“VR技术”在现代农业发展中的应用展望

王超 陈文静 李晗林

摘 要：随着信息时代的到来，现代科学在传统农业中的运用越来越广泛，高新科技对现代农业的规模化、市场化和集约化都起到了积极的推动作用。2016年被媒体称为“VR元年”，虚拟现实技术正经历着前所未有的发展。该文简要介绍了VR技术的概念和应用领域，论述了虚拟农业的发展现状，对VR技术在现代农业中的应用前景进行了展望。

关键词：虚拟现实；现代农业；虚拟农业

中图分类号：S188文献标志码：A文章编号：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世纪人类跨入信息化时代后，作为国民经济基础的农业正经历着突飞猛进的变化，使用现代科学与工业相结合的管理模式已成为传统农业向现代农业转变发展的主要手段。党十八大提出“扶持三农”政策的同时，对现代农业的前景给予了很高的关注。近年来，随着“互联网+”的出现，现代要素与新兴科技频繁地出现在农业生产中，不仅加快了我国农村信息化建设，也衍生出更多创新型农业发展模式。“虚拟农业”的概念被列入国家863先期启动计划，成为农业科研的一个重要方向。

1 VR技术的发展概况

1.1 VR技术概念

计算机技术的发展可以简单概括为从单纯使用代码命令执行程序，到运用键盘鼠标作为输入设备制作图像数据的过程。基于对计算机使用体验的追求，人类不断朝着如何将自然行为融合进计算机程序这个方向前进，在这个过程中产生了诸如3D全息投影、触屏响应、智能声控和手势感应操作等新兴技术。

VR（Virtual Reality）译为虚拟现实，是一项使用3D渲染来制造操作环境，借助计算机的人机交互功能来实现使用者与所处环境间的指令互动的综合集成技术。VR一词诞生于20世纪中后期，并在2008年被美国国家工程院定义为21世纪工程学面临的14项重大议题之一[1]。该技术早前受硬件等经费限制，只少量存在于军工领域内。2012年Oculus公司通过众筹，成功开展了公司旗下VR设备的开发计划。近几年，随着智能化设备的成本降低，各国都在积极拓展VR技术的应用领域。我国于2016年由国务院印发的《国家创新驱动发展战略纲要》亦将此项技术列为战略任务之一[2]。

1.2 VR技术应用领域

VR技术独特的沉浸式体验感使其很早便在军事领域使用，1982年美国军方开发了带6个自由度跟踪定位的VR类型头戴设备，用于向训练士兵展示不同的作战环境[3]。美国国家航空和宇宙航行局（NASA）在20世纪80年代中后期开启虚拟交互环境工作站（VIEW）项目用于外太空空间探索，而该项目最早其实是为了美军的军事模拟训练而开发的[4]。在设计规划上，借由VR技术出色的展示效果，世界各国都开始将其应用在城市设计领域。近些年部分软件厂商已经开发出使用穿戴设备完成3D绘画的应用，让人跳脱平面设计的局限性，更直观、高效地进行空间设计。而基于类似的使用原理，该技术在教育、医疗等领域也显示出广泛的应用前景。对于农业领域而言，VR技术的引入带来了诸如虚拟植物、虚拟动物等直观模拟物种生长过程的技术。近几年，观光農业也积极尝试提供一些VR主题的农场游览项目，以求带来新的产业效益，虚拟农业的形式正广泛被普通大众所接受。

