VR/AR技術在氣象觀測站場景管理中的應用

聞春華 李志鵬

（江西省大氣探測技術中心 江西省南昌市 330096）

近年來，人工智能(AI)、大數據等科技和產業生態的持續發展，推動了VR(虛擬現實)的不斷演進。虛擬現實終端已由單一應用向多元化應用、由分立向融合的方向演變。VR產業應用領域不斷擴大，在娛樂、教育培訓、旅游、科普宣傳等方面得到應用，產業鏈在不斷完善，成為行業應用的一個亮點，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、工業生產以及電力行業應用開展了基于VR/AR 技術的應用系統開發，通常多以預設靜態數據、重復的沉浸式體驗應用為主。

目前，VR/AR 技術在氣象行業的應用也在逐步的探索與研究，主要在氣象現象模擬展示、氣象科普體驗等方面，徐嫩羽等[1]對VR/AR 技術在氣象科普領域的應用進行了分析研究。而VR/AR 技術與氣象實時業務的結合應用還不多，處于起步階段。文中，立足氣象觀測業務實際，利用網絡與數據庫技術，基于臺站實時觀測數據與設備運行信息等開展VR/AR在氣象觀測站場景管理應用研究，探索現代信息技術深度應用氣象觀測業務新途徑，為氣象業務服務提供更高水平的氣象觀測基礎支撐。

1 應用設計

基于VR/AR 的氣象觀測站場景管理應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境進行VR 建模與仿真、對實時觀測數據、氣象觀測設備運行狀態信息以及臺站質控后數據的統計分析，為氣象臺站實時掌握氣象觀測站場探測環境、觀測設備運行狀態、觀測要素數據變化趨勢與天氣現象實時場景提供沉浸式人機交互體驗和常規三維應用管理。應用設計路線見圖1。

1.1 現實場景三維重現

通過現場地形地貌航拍采集、設備圖片紋理采集，基于maya進行三維模型及地形真實比例還原，對氣象觀測場與探測環境進行VR 建模與仿真，將地形及觀測設備三維化合入Unity 引擎， Unity引擎在服務器中實時采集數據進行同步更新，并自動化進行大數據處理與管理，生成相應的展示產品。

1.2 數據信息與獲取

數據信息包括實時觀測數據與臺站基礎數據信息元數據，采用Mysql 管理。實時觀測數據信息來源于省級綜合氣象信息共享平臺(CIMISS)數據環境，對接統一數據環境和服務接口，逐小時實時獲取觀測場各類觀測設備（包括各采集器、通信模塊、系統電源、各類傳感器等）運行狀態信息、質控后的常規要素（包括溫度、濕度、風向風速、氣壓、降水及蒸發、能見度、日照等）觀測數據、國家級處理的視程障礙及地面凝結現象（總云量、云高、露、霜、雨凇、霧凇、輕霧、霧、霾、浮塵、積雪、結冰等）綜合判識數據。臺站基礎數據通過整理臺站地理信息、觀測系統設備詳細資料以及臺站功能信息等構建元數據，建立數據表。

圖1：氣象觀測站場景管理應用設計路線

圖2：氣象觀測站場景應用架構

1.3 應用架構

面向臺站氣象觀測實時業務應用，設計PC 和VR 雙端口應用平臺。利用Unity 3D 構建系統整體框架，采用Unity UGUI 模塊化構建系統UI，運用C#設計UI 功能及交互控制。應用3D UI 界面展現臺站觀測設備對應的觀測數據且圖形化展示，研發VR 設備對應的視程障礙現象交互事件。通過Visual Studio Script 實現應用中各類數據的統計分析。應用架構見圖2。

2 功能設計

2.1 PC與VR雙端口應用

PC 與VR 端可相互切換，桌面用戶通過常規鼠標鍵盤操作進行PC 端的桌面應用，實現文字、數字、圖形與動態三維場景相融合的效果展示。在VR 端用戶通過頭戴式VR 設備進行沉浸式的操控體驗，直觀了解觀測場內觀測設備部署情況、掌握觀測設備的運行情況、觀測數據的變化以及天氣現象的場景化還原感知。

2.2 觀測站基礎信息管理

實現對氣象觀測場站的地理狀況、裝備列裝、臺站功能等歷史沿革信息的元數據集中管理。地理狀況信息包括場站臺站號、臺站名稱、臺站類型、經緯度、海拔高度與探測環境狀況等。裝備列裝詳細管理場站內布設的各類觀測系統，展示設備類型、裝備型號、生成廠家、啟用時間、檢定時間等。觀測功能展示觀測站承擔的國家級觀測項目、省級自主觀測項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切換相結合的顯示方式。

2.3 觀測設備運行監控

結合站點觀測數據、設備運行狀態信息的解析與判識，實現對站點觀測設備的運行監控與設備可用性統計分析。將設備運行狀態信息按照設備的部件組成進行解析分類，對開關量、模擬量值的判識診斷設備運行狀況。通過觀測數據的上報情況、數據的質控結果的融合應用提高運行監控的精準度。設備運行狀態監控采用實時更新顯示的方式，同時在三維場景中突出顯示提示相關信息。設備可用性通過綜合觀測數據上傳情況、維護維修、數據錯誤可疑等情況得出，并提供按照時間的可用性查詢功能。

2.4 觀測要素的變化趨勢展示

應用中觀測要素的變化趨勢實時更新，提供用戶通過在PC 端的桌面操作對站點各觀測要素按照時間查詢檢索，展示觀測要素的變化曲線與統計數據。同時用戶頭戴VR 設備可以在沉浸式體驗中進行觀測要素的查詢操控，為實時掌握觀測場探測環境、觀測設備運行狀態、監測要素采集及數據變化趨勢、天氣變化實時場景提供了新的有效手段。

2.5 天氣現象的場景化還原

基于質控后的常規要素觀測數據、國家級處理的視程障礙及地面凝結現象（總云量、云高、露、霜、雨凇、霧凇、輕霧、霧、霾、浮塵、積雪、結冰等）綜合判識數據，實時采集判識結果代碼，在三維場景中進行天氣現象的仿真展示。設計為兩部分：實時視程障礙現象和歷史24 小時視程障礙現象，Unity 引擎通過數據庫信息自動判別結果代碼數值，模擬歷史24 小時視程障礙現象，并隨時間推移自動化不斷更新判識結果。

3 結論

文中研究VR/AR 技術融入氣象實時業務應用的思路與方法，建立氣象觀測站場景管理應用平臺，促進現代信息技術與氣象綜合觀測業務深度融合應用，是氣象觀測智能化、自動化發展應用的有益探索，在基于氣象實時業務的場景應用、氣象科普、培訓等領域有較好的應用前景。

（1）具有數據采集實時、業務應用在線的特點。通常的娛樂、旅游、教育、軍事、科普、培訓、展示宣傳等VR 應用，多以靜態數據、重復沉浸式體驗應用為主，本應用與氣象實時業務結合的實際應用，具有創新性。

（2）具有天氣現象仿真、場景感知生動的特點，可實時感知觀測場場景、天氣現象等變化，智能模擬當前天氣實況。系統兼具PC 和VR 雙端口場景應用切換能力，既可為氣象臺站的常規業務或值班監控提供基于桌面PC 的三維仿真應用服務，也可通過配置VR 眼鏡，提供觀測業務沉浸式體驗服務。

（3）構建了集觀測設備信息、狀態信息、觀測數據、綜合判識數據于一體的扁平集約數據處理流程，為臺站實時掌握觀測場探測環境、觀測設備運行狀態、監測要素采集及數據變化趨勢、天氣變化實時場景提供了一體化平臺。