台风三维建模方法分析

王云卓

中国民用航空局空中交通管理局航空气象中心 北京 100122

引言

我国是一个台风多发的国家，尤其夏季，很多沿海地区时常遭到台风袭击。台风来袭经常伴随着狂风、暴雨和风暴潮，导致潮水漫溢，冲毁房屋和建筑设施，淹没城镇和农田，造成大量人员伤亡和财产损失。2014年的台风“威马逊”共导致海南直接经济损失达119.5亿元，全省325.8万人受灾。在针对台风灾害知识的普及问题上传统方式方法存在局限性，受地域和气候影响，无法实现对台风这种恶劣天气现象的实景教学，另外，在宣传气象科普知识时，通过图文展示、实物展出等传统方式，民众缺少交互体验感，效果不佳。随着虚拟现实三维建模技术的发展及日趋成熟，将虚拟现实三维建模技术应用于台风教学体验中，可以改进气象教学模式，提高民众对灾害性天气的感性认识，实现民众在气象科普中的交互体验等。本文归纳了虚拟现实三维建模方法，分析了虚拟现实建模方法的典型应用场景以及优缺点，总结了虚拟现实三维建模技术在气象上应用所面临的问题，最后展望了虚拟现实技术三维建模在民航气象领域的应用前景。

1 三维建模技术发展现状

三维建模技术主要分为基于图形和基于图像的建模技术，除此之外还有利用三维扫描仪和数学函数的建模技术。基于图形的三维建模技术是面向场景的几何模型，其基础数据是景物的矢量几何数据，基于图像的三维建模技术的基础数据是手机、无人机等拍摄的二维图像，基于三维扫描仪的基础数据是实物内部结构之间的距离数据，而数学模型的基础数据则是气象数据、数学公式和原理。

三维建模技术最早应用于地质统计学，如今三维建模技术目前已在多领域中使用，在地质、交通、能源、影视、动画、通信、气象、医学等方面都发挥了很大的作用，如机器人视觉导航中的障碍物检测、三维地形重建、医学影像分析以及虚拟现实等。目前，市场上有很多三维建模软件，如3DSMAX等，已经发展得非常成熟了。目前，三维建模技术在气象领域也取得广泛应用。能针对天气现象中的雨、雪和雾进行三维建模模拟，对天气系统的模拟主要体现在流场、温度场和湿度场等方面[1]。

2 三维建模方法分析

2.1 使用三维软件建模

利用三维软件建模，建模方法有很多，比如几何建模、多边形建模、布尔建模和放样建模等，共同点都是利用点、线、面等基本的几何元素建模，通过平移、旋转、拉伸以及布尔运算建模。本课题主要研究了其中的几何建模方法。在三维建模当中对于几何体的应用非常广泛，其贯穿了整个3DSMAX的建模过程，常被用于制作基础模型。几何建模又分为三种，分别是线框模型，表面模型和实体模型。很多大型的虚拟模型在分解后是各种基础的几何模型，因此利用几何模型进行建模的方法比较简单和直接。在建模型之前，首先收集相关资料，掌握几何物的整体形状，然后在软件的操作页面上选择创建工具，通过平移、旋转、拉伸等工具，这样就可以让几何图形重新排布组合，进而获得想要的整体三维模型。

目前，市场上优秀的建模软件众多，主要有3DSMAX、AutoCAD、Maya、SoftImage等。但是软件建模比较适用于电影特效、影视制作、动画制作及渲染、工业设计和建筑等，对于给风、雨、雷暴这种边界模糊、结构复杂、形态各异、运动轨迹不确定的自然景象建模，需要通过间接的方式，创建台风来临使物体移动、水位增高等场景，模拟台风过境时的场景，但难以通过软件建模直接模拟台风本身。

2.2 根据二维图像建模

目前，市场上优秀的二维图像建模软件，主要有Context Capture、Photoscan、Street Factory等。基于二维图像的建模由于图像本身包含着丰富的场景信息，很容易从图像获得照片般逼真的场景模型，而且建模自动化程度高、速度更快、更方便，可以获得很高的绘制速度和高度的真实感。基于图片建模的步骤主要分为以下几个：首先通过不同的角度对被拍摄对象拍摄多次，获取多个照片组；然后基于获取到的多个图片组，生成建模主体的多个三维模型；再将上述选择的合成三维模型分割为多个合成区域，获取多个特征点；然后进行稀疏重建、稠密重建、点云模型化，最后合成三维模型，这给我们提供了获得照片般逼真的场景模型。

但是基于二维图像建模方式更适用于静态的景象对于给风、雨、雷暴这种一直处于变化中、运动轨迹不确定的自然景象建模，难以为同一场景在多个角度拍摄多组照片，只能通过拍摄静态树、建筑物等场景，通过后期渲染、仿真等手段，模拟台风来临时大树连根拔起、建筑倒塌的景象，从而间接反映与描述台风。

