增强现实技术在气象科普中的应用和优势

王 鑫，卜清军，呼莉莉，张炜杰，徐灵芝

(1. 天津市应急管理事务中心 天津 300000；2. 天津市滨海新区气象局 天津 300457；3. 天津港集团有限公司 天津 300450；4. 天津市气象台 天津 300074)

0 引 言

气象科普，即气象科学的普及，是指利用各种传媒以公众易于理解、接受和参与的方式向普通公众介绍专业的气象知识，让公众了解气象在日常生活中的重要性，提高预防和减轻气象灾害的能力[1]。

随着我国经济社会发展，气象科普已经融入社会的方方面面。近年来气候异常导致的极端气象事件和气象灾害造成的人员财产损失逐年增加，使得公众对气象科学普及的关注日渐突出，这给气象科普工作的发展提供了广大的受众，奠定了良好的基础。气象科普在舆论引导和突发公共事件应对等方面同样发挥着重要的作用[2]。气象科学包含数学、物理学、地理学等学科的基础知识，例如帕斯卡气压定律、牛顿定律、地转偏向力、三圈环流等，这些知识点覆盖小学、中学乃至大学的基础理论课程。依托移动互联新平台，利用增强现实技术将气象过程和物理实验进行模拟、复原，可以增加科普的真实性。通过调整模型的物理量来改变气象过程的发展和实验结果，可以增强科普的互动性以及受众对科普内容的理解。

1 国内外气象科普现状

1.1 国内现状

近年来国内气象科普宣传投入和力度逐年增加，取得了一定的宣传效果。目前气象科普的手段主要有以下几种：一是通过新闻媒体的报道，媒体报道具有时效性强、受众广、权威的特点，但主要以气象灾害预防和救助为主；二是气象部门的开放参观，公众可以近距离了解和感受国家各级气象主管部门的日常工作和先进的探测、预报、预警技术手段；三是气象科普展馆，馆内常展示有各类科普挂图、气象仪器、宣传影片、模型、模拟3D展台和互动游戏等；四是网站和移动新媒体(微信、微博、APP)，这有别于传统的气象科普，正处于发展阶段[3]。此外，我国气象科普宣传具有时间分布集中的特征：一是“3.23气象日”“5.12防灾减灾日”等纪念日前后；二是较大气象灾害或事件发生前后。总体而言，我国气象科普推广手段较为传统、宣传时间集中、受地点限制严重，还有较大的创新和发展空间。

1.2 国际现状

国际上，气象科普工作主要是嵌入气象机构的社会化服务中实现的。国外气象部门对公众开展公益性气象服务时，涉及的服务内容包括一般性天气预报、涉及日常出行的天气信息服务等，以及与应急避险、交通等部门联动形成的气象信息预警服务。此外，国外比较重视结合重大气象和环境事件开展密集、全方位的公众宣传。这种常规气象信息服务和定点气象信息服务相结合的方式，有利于打造一个张弛有度、全面渗透的气象科普环境。

2 增强现实技术在气象科普中的设计

2.1 增强现实(Augmented Reality，AR)技术概述

增强现实是利用计算机系统产生现实环境中并不存在的虚拟信息，这些虚拟信息可被用户以视觉、听觉、触觉等方式感知，成为周围真实环境的组成部分，从而增强用户对现实世界的感知[4]。本文中增强现实技术应用主要是指增强可视技术的应用。通过增强可视来突出气象科普虚实结合、实时互动、三维立体的特点，从而实现移动便捷、增强趣味、提升互动、简化问题的最终目的。实现AR技术的原理主要有3个方面[5]。

①显示技术，AR的显示设备是用于显示虚拟图像和真实环境相叠加产生的影像。

②跟踪和定位技术，AR需要进行定位，跟踪用户位置、视域方向，确定虚拟物体在三维场景中的位置，从而实现交互。

③界面可视化和标定技术，让用户更好地与虚拟信息进行实时交互，需实现有效可视化并进行大量标定生成准确定位[6]。

2.2 通过改变降水强度模拟降水量级和城市沥涝

降水是影响公众生活最多的天气现象之一，由强降水引发洪涝、泥石流、城市沥涝等灾害是造成人民财产损失的主要灾种。降水强度、降水量、过程降水量这些专业词汇给公众对降水等级的理解和对降水造成的影响的判断制造了困难。

