现其防晒功能。
（3）自动化、智能化驱动
为了对防晒罩电机、清洁刮片电机提供更为自动化、更为智能化的驱动方式，需要在阿堆诺（Arduino）开发板上采用C语言开发电机控制程序，并与伺服电机驱动器相匹配，最终实现对自动防晒、自动除雾功能的智能化控制。
4 应用于气象的VR全景相机应用APP
使用C语言，在安卓开发板上开发管理APP，以实现对该全景相机的网络控制。
网站应用包括后台管理系统与展示和查询系统两个部分。其中，后台管理系统用于管理人员对监测点设备的管理、VR资源的管理等;展示与查询系统面向社会公众，为广大用户提供各类服务。
后台需要能够通过网络与部署在异地的各个采集站建立连接，并远程控制全景相机拍摄和采集当地的影像资料、得到的原始影像资料因能通过网络回传至应用服务器，同时服务器后台應能根据收到的原始影像资料来自动拼接全景影像。
平台网站应用主要包含数据访问、服务、控制器以及视图层。以B/S架构的方式，向用户提供全景图像展示、观测点浏览、观测点详情等页面。此外，网站应用应在控制器层内提供丰富的RESTful等接口，以便被全景相机管理APP远程调用，使得全景相机能主动传送图像、告警等数据至服务器。
5 结语
利用虚拟技术，创新了气象要素的记录方式，创新了自动气象站观测内容，创新了气象服务形式和内容。从而进一步全面提高气象服务的质量。
[参考文献]
[1] 杨江涛.虚拟现实技术的国内外研究现状与发展[J].信息通信，2018（01）.