基于移動端的交互式氣象科普系統搭建*

王子昕 蔣 斌 秦浩哲 張力文 薛經萍

(江蘇省氣象服務中心,江蘇 南京 210008)

0 引 言

氣象服務涉及人們日常生活的方方面面,且為各行各業的生產活動保駕護航。隨著社會經濟的進一步發展,廣大人民群眾和社會各界對于應對氣候變化和氣象防災減災的要求越來越高。近年來,氣象科學技術快速發展,氣象工作者需要讓氣象科技創新發展的紅利正向服務于社會各界,其中氣象科普工作是氣象服務工作中的重要環節,對公眾具有重要意義。它不僅可以使公眾了解和掌握基本的天氣常識和防災減災知識,而且有利于提高人民的生產生活水平[1]。

傳統的氣象科普以文字、圖片等內容為主,并通過書面載體進行傳播。氣象科普館作為氣象知識的傳播媒介,雖然形式多樣,內容豐富,但是資源利用率較低,且需要投入大量的人力物力,后期的維護和保養等將造成較大的經費負擔[2]。沈曄等[3]指出，宣傳氣象科普知識時,通過圖文展示、實物展出等傳統方式,民眾缺少交互體驗感,效果不佳,并提出在氣象科普中融入虛擬現實技術,來提升民眾的科普交互體驗感。在推進氣象科普產品制作和傳播過程中,需要加強利用先進現代智能技術,進一步創新氣象科普的形式。近年來,隨著融媒體時代的到來以及新興技術的運用,氣象科普的內容和傳播途徑有了巨大的發展[4-6]。增強現實技術、虛擬現實技術、人工智能技術、移動網絡通信等新興科技已經在氣象科普領域中初步應用[7-8],文字、圖片、視頻以更加高效的傳播方式來展示氣象科普信息,在使民眾直觀地理解氣象科普知識的同時,提高了內容的趣味性和形式的多變性。當前,人工智能算法、移動互聯方案、智能移動設備、3維建模、計算機性能等領域發展迅速,需要加強利用先進現代智能技術,進一步創新氣象科普的形式?；诋斍暗木W絡通信途徑、智能移動設備、后臺計算的算法和計算能力,本文提出基于移動端的交互式氣象科普產品的搭建方案,以提高氣象科學普及的綜合效益。

1 系統框架設計

1.1 設計思路

以往的氣象科普是線性的、灌輸式的、非選擇性的,這往往會降低氣象知識傳播的效率。而交互式氣象科普則提供了可選擇的學習方式,使知識傳播的形式和內容更加豐富,并通過搭載先進的交互式動畫和圖像技術,可以進一步提升科普知識傳播的趣味性和表現力,加強受眾對科技概念的理解[7,9]。交互式科普的實現離不開大量軟件硬件的支撐,用戶通過適當的反饋或操作,就能獲得想要的內容,使信息傳達更加直觀。交互性已逐漸受到各個科普領域的重視,大量的技術已經被運用在各種交互式科普產品中。為了進一步增強交互式科普產品的自然化、人性化、智能化,需要加強利用先進的現代化智能技術。如今,移動互聯廣泛普及,移動通信技術也進一步發展。移動端設備搭載的技術模塊越來越豐富,可實現的功能也越來越多樣,包含攝像、感光、收音、觸控、高清顯示、網絡互聯、信號發送接收、高性能計算等,這為交互式氣象科普提供了有利的條件。增強現實技術、3維建模技術、人工智能技術、圖像識別技術、聲音識別技術、虛擬現實技術等新興科技也越加成熟,將其應用在氣象科普產品中,能進一步提升氣象科普產品的交互性,科普的內容和形式也能得以進一步發展。

1.2 框架構建

基于移動端的交互式氣象科普系統包括交互信息采集、無線網絡通信、遠程計算控制和科普內容展示。將科普系統分為信息采集層、數據傳輸層、邏輯計算層和應用顯示層。應用顯示層為科普系統的結果顯示層,負責顯示和輸出全部的計算結果和科普內容,并提供可通過觸控指令進行操作的功能界面。信息采集層利用智能移動設備的優勢,負責對交互信息、氣象數據、指令信息進行采集。數據傳輸層利用高速穩定的移動通信技術實現信息數據的傳遞和前臺后臺的互聯互通。邏輯計算層則利用高性能計算機,計算響應用戶的操作,對數據進行選擇、處理和加工。

