王超 陳文靜 李晗林

摘 要：隨著信息時(shí)代的到來(lái)，現(xiàn)代科學(xué)在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中的運(yùn)用越來(lái)越廣泛，高新科技對(duì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的規(guī)?；?、市場(chǎng)化和集約化都起到了積極的推動(dòng)作用。2016年被媒體稱(chēng)為“VR元年”，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)正經(jīng)歷著前所未有的發(fā)展。該文簡(jiǎn)要介紹了VR技術(shù)的概念和應(yīng)用領(lǐng)域，論述了虛擬農(nóng)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)VR技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)；虛擬農(nóng)業(yè)

中圖分類(lèi)號(hào)：S188文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1637-5617（2017）02-0077-04

Abstract： With the arrival of the information age， modern science is widely used in the traditional agriculture， and the highnew technologies have played a positive role in promoting the largescale operation， marketizaiton and intensification of modern agriculture. The year of 2016 was described in the media as “the first year of VR”， and the virtual reality technology has been experiencing an unprecedented development. The concept and application area of virtual reality technology were briefly introduced in this paper， and the development status of virtual agriculture was also discussed. Then， the application prospect of virtual reality technology in modern agriculture was predicted.

Key words： virtual reality； modern agriculture； virtual agriculture

自21世紀(jì)人類(lèi)跨入信息化時(shí)代后，作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)的農(nóng)業(yè)正經(jīng)歷著突飛猛進(jìn)的變化，使用現(xiàn)代科學(xué)與工業(yè)相結(jié)合的管理模式已成為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變發(fā)展的主要手段。黨十八大提出“扶持三農(nóng)”政策的同時(shí)，對(duì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的前景給予了很高的關(guān)注。近年來(lái)，隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”的出現(xiàn)，現(xiàn)代要素與新興科技頻繁地出現(xiàn)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，不僅加快了我國(guó)農(nóng)村信息化建設(shè)，也衍生出更多創(chuàng)新型農(nóng)業(yè)發(fā)展模式?！疤摂M農(nóng)業(yè)”的概念被列入國(guó)家863先期啟動(dòng)計(jì)劃，成為農(nóng)業(yè)科研的一個(gè)重要方向。

1 VR技術(shù)的發(fā)展概況

1.1 VR技術(shù)概念

計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展可以簡(jiǎn)單概括為從單純使用代碼命令執(zhí)行程序，到運(yùn)用鍵盤(pán)鼠標(biāo)作為輸入設(shè)備制作圖像數(shù)據(jù)的過(guò)程?；趯?duì)計(jì)算機(jī)使用體驗(yàn)的追求，人類(lèi)不斷朝著如何將自然行為融合進(jìn)計(jì)算機(jī)程序這個(gè)方向前進(jìn)，在這個(gè)過(guò)程中產(chǎn)生了諸如3D全息投影、觸屏響應(yīng)、智能聲控和手勢(shì)感應(yīng)操作等新興技術(shù)。

VR（Virtual Reality）譯為虛擬現(xiàn)實(shí)，是一項(xiàng)使用3D渲染來(lái)制造操作環(huán)境，借助計(jì)算機(jī)的人機(jī)交互功能來(lái)實(shí)現(xiàn)使用者與所處環(huán)境間的指令互動(dòng)的綜合集成技術(shù)。VR一詞誕生于20世紀(jì)中后期，并在2008年被美國(guó)國(guó)家工程院定義為21世紀(jì)工程學(xué)面臨的14項(xiàng)重大議題之一[1]。該技術(shù)早前受硬件等經(jīng)費(fèi)限制，只少量存在于軍工領(lǐng)域內(nèi)。2012年Oculus公司通過(guò)眾籌，成功開(kāi)展了公司旗下VR設(shè)備的開(kāi)發(fā)計(jì)劃。近幾年，隨著智能化設(shè)備的成本降低，各國(guó)都在積極拓展VR技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。我國(guó)于2016年由國(guó)務(wù)院印發(fā)的《國(guó)家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略綱要》亦將此項(xiàng)技術(shù)列為戰(zhàn)略任務(wù)之一[2]。

