VR虚拟现实技术在气象科普宣传中的应用与思考——以暴雨、泥石流气象灾害为例

潘淑杰，张 妍，郭 佳，苗 芮

(1.天津市气象服务中心 天津300074；2.天津市突发公共事件预警发布中心 天津300074；3.天津市祥云气象信息服务有限公司 天津300074)

0 引 言

近年来，我国气象科普工作得到各层面的重视，获得较快发展，但气象科普形式仍较原始，如气象科普展板一直是气象科普宣传的主要载体，在大型广场咨询宣传中能营造现场气氛，但承载信息量有限，受众大多走马观花；宣传手册主题性强，信息量可根据需要订制保存，但形式拘泥，对公众深入阅读吸引力不大，不能激发公众主动参与、学习和探索的热情，气象科普预期目标难以实现。基于我国气象知识普及率不高的现状，气象科普方式创新势在必行。虚拟现实技术是当前对公众最具吸引力的新兴技术，结合气象科普，将增强科普形式互动性、新颖性和娱乐性等，使“被动科普”转变为“主动科普”。如：科普宣传《小明解说智慧气象》趣味短片，虚拟气象志愿者小明以生动活泼、图文并茂、个性鲜明的解说，将防灾减灾的理念融入日常生活小事中，引导孩子们走进丰富多彩的气象天地，受到了在场师生的热烈欢迎，体现了虚拟现实技术在气象科普宣传中的实际应用成效。将VR虚拟现实技术应用到气象灾害防御模拟教学中，能有效提高参与者灾害自救互救能力，在很大程度上减少因气象灾害造成的生命财产损失，是保护人民群众生命财产安全的有力措施。随着新媒体时代的到来，人们的生活方式和思维模式发生较大转变，随着知识水平和认知水平的不断提高，人们对气象服务的要求也越来越高。伴随着日新月异的时代发展需求，传统气象科普宣传工作的弊端日益凸显，为了更好地满足人民群众对气象服务工作的需求，本文以 VR虚拟现实技术应用为例，对新媒体时代下如何做好气象宣传科普工作展开思考。

1 VR虚拟现实技术应用于气象科普的优势

VR虚拟现实技术的概念最早形成于40年前[1]，初期发展相对缓慢，随着计算机技术的飞速发展，该技术的发展也越来越快，应用场景越来越丰富[2]。它基于沉浸式虚拟环境技术、立体显示和交互技术、系统开发工具应用技术、系统集成技术等多项核心技术，主要特点是解决虚拟环境准确性、虚拟环境感知信息合成的真实性、人与虚拟环境交互的自然性、实时显示、图形生成、智能技术等问题，使用户身临其境地感知虚拟环境，从而达到探索和认识客观事物的目的。基于虚拟现实技术的 3I特性(构想性、沉浸感、实时交互性[3])，我们可以通过该技术的运用，针对气象灾害事件应急科普教育等领域，开发对应的三维仿真科普教育系统。一方面VR虚拟现实技术可以构造出很多超越现实世界的虚拟环境，比如一些现实世界中难以构建或构建成本很高的环境，模拟各种自然灾害效果的特效、烟火、扩散流体、气体等；另一方面体验者可以沉浸到这种教学环境中进行体验式学习[4-5]，接收视觉、听觉、触觉等全方位近似于实战的训练，从而提高科普互动效果。

通过VR虚拟现实技术，能够以虚拟建模的形式与体验者进行互动展现，体验者以当事人视角去感受和体验一场气象灾害带来的直观感受，并且体验采用不同的应对手段带来的防护效果，对气象灾害和防御有更直观深刻的认知，使体验者真正学会和了解如何正确处理遇到的气象灾害紧急情况。在大力提升天津市气象科普宣传能力建设的同时，也为天津的经济建设起到一定支撑作用。

通过 VR虚拟现实技术开发的 VR气象灾害逃生模拟系统，以典型的气象灾害案例为基础，结合多年的气象科普宣传经验，采用仿真技术为科普教育提供一个模拟真实的灾害现场，并搭建了交互式气象科普教育系统平台。该教育系统平台集成了虚拟现实(VR)具有沉浸性、交互性和想象性的三大特点，能够提供丰富的感知线索以及多通道(如听觉、视觉、触觉等)的反馈，帮助学习者将虚拟情境的所学迁移到真实生活中，满足情境学习的需要[6]，让体验者身临其境感受灾害环境，并结合灾害防护过程中的专业知识进行针对性的教学体验。通过虚拟培训教育，不但可以加速公众对气象灾害知识的掌握，提高公众的气象防灾减灾能力，还降低了气象科普基地的各项成本，改善培训环境，使体验者真正学会和了解如何正确处理遇到的气象灾害情况。

2 VR虚拟现实技术与气象灾害防御科普的有机融合

VR虚拟现实技术通过三维建模和大量天气特效的方式模拟展现暴雨、泥石流对环境的破坏及给人类带来的危害，体验者以当事人视角去感受一场灾害带来的震憾，对自然灾害有更直观深刻的认知，同时在体验过后，学会和了解如何正确处理遇到的紧急情况。具体包括：VR暴雨 150s安全科普体验展示和VR泥石流150s安全科普体验展示。