圖1為基于移動端的交互式氣象科普系統框架。智能移動設備(搭載拍攝模塊、收音模塊、觸控顯示模塊等)作為交互式科普系統的載體,邏輯上包含了信息采集層以及應用顯示層,主要進行交互信息和計算數據的智能采集,以及科普知識的多媒體展示。由移動端設備進行采集的交互信息和計算數據,通過移動端設備搭載的無線通信網絡(數據傳輸層)傳輸至后臺遠程控制的計算機;再由后臺高性能計算機進行信息的處理加工和識別判斷(邏輯計算層);處理結果和科普數據再由無線通信網絡回傳至移動端設備(數據傳輸層);最后由移動端設備進行智能顯示,從而完成交互式氣象科普(應用顯示層)。

圖1 基于移動端的交互式氣象科普系統框架

該框架的交互性主要體現在信息的實時采集,不僅有用戶自主選擇的指令信息,還有觸控信息、圖像信息、聲音信息、真實環境信息等。采集的信息作為計算數據,通過無線快速傳輸和高性能計算為交互式科普模式提供支撐。在基于移動端的交互式科普框架下,需要尋找合適的科普對象,并設計匹配的氣象科普模塊,能充分利用采集的實時交互信息和高性能計算優勢(搭載人工智能算法),實現方便快捷、科學合理的交互式氣象科普。

2 科普模塊設計

2.1 云類識別

在現行的地面氣象觀測規范中,按照云的外形特征、結構、特點和云底高度,云被分為3族10屬29類[10]。云的形成和變化趨勢反映當時大氣的穩定程度和水汽狀態,其生消演變以及各類別之間的轉化,是預示未來天氣現象的重要指標[11],直接影響民眾的生產生活。但是,云的類別復雜多樣,通過地面人工觀測難以區分。傳統的與云相關的氣象科普還停留在圖文、視頻、文字等灌輸式的科普方式,民眾對于與云相關的氣象科普知識的了解還比較匱乏。

隨著計算機技術以及智能算法在氣象領域的快速發展[12],已經使云類的判別由早期的目視判斷向自動化發展,且在云的機器識別領域,已經有大量成熟的研究和已經投入業務化使用的技術方案[13]。如今,利用人工智能圖像識別技術可以快速識別云的種類,滿足交互式科普的及時性要求。通過移動端搭載的攝像設備進行云圖拍攝采集,并由無線通信網絡進行數據傳輸,再由后臺計算機的人工智能算法進行計算和判斷,可以精準地識別當前天空中云的種類,最后通過移動端設備顯示識別結果和科普內容。將云類識別作為交互式氣象科普的對象是可行且重要的。

2.2 風級判斷

聲音信號是自然界中最常見的信號之一,聲音信號是信息的來源,可以表征不同聲源的類別和場景,讓人類建立對外部世界的認識[14]。隨著聲音信號智能識別技術的快速發展,聲學識別環境從安靜環境發展到復雜環境,聲學識別對象從人聲識別發展到自然界聲音識別[15]。聲音識別被廣泛應用在自然保護、導航、安全監控、交通、情景感知、公共安全等領域中,但在氣象科普領域的應用還較少。

風的概念是自然界的空氣流動,它是由溫差、氣壓差所引起的空氣在水平方向的流動產生的。風力的大小由風級來表示,依據《風力等級》國家標準,將風力等級依次劃分為18個等級。在日常的天氣預報業務中,風級是重要的氣象信息,但是大多數民眾對于風級和大風預警信號的具體概念還不清晰,還不能很好地利用預報的風級信息和發布的大風預警信號進行相關的防災減災活動。不同風級的風產生的聲音信號是有特定規律的,機器學習等算法模型的相互融合,讓風級的智能識別成為可能[16]。近年來,卷積神經網絡等深度學習算法在聲音識別的領域中快速發展。楊昊巖等[17]將深度學習與聲譜圖相結合,提出了實驗室條件下,智能且快速的風力等級識別方法。將風級的智能識別作為交互式氣象科普的模塊是可行的。