1.2 VR技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域

VR技術(shù)獨(dú)特的沉浸式體驗(yàn)感使其很早便在軍事領(lǐng)域使用，1982年美國(guó)軍方開(kāi)發(fā)了帶6個(gè)自由度跟蹤定位的VR類(lèi)型頭戴設(shè)備，用于向訓(xùn)練士兵展示不同的作戰(zhàn)環(huán)境[3]。美國(guó)國(guó)家航空和宇宙航行局（NASA）在20世紀(jì)80年代中后期開(kāi)啟虛擬交互環(huán)境工作站（VIEW）項(xiàng)目用于外太空空間探索，而該項(xiàng)目最早其實(shí)是為了美軍的軍事模擬訓(xùn)練而開(kāi)發(fā)的[4]。在設(shè)計(jì)規(guī)劃上，借由VR技術(shù)出色的展示效果，世界各國(guó)都開(kāi)始將其應(yīng)用在城市設(shè)計(jì)領(lǐng)域。近些年部分軟件廠商已經(jīng)開(kāi)發(fā)出使用穿戴設(shè)備完成3D繪畫(huà)的應(yīng)用，讓人跳脫平面設(shè)計(jì)的局限性，更直觀、高效地進(jìn)行空間設(shè)計(jì)。而基于類(lèi)似的使用原理，該技術(shù)在教育、醫(yī)療等領(lǐng)域也顯示出廣泛的應(yīng)用前景。對(duì)于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域而言，VR技術(shù)的引入帶來(lái)了諸如虛擬植物、虛擬動(dòng)物等直觀模擬物種生長(zhǎng)過(guò)程的技術(shù)。近幾年，觀光農(nóng)業(yè)也積極嘗試提供一些VR主題的農(nóng)場(chǎng)游覽項(xiàng)目，以求帶來(lái)新的產(chǎn)業(yè)效益，虛擬農(nóng)業(yè)的形式正廣泛被普通大眾所接受。

2 虛擬農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的石元春教授曾經(jīng)指出，計(jì)算機(jī)科學(xué)所帶來(lái)的新技術(shù)革命，將為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中存在的地域性變化、經(jīng)驗(yàn)性差異和環(huán)境不可控等弱勢(shì)因素帶來(lái)全面改善[5]。虛擬農(nóng)業(yè)是以農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?yàn)檠芯繉?duì)象，采用先進(jìn)的信息技術(shù)手段，利用計(jì)算機(jī)為平臺(tái)，完成研究對(duì)象和環(huán)境因素之間的相互作用，從而得出科研成果的一種技術(shù)。與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相比，虛擬農(nóng)業(yè)的高仿真性可以對(duì)現(xiàn)實(shí)環(huán)境進(jìn)行真實(shí)還原。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的各個(gè)方面，大到農(nóng)場(chǎng)全景布局，小到植株葉片形態(tài)，都可以進(jìn)行可視化的精準(zhǔn)建模，之后通過(guò)計(jì)算機(jī)演算技術(shù)模擬后續(xù)的生長(zhǎng)現(xiàn)象，再將數(shù)據(jù)生成場(chǎng)景回饋給使用者。這種研究方式降低了經(jīng)費(fèi)使用，縮短科研周期，合理高效的利用了現(xiàn)有資源，在品種改良、設(shè)施利用、改善環(huán)境、增產(chǎn)增收等方面都有廣闊的應(yīng)用前景。我國(guó)虛擬農(nóng)業(yè)尚處探索階段，目前主要集中在模擬植物生長(zhǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域。

2.1 虛擬植物

所謂虛擬植物，是通過(guò)傳感器、攝像機(jī)等設(shè)備實(shí)地采集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)后，應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬植物在虛擬環(huán)境中的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程。該技術(shù)的核心理念為再現(xiàn)植物生長(zhǎng)的形態(tài)結(jié)構(gòu)變化，不管是直接建模還是演算生成的虛擬植株，其形態(tài)都符合植物生長(zhǎng)規(guī)律。虛擬植物技術(shù)所具有的高可視化特征能更好地幫助人們直觀理解各因素對(duì)植物生長(zhǎng)影響的結(jié)果。同時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)能將植物原本數(shù)年的生長(zhǎng)周期用建模及演算模擬生長(zhǎng)將其生長(zhǎng)周期縮短至幾小時(shí)乃至幾分鐘呈現(xiàn)，從而不需要實(shí)際種植和漫長(zhǎng)的等待過(guò)程，就可預(yù)測(cè)植株未來(lái)的生長(zhǎng)狀況?？梢?jiàn)，虛擬植物研究將極大降低科研成本，提高研究效率。

虛擬植物研究，是以植物個(gè)體為研究單元，通過(guò)個(gè)體間的相互作用來(lái)模擬植物群體的生長(zhǎng)規(guī)律，對(duì)探明植物的生長(zhǎng)與變異因素的交互作用有著重要的理論意義。它可以通過(guò)人為調(diào)整數(shù)據(jù)信息，改變生長(zhǎng)環(huán)境，模擬栽種實(shí)驗(yàn)，為最大限度地利用光、溫調(diào)控植株生長(zhǎng)，篩選出適合育種目標(biāo)要求的新品種提供理論依據(jù)。例如傳統(tǒng)的超級(jí)品種繁育需要進(jìn)行大量雜交和株型改良測(cè)試，而虛擬植物可以制作不同品種的株型樣本，再將實(shí)際中植物生長(zhǎng)的模式借用計(jì)算機(jī)處理成數(shù)據(jù)利用在模擬樣本上，最后根據(jù)生長(zhǎng)結(jié)果選出理想株型，從而減少育種方向的盲目性。新西蘭Hort研究所就曾利用該技術(shù)對(duì)獼猴桃的品種改良進(jìn)行研究[6]。

