天津市滨海新区虚拟全景气象观测场设计与实现

陈 涛 ，卜清军，沈岳峰

(1.天津市滨海新区气象局探测与信息中心 天津300456；2.中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所 安徽合肥230031)

0 引 言

随着社会、经济和科技的发展，气象与国计民生的关系越来越紧密，人们的社会气象意识、气象观念提升，对气象工作也有了更新的要求。目前，涵盖新媒体、网站、短信、手机 APP、电视、电话等全媒体的气象服务正快速发展。信息技术与科普的结合已经成为当今科普领域改革和发展的有机组成部分[1，2]，在气象科普工作中引入“互联网+”气象宣传，有助于气象科普工作更好地为公众服务。

虚拟全景技术是一种基于图像的建模与渲染的实时动态显示技术。三维全景虚拟现实技术，在各行业的宣传、展示中提供了一种全新的表现形式，让目标群体仅通过手机、电脑、网络即可身临其境地感受全景视图[3]。

本文利用三维全景技术设计开发了天津市滨海新区气象虚拟实景气象观测场，采用基于鱼眼图像的球面全景以及 Krpano引擎，结合多种格式的音频、图形文件嵌入方法，建设完成具有互动功能的虚拟现实气象观测场平台，在滨海新区气象科普基地布设终端显示，通过线上线下结合的方式，提升科普基地体验、互动、宣传、教育等能力。滨海新区虚拟气象观测场针对学龄前儿童和小学生进行科普教育，将科普寓教于乐，从而增加少年儿童学习气象探测仪器科学内涵的兴趣。

1 系统功能与架构

天津市滨海新区虚拟气象观测场系统整体功能架构主要包含三维场景、仪器识别及动画、观测数据检索及定时推送以及仪器观测数据展示(图1)。

图1 系统功能架构图Fig.1 System function architecture diagram

①三维场景的建立基于 Krpano平台，利用单反相机、鱼眼镜头配合全景云台进行拍摄。Krpano是一种基于 Flash的三维全景播放器，支持各种类型的全景图以及全景视频和环物全景。利用鱼眼镜头的镜头的宽视角和单反数码相机的高像素，配合全景云台实现场景的优质拼接，建立观测场的多个三维全景，实现系统平台内的场景切换、漫游功能，支持场景的上下、左右移动。

②仪器识别及原理动画显示模块：系统实现观测仪器识别(热点创建)功能，鼠标移动至相关仪器后，能够突出显示该仪器轮廓，鼠标左键点击被识别仪器后，能够出现仪器观测原理动画或图片。

③观测数据检索及定时推送模块：基于全国综合气象信息共享平台(CIMISS)统一数据环境和服务接口(MUSIC)，实现全要素观测数据的检索功能，并实现检索结果写为本地 JSON文件，通过 FTP实现公有云的数据推送。

④仪器观测数据显示：鼠标点击热点观测仪器后，能够实现前后端 Http响应，并可实现基于百度ECHARTS的高交互图表显示。

2 系统特点及功能

2.1 系统三维场景

基于 Krpano的三维场景平台，建立天津市滨海新区气象局国家基本气象观测站的4个三维全景(包含百叶箱、地温、大气电场仪及业务办公楼)，实现系统平台内各场景的切换和漫游功能，场景可上下、左右移动。实现界面如图2所示。

图2 滨海新区观测站三维场景建立及交互模块Fig.2 3D scene establishment and interaction module of meteorological observation station in Binhai New Area

2.2 热点区域动画展示功能

系统实现观测仪器识别(热点创建)功能，鼠标移动观测场内的各观测仪器时，突出显示百叶箱、雨量桶、地温、大气电场仪、10m 风塔等气象观测仪器的轮廓，鼠标左键点击被识别仪器后，显示仪器观测原理动画或图片。仪器识别实现效果如图 3所示，仪器观测原理动画实现效果如图4所示。

图3 仪器识别高亮显示效果Fig.3 Instrument identification and display

图4 仪器识别及观测原理动画显示效果Fig.4 Animation display of instrument works

2.3 数据检索推送功能

基于 CIMISS的 MUSIC接口，检索天津市滨海新区气象局观测场的全要素观测数据，将检索结果JSON文件，通过 FTP向服务器进行数据推送，可推送最近 10h的全站点观测数据。观测站点检索数据JSON文件格式如图5所示。

2.4 数据高交互显示

仪器观测数据显示：鼠标点击热点观测仪器能够实现前后端 Http响应，并实现基于百度 ECHARTS的高交互图表显示，实现移动端小屏上用手指在坐标系中进行缩放、平移。曲线图显示效果如图 6所示，观测实况数据列表显示效果如图7所示。

图6 观测数据曲线图显示效果Fig.6 Curve of observation data

图7 观测数据列表显示效果Fig.7 List of observation data

3 结 语

本文基于虚拟全景技术，结合多种格式的音频、图形文件嵌入方法，建设完成具有互动功能的虚拟现实气象观测场，完成气象站内百叶箱、闪电定位、能见度、地温表等测量仪器的原理图例动画；实时显示站点获得的气象资料数据，绘制不同曲线。通过在天津市滨海新区气象科普基地布设终端显示，通过线上线下结合的方式，有效提升科普基地体验、互动、宣传、教育等方面的能力。