風級信息識別過程主要包含信息獲取、信息預處理、信息高維特征提取以及目標識別等4個部分,這主要是通過基于移動端的交互式氣象科普系統來完成(圖1)。通過移動端搭載的收聲設備進行環境聲音的采集,并由無線通信網絡進行數據傳輸,再由后臺計算機的人工智能聲音識別算法進行計算和判斷,可以精準地識別當前環境中風的等級,最后通過移動端設備顯示結果和科普內容。

2.3 臺風模擬

增強現實技術通過多媒體、3維建模、實時跟蹤、智能交互等多種方式,將計算機系統生成的虛擬信息與現實環境疊加與交融[18]。在氣象科普領域,增強現實技術主要被運用在氣象科普館以及虛擬演播室,代替了傳統的科技含量不高、交互性和吸引力不強的圖文展板及模型,增強了氣象科普信息的可視化和交互性[19]。

南海與西北太平洋的熱帶氣旋,按其底層中心附近的最大平均風速大小劃分為6個等級,其中風力達12級或以上的,統稱為臺風[20]。臺風強度等級以及臺風流場結構(臺風眼區、云墻區、螺旋雨帶區)的劃分,給公眾對于臺風的理解和判斷帶來困難[8]。近年來,氣象數據可視化技術快速發展[21],通過3維建?？梢院芎玫卣故九_風內部結構、模擬臺風流場[22-24],進一步結合增強現實技術,進行3維建模與虛擬渲染,這為臺風科普的科學性、趣味性和真實性提供了支撐。

智能移動端設備搭載著攝像頭,以及感光、觸控、顯示、重力感應等傳感器,可以實現實景采集、動作追蹤、環境感知,以及融合顯示[25],通過移動設備的屏幕可以看到疊加在真實場景上的虛擬對象。因此,以搭建的交互式氣象科普系統為依托,將臺風模擬作為科普模塊。用戶通過觸控指令(交互信息),改變氣象模型的關鍵物理量(底層中心附近最大平均風速),并通過移動端設備采集實景信息,再由無線通信網絡進行交互信息和實景數據的傳輸,后臺計算機利用交互信息和實景數據進行臺風3維結構模擬和虛擬場景渲染,最終由移動端設備進行增強現實模擬展示,實現便捷高效的交互式氣象科普。

3 應用場景

如圖2所示,基于移動端的交互式氣象科普系統包含的科普模塊分別是云類識別、風級判斷和臺風模擬。這3個科普模塊通過智能移動端設備中的軟件界面顯示,供用戶自主選擇。在交互式氣象科普系統的數據庫中,預存了對應不同科普模塊的多媒體形式的科普內容。

圖2 基于移動端的交互式氣象科普系統科普流程

這3個科普模塊的科普流程如下。

3.1 云類識別

首先,用戶通過交互式氣象科普系統的軟件界面,選擇云類識別模塊;接著通過移動端設備搭載的攝像頭拍攝功能,對當前天空中的云進行拍攝,獲得地基云圖數據;云圖信息通過移動端設備搭載的無線網絡通信功能,傳輸至后臺高性能計算機;其次，由高性能計算機提取有效特征,對云的類別進行人工智能識別;邏輯計算結果再由無線通信網絡傳回;最后通過軟件的顯示界面展現多媒體形式的科普內容(結合識別的云類),包括云類別的識別結果、對應的云的特征、天氣特征、諺語、古詩詞、防災減災知識等。

在云類識別科普模塊功能下,用戶通過對現實天空中存在的云進行拍攝,可以迅速識別當前天空中云的種類,并結合匹配的文字、動畫等科普素材進一步進行科普講解,能充分認識云的類別和特征。如果識別出的是積雨云(雷暴云),還能及時提醒謹防強對流天氣的發生[26]。該科普流程中,將眼前現實環境中存在的云體作為氣象科普的對象,將科普與眼前的現實場景相結合,更加真實可靠,簡化了交互的流程,實現了將傳統的講述模式向用戶自主探索、自主求知的模式轉變[27]。