2.2 虛擬農(nóng)場(chǎng)

虛擬農(nóng)場(chǎng)最早主要是一種針對(duì)普通大眾的創(chuàng)新型農(nóng)場(chǎng)經(jīng)營(yíng)模式，由曾經(jīng)在互聯(lián)網(wǎng)上流行多年的“偷菜游戲”延伸而來(lái)。它其實(shí)是一種特殊的農(nóng)產(chǎn)品認(rèn)購(gòu)形式，由農(nóng)場(chǎng)主在網(wǎng)上向普通民眾銷(xiāo)售成長(zhǎng)中的作物，而被購(gòu)買(mǎi)的作物將會(huì)繼續(xù)留在農(nóng)場(chǎng)中管理，用戶只要通過(guò)登錄自己的賬號(hào)，直接在互聯(lián)網(wǎng)上查看自己購(gòu)買(mǎi)的作物的實(shí)時(shí)影像，同時(shí)可以在網(wǎng)上聯(lián)系農(nóng)場(chǎng)工作人員進(jìn)行例如澆水或采摘等操作，作物的收成最后也會(huì)通過(guò)物流及時(shí)送至用戶家中。這類(lèi)虛擬農(nóng)場(chǎng)大多以休閑農(nóng)業(yè)為主題，用戶可以隨時(shí)來(lái)實(shí)地參觀自己購(gòu)買(mǎi)的作物和農(nóng)場(chǎng)全貌，這種既利用網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控來(lái)確保食品安全，又結(jié)合參觀體驗(yàn)做到了寓教于樂(lè)的農(nóng)場(chǎng)經(jīng)營(yíng)模式備受推崇。

隨著VR技術(shù)的發(fā)展，農(nóng)技推廣領(lǐng)域產(chǎn)生了很多智能化農(nóng)業(yè)軟件系統(tǒng)，它們建立的教學(xué)式虛擬農(nóng)場(chǎng)，允許使用者在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬種植管理，農(nóng)戶們不再需要研讀復(fù)雜的理論知識(shí)，累計(jì)高深的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，只需借助智能化設(shè)備觀察作物在不同條件影響下的動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)過(guò)程，就能獲得第一手資料用于生產(chǎn)實(shí)踐。這種創(chuàng)新型學(xué)習(xí)方式能帶來(lái)深刻直觀的學(xué)習(xí)效果，是傳統(tǒng)農(nóng)技教學(xué)推廣所無(wú)法做到的。

2.3 可視化農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)

與傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)相比，可視化農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)借助了數(shù)字化三維建模技術(shù)，將原本需要重復(fù)多次的修改模具和試組裝這個(gè)過(guò)程放在計(jì)算機(jī)里處理。根據(jù)產(chǎn)品需求，進(jìn)行零件的三維圖像繪制，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行虛擬組裝，組裝過(guò)程中出現(xiàn)的零部件差異，也可及時(shí)利用計(jì)算機(jī)修改。同時(shí)，設(shè)計(jì)者也可在虛擬的環(huán)境里對(duì)產(chǎn)品樣機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，在動(dòng)態(tài)的環(huán)境下觀察樣機(jī)各項(xiàng)功能的使用情況，根據(jù)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行判斷，最終擬定設(shè)計(jì)方案[7]。

相比于平面設(shè)計(jì)，在三維可視化環(huán)境中，設(shè)計(jì)師能更好地將自己的構(gòu)想清晰地表達(dá)出來(lái)。這項(xiàng)技術(shù)在滿足創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念的基礎(chǔ)上，最大限度地保證了產(chǎn)品的可靠性。設(shè)計(jì)成果可以直接作為制造依據(jù)，從而減少模具耗材的開(kāi)銷(xiāo)，縮短了后期的生產(chǎn)時(shí)間。

