王超 陳文靜 李晗林

摘 要：隨著信息時代的到來，現(xiàn)代科學在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中的運用越來越廣泛，高新科技對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的規(guī)?；?、市場化和集約化都起到了積極的推動作用。2016年被媒體稱為“VR元年”，虛擬現(xiàn)實技術正經(jīng)歷著前所未有的發(fā)展。該文簡要介紹了VR技術的概念和應用領域，論述了虛擬農(nóng)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，對VR技術在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應用前景進行了展望。

關鍵詞：虛擬現(xiàn)實；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)；虛擬農(nóng)業(yè)

中圖分類號：S188文獻標志碼：A文章編號：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世紀人類跨入信息化時代后，作為國民經(jīng)濟基礎的農(nóng)業(yè)正經(jīng)歷著突飛猛進的變化，使用現(xiàn)代科學與工業(yè)相結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，對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的前景給予了很高的關注。近年來，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，不僅加快了我國農(nóng)村信息化建設，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)”的概念被列入國家863先期啟動計劃，成為農(nóng)業(yè)科研的一個重要方向。

1 VR技術的發(fā)展概況

1.1 VR技術概念

計算機技術的發(fā)展可以簡單概括為從單純使用代碼命令執(zhí)行程序，到運用鍵盤鼠標作為輸入設備制作圖像數(shù)據(jù)的過程?；趯τ嬎銠C使用體驗的追求，人類不斷朝著如何將自然行為融合進計算機程序這個方向前進，在這個過程中產(chǎn)生了諸如3D全息投影、觸屏響應、智能聲控和手勢感應操作等新興技術。

VR（Virtual Reality）譯為虛擬現(xiàn)實，是一項使用3D渲染來制造操作環(huán)境，借助計算機的人機交互功能來實現(xiàn)使用者與所處環(huán)境間的指令互動的綜合集成技術。VR一詞誕生于20世紀中后期，并在2008年被美國國家工程院定義為21世紀工程學面臨的14項重大議題之一[1]。該技術早前受硬件等經(jīng)費限制，只少量存在于軍工領域內(nèi)。2012年Oculus公司通過眾籌，成功開展了公司旗下VR設備的開發(fā)計劃。近幾年，隨著智能化設備的成本降低，各國都在積極拓展VR技術的應用領域。我國于2016年由國務院印發(fā)的《國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略綱要》亦將此項技術列為戰(zhàn)略任務之一[2]。

1.2 VR技術應用領域

VR技術獨特的沉浸式體驗感使其很早便在軍事領域使用，1982年美國軍方開發(fā)了帶6個自由度跟蹤定位的VR類型頭戴設備，用于向訓練士兵展示不同的作戰(zhàn)環(huán)境[3]。美國國家航空和宇宙航行局（NASA）在20世紀80年代中后期開啟虛擬交互環(huán)境工作站（VIEW）項目用于外太空空間探索，而該項目最早其實是為了美軍的軍事模擬訓練而開發(fā)的[4]。在設計規(guī)劃上，借由VR技術出色的展示效果，世界各國都開始將其應用在城市設計領域。近些年部分軟件廠商已經(jīng)開發(fā)出使用穿戴設備完成3D繪畫的應用，讓人跳脫平面設計的局限性，更直觀、高效地進行空間設計。而基于類似的使用原理，該技術在教育、醫(yī)療等領域也顯示出廣泛的應用前景。對于農(nóng)業(yè)領域而言，VR技術的引入帶來了諸如虛擬植物、虛擬動物等直觀模擬物種生長過程的技術。近幾年，觀光農(nóng)業(yè)也積極嘗試提供一些VR主題的農(nóng)場游覽項目，以求帶來新的產(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

