VR/AR技术在气象观测站场景管理中的应用

闻春华 李志鹏

（江西省大气探测技术中心 江西省南昌市 330096）

近年来，人工智能(AI)、大数据等科技和产业生态的持续发展，推动了VR(虚拟现实)的不断演进。虚拟现实终端已由单一应用向多元化应用、由分立向融合的方向演变。VR产业应用领域不断扩大，在娱乐、教育培训、旅游、科普宣传等方面得到应用，产业链在不断完善，成为行业应用的一个亮点，潘腾[2]、沈馨蕙[5]、张磊[6]、陈艳芳[7]、陈闻[8]、雷振江[9]等分别在科技展示、培训、工业生产以及电力行业应用开展了基于VR/AR 技术的应用系统开发，通常多以预设静态数据、重复的沉浸式体验应用为主。

目前，VR/AR 技术在气象行业的应用也在逐步的探索与研究，主要在气象现象模拟展示、气象科普体验等方面，徐嫩羽等[1]对VR/AR 技术在气象科普领域的应用进行了分析研究。而VR/AR 技术与气象实时业务的结合应用还不多，处于起步阶段。文中，立足气象观测业务实际，利用网络与数据库技术，基于台站实时观测数据与设备运行信息等开展VR/AR在气象观测站场景管理应用研究，探索现代信息技术深度应用气象观测业务新途径，为气象业务服务提供更高水平的气象观测基础支撑。

1 应用设计

基于VR/AR 的气象观测站场景管理应用以南昌国家基本气象观测站为例，通过对气象观测站场与探测环境进行VR 建模与仿真、对实时观测数据、气象观测设备运行状态信息以及台站质控后数据的统计分析，为气象台站实时掌握气象观测站场探测环境、观测设备运行状态、观测要素数据变化趋势与天气现象实时场景提供沉浸式人机交互体验和常规三维应用管理。应用设计路线见图1。

1.1 现实场景三维重现

通过现场地形地貌航拍采集、设备图片纹理采集，基于maya进行三维模型及地形真实比例还原，对气象观测场与探测环境进行VR 建模与仿真，将地形及观测设备三维化合入Unity 引擎， Unity引擎在服务器中实时采集数据进行同步更新，并自动化进行大数据处理与管理，生成相应的展示产品。

1.2 数据信息与获取

数据信息包括实时观测数据与台站基础数据信息元数据，采用Mysql 管理。实时观测数据信息来源于省级综合气象信息共享平台(CIMISS)数据环境，对接统一数据环境和服务接口，逐小时实时获取观测场各类观测设备（包括各采集器、通信模块、系统电源、各类传感器等）运行状态信息、质控后的常规要素（包括温度、湿度、风向风速、气压、降水及蒸发、能见度、日照等）观测数据、国家级处理的视程障碍及地面凝结现象（总云量、云高、露、霜、雨凇、雾凇、轻雾、雾、霾、浮尘、积雪、结冰等）综合判识数据。台站基础数据通过整理台站地理信息、观测系统设备详细资料以及台站功能信息等构建元数据，建立数据表。

图1：气象观测站场景管理应用设计路线

图2：气象观测站场景应用架构

1.3 应用架构

面向台站气象观测实时业务应用，设计PC 和VR 双端口应用平台。利用Unity 3D 构建系统整体框架，采用Unity UGUI 模块化构建系统UI，运用C#设计UI 功能及交互控制。应用3D UI 界面展现台站观测设备对应的观测数据且图形化展示，研发VR 设备对应的视程障碍现象交互事件。通过Visual Studio Script 实现应用中各类数据的统计分析。应用架构见图2。

2 功能设计

2.1 PC与VR双端口应用

PC 与VR 端可相互切换，桌面用户通过常规鼠标键盘操作进行PC 端的桌面应用，实现文字、数字、图形与动态三维场景相融合的效果展示。在VR 端用户通过头戴式VR 设备进行沉浸式的操控体验，直观了解观测场内观测设备部署情况、掌握观测设备的运行情况、观测数据的变化以及天气现象的场景化还原感知。

2.2 观测站基础信息管理

实现对气象观测场站的地理状况、装备列装、台站功能等历史沿革信息的元数据集中管理。地理状况信息包括场站台站号、台站名称、台站类型、经纬度、海拔高度与探测环境状况等。装备列装详细管理场站内布设的各类观测系统，展示设备类型、装备型号、生成厂家、启用时间、检定时间等。观测功能展示观测站承担的国家级观测项目、省级自主观测项目以及资料信息交换情况等。通过列表形式查询，提供文字信息与三维场景自动切换相结合的显示方式。

2.3 观测设备运行监控

结合站点观测数据、设备运行状态信息的解析与判识，实现对站点观测设备的运行监控与设备可用性统计分析。将设备运行状态信息按照设备的部件组成进行解析分类，对开关量、模拟量值的判识诊断设备运行状况。通过观测数据的上报情况、数据的质控结果的融合应用提高运行监控的精准度。设备运行状态监控采用实时更新显示的方式，同时在三维场景中突出显示提示相关信息。设备可用性通过综合观测数据上传情况、维护维修、数据错误可疑等情况得出，并提供按照时间的可用性查询功能。

2.4 观测要素的变化趋势展示

应用中观测要素的变化趋势实时更新，提供用户通过在PC 端的桌面操作对站点各观测要素按照时间查询检索，展示观测要素的变化曲线与统计数据。同时用户头戴VR 设备可以在沉浸式体验中进行观测要素的查询操控，为实时掌握观测场探测环境、观测设备运行状态、监测要素采集及数据变化趋势、天气变化实时场景提供了新的有效手段。

2.5 天气现象的场景化还原

基于质控后的常规要素观测数据、国家级处理的视程障碍及地面凝结现象（总云量、云高、露、霜、雨凇、雾凇、轻雾、雾、霾、浮尘、积雪、结冰等）综合判识数据，实时采集判识结果代码，在三维场景中进行天气现象的仿真展示。设计为两部分：实时视程障碍现象和历史24 小时视程障碍现象，Unity 引擎通过数据库信息自动判别结果代码数值，模拟历史24 小时视程障碍现象，并随时间推移自动化不断更新判识结果。

3 结论

文中研究VR/AR 技术融入气象实时业务应用的思路与方法，建立气象观测站场景管理应用平台，促进现代信息技术与气象综合观测业务深度融合应用，是气象观测智能化、自动化发展应用的有益探索，在基于气象实时业务的场景应用、气象科普、培训等领域有较好的应用前景。

（1）具有数据采集实时、业务应用在线的特点。通常的娱乐、旅游、教育、军事、科普、培训、展示宣传等VR 应用，多以静态数据、重复沉浸式体验应用为主，本应用与气象实时业务结合的实际应用，具有创新性。

（2）具有天气现象仿真、场景感知生动的特点，可实时感知观测场场景、天气现象等变化，智能模拟当前天气实况。系统兼具PC 和VR 双端口场景应用切换能力，既可为气象台站的常规业务或值班监控提供基于桌面PC 的三维仿真应用服务，也可通过配置VR 眼镜，提供观测业务沉浸式体验服务。

（3）构建了集观测设备信息、状态信息、观测数据、综合判识数据于一体的扁平集约数据处理流程，为台站实时掌握观测场探测环境、观测设备运行状态、监测要素采集及数据变化趋势、天气变化实时场景提供了一体化平台。