2.3 利用三维扫描仪设备建模

三维扫描仪是当前使用的对实际物体三维建模的重要工具之一。它能快速方便地将真实世界的立体彩色信息转换为计算机能直接处理的数字信号，为实物数字化提供了有效的手段。它可被理解为照相机，但是与照相机不同之处在于，它抓取的不是颜色信息，而是实物的距离信息。通过扫描，可以获得物体表面每个采样点的三维空间坐标，彩色扫描还可以获得每个采样点的色彩。某些扫描设备甚至可以获得物体内部的结构数据。利用三维扫描仪设备建模优点是测量精度高，其缺点是价格昂贵，物体形状复杂时的控制复杂，速度慢。

利用三维扫描仪建模同样不能直接给风、雨、雷暴这种边界模糊、结构复杂、形态各异、运动轨迹不确定的自然景象建模。若采用三维扫描仪设备建模，则需要先扫描一个具体的物体，比如汽车、桌子、椅子等物体，再通过后期渲染、仿真等手段，模拟台风来临时汽车、桌子、椅子等物体飞向空中的景象。

2.4 利用数学模型建模

自然界的风场是一个复杂的力场，在空间和时间上都是随机变化的，风的变化规律基本无迹可寻。但是朱震毅等人在其文章中给出了新的思路，利用Visual c++和OpenGL平台建立数学模型和图形系统，实现台风场数字模拟结果可视化，这也被界内称为科学计算可视化技术。科学计算可视化技术是将三维数据转化为图像，因此可将台风的数据输入到台风模型中，获得真实度较高的模拟台风场景。文章提到以非对称Bogus二维台风模型为基础再利用正弦函数，加上高度变化自变量，形成三维风场模型。最后在OpenGL平台创建地形并使用c++编写的粒子系统模拟风的变化共同进行三维视景模拟仿真[3]。其中涉及的粒子系统是一种简单且有效的不规则模糊物体的建模方法，其基本思想是把物体看成是由大量不规则的随机分布的粒子组成的粒子集[4]。每个粒子具有一定的属性，如外观、空间位置、运动、生存属性等，它们可以在不断运动和改变形状中，来表现景物总体的外形特征和动态的变化规律。贾庆轩等人在研究风场建模场景中得出，采用正弦函数不能高精度模拟风场，对风的随机性体现不明显。谱解法计算量大，在大型场景中使用不便。所以贾庆轩采用了柏林噪声函数、余弦插值函数、余弦差分函数等函数模拟出平均风场和脉动风场，合在一起模拟出了三维空间风场[2]。

非对称Bogus二维台风模型以及相关正弦函数：

贾庆轩等人在研究风场建模场景时用到的余弦函数：

利用数学模型建模，使用粒子系统来模拟风，将风的变化通过每个粒子在风场的运动来体现，已经能较为精确地模拟出台风风场了。但是数学建模难度较大，涉及数学、计算机编程、气象、视景仿真等多种专业知识，需要多种专业的人员共同配合才能完成，实现起来需要花费较大的人力。

3 三维建模技术在气象领域应用面临的问题

气象模型建模复杂，气象天气现象和天气系统可变因素较多，不规则，边界模糊，结构复杂，导致难以使用简单方法为复杂系统建模。

缺少复合型人才，对多方面专业技术能力要求较高。三维建模技术在气象领域应用至少涉及了气象专业、计算机专业、三维建模技术专业。

对于台风模型三维建模问题，若选用数学模型建模，可模拟出较为真实的台风模型，但是需要用到多种数学公式共同推导计算，还要懂得编程技术、建模技术等；若选用三维扫描仪、二维图像建模和三维软件建模模拟效果相对数学模型建模难以模拟出台风的真实运动轨迹，只能通过间接方式，模拟台风来临时带来的风、雨、雷暴等恶劣天气对周边的人、房屋、汽车、建筑物等造成的影响。但是三维建模软件发展已经非常成熟，建模较其他方法更为简单，成本也较低，专业要求能力较低，综合考虑民航气象中心人员技术能力、开发设备设施、开发经费等因素，台风三维建模更适合使用三维软件建模，从而采用间接方式呈现台风效果[5]。

4 三维建模技术在民航气象领域的应用展望

目前，三维建模技术已经在民航气象领域有很多地方被应用，如在飞行馆体验中心体验模拟飞行航空器遭遇雨、雪、雾等场景，在气象演播厅感受模拟刮风、下雨场景，为飞行员与气象人员科普飞机遇险的真实场景等。

随着科技的发展和人员专业能力的提升，三维建模技术未来在民航气象领域应用应该会更加广泛。比如模拟航在空器降落时遭遇风切变、下击暴流、大雾等天气现象，从而更形象更直观地呈现恶劣天气现象及其危害效果；在民航视频会商时，利用三维建模技术模拟即将出现的恶劣天气现象对航路造成影响的场景，有助于运行人员更直观地理解即将到来的天气现象对民航运行的影响程度；在管制员指挥飞机时，利用三维建模技术模拟出三维航路的实时状况，通过观察不同高度层的航空器位置，及时指挥飞机避让等。