中國農(nóng)業(yè)大學的石元春教授曾經(jīng)指出，計算機科學所帶來的新技術革命，將為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中存在的地域性變化、經(jīng)驗性差異和環(huán)境不可控等弱勢因素帶來全面改善[5]。虛擬農(nóng)業(yè)是以農(nóng)業(yè)領域為研究對象，采用先進的信息技術手段，利用計算機為平臺，完成研究對象和環(huán)境因素之間的相互作用，從而得出科研成果的一種技術。與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相比，虛擬農(nóng)業(yè)的高仿真性可以對現(xiàn)實環(huán)境進行真實還原。在農(nóng)業(yè)領域中的各個方面，大到農(nóng)場全景布局，小到植株葉片形態(tài)，都可以進行可視化的精準建模，之后通過計算機演算技術模擬后續(xù)的生長現(xiàn)象，再將數(shù)據(jù)生成場景回饋給使用者。這種研究方式降低了經(jīng)費使用，縮短科研周期，合理高效的利用了現(xiàn)有資源，在品種改良、設施利用、改善環(huán)境、增產(chǎn)增收等方面都有廣闊的應用前景。我國虛擬農(nóng)業(yè)尚處探索階段，目前主要集中在模擬植物生長的應用領域。

2.1 虛擬植物

所謂虛擬植物，是通過傳感器、攝像機等設備實地采集基礎數(shù)據(jù)后，應用計算機模擬植物在虛擬環(huán)境中的生長發(fā)育過程。該技術的核心理念為再現(xiàn)植物生長的形態(tài)結構變化，不管是直接建模還是演算生成的虛擬植株，其形態(tài)都符合植物生長規(guī)律。虛擬植物技術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植物生長影響的結果。同時，這項技術能將植物原本數(shù)年的生長周期用建模及演算模擬生長將其生長周期縮短至幾小時乃至幾分鐘呈現(xiàn)，從而不需要實際種植和漫長的等待過程，就可預測植株未來的生長狀況?？梢姡摂M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，是以植物個體為研究單元，通過個體間的相互作用來模擬植物群體的生長規(guī)律，對探明植物的生長與變異因素的交互作用有著重要的理論意義。它可以通過人為調(diào)整數(shù)據(jù)信息，改變生長環(huán)境，模擬栽種實驗，為最大限度地利用光、溫調(diào)控植株生長，篩選出適合育種目標要求的新品種提供理論依據(jù)。例如傳統(tǒng)的超級品種繁育需要進行大量雜交和株型改良測試，而虛擬植物可以制作不同品種的株型樣本，再將實際中植物生長的模式借用計算機處理成數(shù)據(jù)利用在模擬樣本上，最后根據(jù)生長結果選出理想株型，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對獼猴桃的品種改良進行研究[6]。

2.2 虛擬農(nóng)場

虛擬農(nóng)場最早主要是一種針對普通大眾的創(chuàng)新型農(nóng)場經(jīng)營模式，由曾經(jīng)在互聯(lián)網(wǎng)上流行多年的“偷菜游戲”延伸而來。它其實是一種特殊的農(nóng)產(chǎn)品認購形式，由農(nóng)場主在網(wǎng)上向普通民眾銷售成長中的作物，而被購買的作物將會繼續(xù)留在農(nóng)場中管理，用戶只要通過登錄自己的賬號，直接在互聯(lián)網(wǎng)上查看自己購買的作物的實時影像，同時可以在網(wǎng)上聯(lián)系農(nóng)場工作人員進行例如澆水或采摘等操作，作物的收成最后也會通過物流及時送至用戶家中。這類虛擬農(nóng)場大多以休閑農(nóng)業(yè)為主題，用戶可以隨時來實地參觀自己購買的作物和農(nóng)場全貌，這種既利用網(wǎng)絡監(jiān)控來確保食品安全，又結合參觀體驗做到了寓教于樂的農(nóng)場經(jīng)營模式備受推崇。

隨著VR技術的發(fā)展，農(nóng)技推廣領域產(chǎn)生了很多智能化農(nóng)業(yè)軟件系統(tǒng)，它們建立的教學式虛擬農(nóng)場，允許使用者在計算機上進行模擬種植管理，農(nóng)戶們不再需要研讀復雜的理論知識，累計高深的實踐經(jīng)驗，只需借助智能化設備觀察作物在不同條件影響下的動態(tài)生長過程，就能獲得第一手資料用于生產(chǎn)實踐。這種創(chuàng)新型學習方式能帶來深刻直觀的學習效果，是傳統(tǒng)農(nóng)技教學推廣所無法做到的。