将降水模型的12小时降水量、24小时降水量作为变量由科普受众自行设定，通过降水强度与降水时间的累积，显示降水量级。事先设定无排水系统的沙漠地区、地质灾害等级较高的山区、排水一般的老城区3种不同的下垫面模型以供选择，并配以相关声音、文字解释。

最终的目的是让受众通过互动，主动了解降水等级与降水量的关系。了解干旱地区地表径流、山洪、泥石流、城市沥涝的形成和危险。

2.3 改变台风中心气压制造台风并模拟其路径

台风是每年夏季影响我国东南沿海的主要气象灾害，台风带来的大风和强降水是造成灾害的主要因素。影响我国的台风受气压梯度力、地转偏向力、下垫面和其他气象系统的共同影响，向西北方向移动影响我国东南沿海地区。

通过设定台风中心的气压值，改变台风强度、生成地点，并模拟台风路径和登陆点。让公众了解台风的基本知识，通过声音和文字普及防台知识。

2.4 通过改变风的等级模拟风灾造成的影响

风是空气流动引起的自然现象，通过改变风速，模拟不同风速下预设模型状态的变化(如红旗飘扬、树木倒伏、屋顶被掀翻等)，使得公众对风灾有全面的认识和理解。

大多公众对风的认识是水平方向的空气流动，对于垂直方向的空气移动的风了解不多。增强可视技术可以模拟下击暴流对飞机的影响，来展现垂直风的危害。

3 增强现实技术的应用及其优势

传统的气象科普方式往往存在一定的局限性，如科普时间集中、科普地点限制、科普馆建设运行成本高、科普设备更新慢等。由于以上局限性，导致传统气象科普工作难以激发公众主动参与、学习和探索的热情。基于增强现实技术展现的气象科普将通过虚实结合、实时互动、三维立体等特点为用户带来全新体验，并将复杂难懂的科学问题转化成具象模型，以半游戏的形式增加知识的趣味性、通俗性。通过移动终端搭载APP的形式出现，还可以现实科普的实时性。

3.1 直观性

AR技术的优势是将虚拟世界信息和真实世界信息“无缝”集成，是将在现实世界的时间空间范围很难体验的实体信息通过图形技术模拟后，与真实世界的影像叠加，实现接近真实的感官体验。通过模型将不同尺度的天气过程从不同角度展现出来，可以将复杂的天气现象简化直观地展现给用户[7]。

3.2 趣味性

AR技术可以实现有趣的交互功能，用户可以通过改变模型的物理量，或者拖拽屏幕上的装备，滑动手机屏幕调整观看模型的视角等，全方位地了解和“掌控”天气现象、灾害的发生及程度。AR技术为科普产品的设计和开发提供了很多的可能性，也为用户带来了全新体验。

3.3 便捷性及其他

搭载AR技术的平台为移动客户端及智能手机，因此气象科普变得随时随地，打破了时间和空间的限制。此外，此类科普产品较传统科普产品还具有更新速度快、开发和运行成本低、参与广泛的优势。

4 结 论

增强可视技术在气象科普中有较强的应用价值。利于推广和普及，利于提升气象科普的互动性，利于提升科普效果，利于降低科普推广中的成本。相对传统气象科普方式，AR技术具有明显的优势，该技术带给我们的不仅仅是一个技术平台或工具，更会孕育出一种新型传授、解析科学的模式和学习方法。对于贯彻落实中国气象科普发展规划、切实推进气象科普工作具有重大意义。

目前AR技术的推广也具有局限性：一是科普市场回报率低致使开发者积极性不高；二是科普产品更新的及时性难以保障，在得到用户认可后，需要注入更多的模型和实例；三是独立的科普APP难以和众多气象咨询APP竞争，需融合发展，相互促进。■