2.1 VR暴雨安全科普体验展示内容

通过虚拟现实技术以“第一人称”视角讲述体验者前往山区天气灾害体验廊道并在山路上突遇暴雨来袭的过程，体验者从第一视角感受遇到突发暴雨如何进行有效避险的过程。在整个体验过程中会有帮助性文字进行提示，让体验者在虚拟的环境中产生真实的感受[7]。体验者驾驶车辆行驶在去天气灾害体验廊道的山路上，在进山之前天气突变，行驶到岗亭时，开始降雨，雨势很大，视线受影响，车辆行驶变得缓慢，伴随雷电的声音，雨势越来越大，体验者只能以很慢的速度前进，在行驶到一个山底处时，前行的道路被雨水冲落的石头所阻挡，不能前行，面对随时可能冲刷下来的落石和树木，体验者出于自身安全考虑只能弃车前行，下车后沿着山道向地势高的地方走，在躲避过程中看到车辆的周边开始出现积水区域，雨水在山体低洼处汇聚，水位不断升高，车辆慢慢被淹没，如果停留在车上后果将不堪设想。体验者在整个逃生过程中会有正确的暴雨逃生指南讲解，阐述在山区遇到强暴雨该如何正确应对处理来保护自身安全。

2.2 VR泥石流安全科普体验展示内容

通过虚拟现实技术以“第一人称”视角模拟体验者在前往山区天气灾害体验廊道的路上遇到大暴雨后，在逃生过程中遇到泥石流的过程。体验者以第一视角真实目睹因暴雨而引发的泥石流、滑坡，混杂着山石的雨水汇流后对环境和人造成的强大破坏力。在整个体验过程中会有帮助性文字进行提示。体验者在暴雨持续的过程中弃车前往安全区域时，雨势一直很急很大，从山上不断有泥石流冲下来，前往安全区域的山道已被阻拦，周围的石块不断滚落，站在山道上往下看，车辆已被泥石流裹挟到更大的汇流区，山底的房屋被泥石流冲塌。体验后期，雨势变小，但是自山上冲刷下来的泥石流依然很急。体验者在前进的过程中，不仅要注意脚下的路面，还要时刻注意山上顺流而下的泥石流，在前行过程中及时躲避。在前往安全区域(安全区域设定在接近山顶的平坦处)的过程中，画面会有文字提示和交互操作提示，引导体验者选择正确的逃生路线，注意可能带来危险的隐藏点。体验者按照正确引导最终可以到达安全区域而完成体验，如果体验者不按照正确引导则会出现人身安全危险，不能到达安全区域，则体验失败。通过第一人称视角的体验可以让体验者对泥石流有更深刻的认知和了解。

3 虚拟现实技术在科普宣传中的应用特点

虚拟现实是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，是以计算机技术为核心的现代高科技营造的一个集逼真的视觉、听觉、触觉、嗅觉及味觉为一体的虚拟环境和感官世界，通过多种传感设备以自然方式与虚拟环境中对象交互作用、相互影响，产生一种身临其境的感受，以沉浸性、交互性和构想性为基本特征的计算机高级人机界面，使人能够沉浸在计算机生成的虚拟境界中，通过语言、手势等自然方式与之实时交互，创建一种多维信息空间。现阶段虚拟现实设备更多的是作为“游戏外设”被公众所认知，在专业领域，虚拟现实技术已经运用到许多行业和领域中，甚至已深刻影响和改变各行业格局。

4 思考与探索

根据气象灾害发生过程及逃生路线设计开发完善的模拟体验交互体系，搭建现场环境、天气、灾难特效、使用道具等 VR数字虚拟环境的各类元素模型，模拟构建气象灾害及衍生灾害造成的各类表现及灾难逃生中可能出现的不同突发情况的反馈状态及数字信息。设计研发基于虚拟仿真的VR人机交互操作模式，开发针对交互体验及灾难知识点引导普及的功能模块，最终使得整套系统的仿真效果、交互形式、特效表现及实时引导表现得淋漓尽致。

基于虚拟现实技术设计的这一套针对暴雨、泥石流的气象灾害防御体验系统，一经推出就获得了体验者的一致好评，成为丰富气象科普宣传的重要手段，但在短片形式、音效、特效等多方面，仍存在较大提升空间。

4.1 整体创作创新不足

由于理论知识局限，无论从人物创造、宣传内容，还是讲解词解说、录制等方面，仍有不少瑕疵。短片大量引用了网络素材，虽然较为丰富，但是非原创形象，图像较为单一，生动性有些不足。

4.2 音质水平有待完善

配音音质效果一般，后期声音处理中，外界噪音较大，无法彻底消除，需掌握和应用更加完善的声音处理软件。

4.3 宣传力度需进一步加大

针对世界气象日专题制作的虚拟现实技术短片，时效性较强且仅供气象业内参考，放映形式及传播范围都受到了较大局限，手机微信限制分享视频不得超过3min，也在一定程度上影响了其传播。

5 结 语

暴雨、泥石流是自然界中夏季发生的最为常见的气象灾害，VR气象灾害逃生模拟系统，以此典型的气象灾害案例为基础，结合多年的气象科普宣传经验，采用仿真技术为科普教育提供一个模拟真实的灾害现场，搭建的交互式气象科普教育系统平台成为传播气象科普知识的新手段。该模拟系统平台集成了虚拟现实(VR)具有沉浸性、交互性和想象性等 3大特点，能够提供丰富的感知线索以及多通道(如听觉、视觉、触觉等)的反馈，帮助学习者将虚拟情境的所学迁移到真实生活中，满足情境学习的需要，让体验者身临其境感受灾害环境，并结合灾害防护过程中的专业知识进行针对性的教学体验。通过虚拟培训教育，不但可以加速公众对气象灾害知识的掌握，提高公众的气象防灾减灾能力，还降低了气象科普基地的各项成本，改善培训环境，使体验者真正学会和了解如何正确处理遇到的气象灾害情况，最大程度地减少灾害的损失。