2.3 可視化農(nóng)機設計

與傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機械設計相比，可視化農(nóng)機設計借助了數(shù)字化三維建模技術，將原本需要重復多次的修改模具和試組裝這個過程放在計算機里處理。根據(jù)產(chǎn)品需求，進行零件的三維圖像繪制，并在此基礎上進行虛擬組裝，組裝過程中出現(xiàn)的零部件差異，也可及時利用計算機修改。同時，設計者也可在虛擬的環(huán)境里對產(chǎn)品樣機進行檢測，在動態(tài)的環(huán)境下觀察樣機各項功能的使用情況，根據(jù)評估結果進行判斷，最終擬定設計方案[7]。

相比于平面設計，在三維可視化環(huán)境中，設計師能更好地將自己的構想清晰地表達出來。這項技術在滿足創(chuàng)新設計理念的基礎上，最大限度地保證了產(chǎn)品的可靠性。設計成果可以直接作為制造依據(jù)，從而減少模具耗材的開銷，縮短了后期的生產(chǎn)時間。

3 VR技術應用面臨的問題

虛擬現(xiàn)實是一項復雜的綜合集成技術，其產(chǎn)業(yè)覆蓋面廣、開發(fā)商多，所涉及到的硬件模塊、系統(tǒng)平臺和開發(fā)工具等，目前尚未有統(tǒng)一的行業(yè)標準，對不同接口間的兼容性問題還在逐步完善中。而且，民用的VR設備目前仍受硬件環(huán)境的限制，對大批量數(shù)據(jù)的處理仍存在計算速度不足、傳輸速率較慢和續(xù)航能力有限等影響，因此作為大規(guī)模投入應用仍需一段時間。

4 基于VR的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展趨勢

4.1 虛擬農(nóng)技培訓

虛擬農(nóng)技培訓是一項針對實驗室科研教學培訓延伸而來的輔助性技術，它改變了傳統(tǒng)的教學培訓手段，利用計算機處理聲音和圖像給受訓人員帶來直觀的學習效果。而將VR技術結合其中，提供了高仿真的儀器和實驗環(huán)境，并允許使用者通過聲控和手持設備與環(huán)境互動，逼真還原真實的實驗流程，有效提高了學員的觀察和動手能力，解決了農(nóng)業(yè)科研實驗室教學資源緊張的難題，調(diào)動了科研工作者的創(chuàng)新思維，提高了學習質(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，通過直產(chǎn)直銷的農(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實景平臺的虛擬都市農(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鍵盤進行操作，使不擅長使用電腦的市民也能足不出戶輕松購買，帶來更好的消費體驗，提升市民的生活品質(zhì)。

4.3 虛擬設施農(nóng)業(yè)

虛擬設施農(nóng)業(yè)主要是使用數(shù)字化的環(huán)境控制模塊對溫室進行遠程智能管理，并利用VR技術的視覺系統(tǒng)，將采集的數(shù)據(jù)輸出為圖像識別效果，對原有的設施農(nóng)業(yè)進行改進，改變了復雜且專業(yè)性強的操作流程，加強了信息實時采集和處理技術，最終建立一個高效集成的研究和工作環(huán)境，提高設施農(nóng)業(yè)的利用率。

5 結語

信息技術在農(nóng)業(yè)領域中不僅具有高效收集處理數(shù)據(jù)的能力，還帶來了更多創(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，利用先進的科學技術，為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)帶來了勃勃生機。在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展轉(zhuǎn)型的當下，虛擬農(nóng)業(yè)成為了體現(xiàn)一個國家農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平的標志之一[8]，而VR技術具有高交互性、沉浸式體驗及真實自主性等特點，不僅能很好地融入到現(xiàn)有的虛擬農(nóng)業(yè)應用中，還可以延伸出更多出色的研究方向。

虛擬現(xiàn)實技術的應用符合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展趨勢的要求，它在農(nóng)業(yè)科研分析中提供的動態(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實驗中節(jié)約了實驗時間，降低了經(jīng)費成本，極大提高了科研效率，為農(nóng)業(yè)基礎理論研究提供了可靠依據(jù)。我國積極探索VR技術在農(nóng)業(yè)科學中的應用，構建農(nóng)業(yè)信息化管理體系，進一步推動傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)方向發(fā)展。

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