3 VR技術(shù)應(yīng)用面臨的問(wèn)題

虛擬現(xiàn)實(shí)是一項(xiàng)復(fù)雜的綜合集成技術(shù)，其產(chǎn)業(yè)覆蓋面廣、開(kāi)發(fā)商多，所涉及到的硬件模塊、系統(tǒng)平臺(tái)和開(kāi)發(fā)工具等，目前尚未有統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)不同接口間的兼容性問(wèn)題還在逐步完善中。而且，民用的VR設(shè)備目前仍受硬件環(huán)境的限制，對(duì)大批量數(shù)據(jù)的處理仍存在計(jì)算速度不足、傳輸速率較慢和續(xù)航能力有限等影響，因此作為大規(guī)模投入應(yīng)用仍需一段時(shí)間。

4 基于VR的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)

4.1 虛擬農(nóng)技培訓(xùn)

虛擬農(nóng)技培訓(xùn)是一項(xiàng)針對(duì)實(shí)驗(yàn)室科研教學(xué)培訓(xùn)延伸而來(lái)的輔助性技術(shù)，它改變了傳統(tǒng)的教學(xué)培訓(xùn)手段，利用計(jì)算機(jī)處理聲音和圖像給受訓(xùn)人員帶來(lái)直觀的學(xué)習(xí)效果。而將VR技術(shù)結(jié)合其中，提供了高仿真的儀器和實(shí)驗(yàn)環(huán)境，并允許使用者通過(guò)聲控和手持設(shè)備與環(huán)境互動(dòng)，逼真還原真實(shí)的實(shí)驗(yàn)流程，有效提高了學(xué)員的觀察和動(dòng)手能力，解決了農(nóng)業(yè)科研實(shí)驗(yàn)室教學(xué)資源緊張的難題，調(diào)動(dòng)了科研工作者的創(chuàng)新思維，提高了學(xué)習(xí)質(zhì)量。

4.2 虛擬都市農(nóng)業(yè)

虛擬都市農(nóng)業(yè)是以綠色農(nóng)業(yè)為主旨，利用現(xiàn)代化信息手段，通過(guò)直產(chǎn)直銷(xiāo)的農(nóng)產(chǎn)品網(wǎng)上交易模式，減少流通成本，提供食品溯源，保證食品安全。與傳統(tǒng)的電商型都市農(nóng)業(yè)相比，搭載VR實(shí)景平臺(tái)的虛擬都市農(nóng)業(yè)，能將產(chǎn)品規(guī)格信息圖像化，用人手觸碰代替鼠標(biāo)鍵盤(pán)進(jìn)行操作，使不擅長(zhǎng)使用電腦的市民也能足不出戶輕松購(gòu)買(mǎi)，帶來(lái)更好的消費(fèi)體驗(yàn)，提升市民的生活品質(zhì)。

4.3 虛擬設(shè)施農(nóng)業(yè)

虛擬設(shè)施農(nóng)業(yè)主要是使用數(shù)字化的環(huán)境控制模塊對(duì)溫室進(jìn)行遠(yuǎn)程智能管理，并利用VR技術(shù)的視覺(jué)系統(tǒng)，將采集的數(shù)據(jù)輸出為圖像識(shí)別效果，對(duì)原有的設(shè)施農(nóng)業(yè)進(jìn)行改進(jìn)，改變了復(fù)雜且專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)的操作流程，加強(qiáng)了信息實(shí)時(shí)采集和處理技術(shù)，最終建立一個(gè)高效集成的研究和工作環(huán)境，提高設(shè)施農(nóng)業(yè)的利用率。

5 結(jié)語(yǔ)

信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中不僅具有高效收集處理數(shù)據(jù)的能力，還帶來(lái)了更多創(chuàng)新型農(nóng)業(yè)研究方法。虛擬農(nóng)業(yè)作為一種全新的農(nóng)業(yè)理念，利用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)帶來(lái)了勃勃生機(jī)。在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展轉(zhuǎn)型的當(dāng)下，虛擬農(nóng)業(yè)成為了體現(xiàn)一個(gè)國(guó)家農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平的標(biāo)志之一[8]，而VR技術(shù)具有高交互性、沉浸式體驗(yàn)及真實(shí)自主性等特點(diǎn)，不僅能很好地融入到現(xiàn)有的虛擬農(nóng)業(yè)應(yīng)用中，還可以延伸出更多出色的研究方向。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用符合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)的要求，它在農(nóng)業(yè)科研分析中提供的動(dòng)態(tài)參數(shù)可視化功能，充分發(fā)揮了科研工作者的想像力，一改傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)難以定量化研究的情況。它的高仿真性在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中節(jié)約了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，降低了經(jīng)費(fèi)成本，極大提高了科研效率，為農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)理論研究提供了可靠依據(jù)。我國(guó)積極探索VR技術(shù)在農(nóng)業(yè)科學(xué)中的應(yīng)用，構(gòu)建農(nóng)業(yè)信息化管理體系，進(jìn)一步推動(dòng)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)方向發(fā)展。

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