3.2 風級判斷

首先,用戶通過交互式氣象科普系統的軟件界面,選擇風級判斷模塊;移動端設備將通過搭載的收聲功能,自動采集當前環境中的聲音信號;采集的環境聲音數據將通過移動端設備搭載的無線網絡通信功能,傳輸至后臺高性能計算機;其次，由高性能計算機利用人工智能聲音識別模型,判斷當前環境中風的等級;邏輯計算結果再由無線通信網絡傳回;最后通過用戶的選擇,在軟件的顯示界面中進一步展現多媒體形式的科普內容(結合判斷的風級),包括風級判斷結果、對應的天氣特征、諺語、古詩詞、大風預警信號、防災減災知識等。

在風級判斷科普模塊功能下,通過用戶的自主采集,實時環境中風的風級被判別出來,配合相應的科普素材,讓用戶對風力等級有更加直觀的理解,增強了用戶進一步了解的興趣,以達到非線性、交互式、情景化科普的目的。如果識別出當前環境中風的等級是8級及以上,還可呈現相應的大風預警信號,提醒用戶謹防大風帶來的災害和風險,并提供大風安全防護指南。

3.3 臺風模擬

首先,用戶通過交互式氣象科普系統的軟件界面,選擇臺風模擬模塊;通過移動端設備搭載的觸摸屏,以觸控的方式選擇臺風底層中心附近的最大平均風速級別;其次,包括攝像頭在內的感光、觸控、顯示、重力感應等傳感器將自動采集實景、追蹤動作,感知環境;然后,用戶的交互選擇信息以及環境信息將通過移動端設備搭載的無線網絡通信功能,傳輸至后臺高性能計算機;再由高性能計算機利用增強現實技術和臺風3維建模技術,對所選擇的強度進行臺風場景模擬(臺風結構、流場的虛擬渲染),讓用戶可以通過調整模型的物理量來改變其建模結果,實現掌控臺風強度和天氣變化的能力;在此過程中,無線通信網絡保持數據的實時雙向互聯;模擬的臺風場景將疊加在當前顯示屏中的現實環境里,得到虛擬現實的動態畫面;最后通過用戶的選擇,進一步展現多媒體形式的科普內容(結合選擇的臺風強度),包括臺風級別信息、臺風結構知識、對應的天氣特征、臺風預警信號、防災減災知識等。

在臺風模擬科普模塊功能下,臺風的3維場景模型(用戶自主選擇等級)疊加在現實環境(移動端設備自動采集信息)中展示,達到創新的視覺效果,并配合上相應的動畫和聲音,創造沉浸式科普模式。通過該科普模式的設計,實現利用科技感來提高氣象科普的趣味性和交互傳播成效的目的[28],并增強用戶對臺風相關科普知識的認識,提高對臺風天氣的關注度和防災減災的能力。

4 結 語

傳統氣象科普是線性的、灌輸式的、非選擇性的,這會降低氣象科普的效率,而交互式的氣象科普模式則能優化氣象科普的傳播形式和科普內容。氣象科普工作需要充分利用先進的現代化智能技術,以實現交互式氣象科普?；谝苿佣说慕换ナ綒庀罂破障到y則通過構建信息采集層、數據傳輸層、邏輯計算層和應用顯示層,科學合理地利用智能移動設備、無線網絡通信、高性能計算、人工智能(圖像識別和聲音識別)、3維建模和增強現實等現代化智能技術和設備，并以此為技術支撐,在氣象科普系統中搭建了以云類識別、風級判斷和臺風模擬為核心的氣象科普模塊,進一步探討了科普應用場景和科普流程。

依靠移動設備的靈活性和便捷性,改變了氣象科普的傳播方式,增強氣象科普的趣味性和交互性。大部分民眾日常使用的手機具備智能移動設備的全部功能,民眾利用手機可以完成本文搭建的氣象科普系統的科普流程。結合先進的現代化智能技術,基于移動端的交互式氣象科普系統，讓云、風、臺風等氣象要素成為交互式氣象科普的內容,以達到氣象防災減災、氣象科普宣傳、擴大氣象科普知識普及率的目的。未來,硬件、軟件、智能算法等還將進一步發展,通過科學合理地利用,氣象科普的形式可以更加多樣,氣象科普的內容可以更加豐富多彩。