2 虚拟农业发展现状

中国农业大学的石元春教授曾经指出，计算机科学所带来的新技术革命，将为传统农业生产中存在的地域性变化、经验性差异和环境不可控等弱势因素带来全面改善[5]。虚拟农业是以农业领域为研究对象，采用先进的信息技术手段，利用计算机为平台，完成研究对象和环境因素之间的相互作用，从而得出科研成果的一种技术。与传统农业相比，虚拟农业的高仿真性可以对现实环境进行真实还原。在农业领域中的各个方面，大到农场全景布局，小到植株叶片形态，都可以进行可视化的精准建模，之后通过计算机演算技术模拟后续的生长现象，再将数据生成场景回馈给使用者。这种研究方式降低了经费使用，缩短科研周期，合理高效的利用了现有资源，在品种改良、设施利用、改善环境、增产增收等方面都有广阔的应用前景。我国虚拟农业尚处探索阶段，目前主要集中在模拟植物生长的应用领域。

2.1 虚拟植物

所谓虚拟植物，是通过传感器、摄像机等设备实地采集基础数据后，应用计算机模拟植物在虚拟环境中的生长发育过程。该技术的核心理念为再现植物生长的形态结构变化，不管是直接建模还是演算生成的虚拟植株，其形态都符合植物生长规律。虚拟植物技术所具有的高可视化特征能更好地帮助人们直观理解各因素对植物生长影响的结果。同时，这项技术能将植物原本数年的生长周期用建模及演算模拟生长将其生长周期缩短至几小时乃至几分钟呈现，从而不需要实际种植和漫长的等待过程，就可预测植株未来的生长状况。可见，虚拟植物研究将极大降低科研成本，提高研究效率。

虚拟植物研究，是以植物个体为研究单元，通过个体间的相互作用来模拟植物群体的生长规律，对探明植物的生长与变异因素的交互作用有着重要的理论意义。它可以通过人为调整数据信息，改变生长环境，模拟栽种实验，为最大限度地利用光、温调控植株生长，筛选出适合育种目标要求的新品种提供理论依据。例如传统的超级品种繁育需要进行大量杂交和株型改良测试，而虚拟植物可以制作不同品种的株型样本，再将实际中植物生长的模式借用计算机处理成数据利用在模拟样本上，最后根据生长结果选出理想株型，从而减少育种方向的盲目性。新西兰Hort研究所就曾利用该技术对猕猴桃的品种改良进行研究[6]。

2.2 虚拟农场

虛拟农场最早主要是一种针对普通大众的创新型农场经营模式，由曾经在互联网上流行多年的“偷菜游戏”延伸而来。它其实是一种特殊的农产品认购形式，由农场主在网上向普通民众销售成长中的作物，而被购买的作物将会继续留在农场中管理，用户只要通过登录自己的账号，直接在互联网上查看自己购买的作物的实时影像，同时可以在网上联系农场工作人员进行例如浇水或采摘等操作，作物的收成最后也会通过物流及时送至用户家中。这类虚拟农场大多以休闲农业为主题，用户可以随时来实地参观自己购买的作物和农场全貌，这种既利用网络监控来确保食品安全，又结合参观体验做到了寓教于乐的农场经营模式备受推崇。

随着VR技术的发展，农技推广领域产生了很多智能化农业软件系统，它们建立的教学式虚拟农场，允许使用者在计算机上进行模拟种植管理，农户们不再需要研读复杂的理论知识，累计高深的实践经验，只需借助智能化设备观察作物在不同条件影响下的动态生长过程，就能获得第一手资料用于生产实践。这种创新型学习方式能带来深刻直观的学习效果，是传统农技教学推广所无法做到的。

2.3 可视化农机设计

与传统的农业机械设计相比，可视化农机设计借助了数字化三维建模技术，将原本需要重复多次的修改模具和试组装这个过程放在计算机里处理。根据产品需求，进行零件的三维图像绘制，并在此基础上进行虚拟组装，组装过程中出现的零部件差异，也可及时利用计算机修改。同时，设计者也可在虚拟的环境里对产品样机进行检测，在动态的环境下观察样机各项功能的使用情况，根据评估结果进行判断，最终拟定设计方案[7]。

相比于平面设计，在三维可视化环境中，设计师能更好地将自己的构想清晰地表达出来。这项技术在满足创新设计理念的基础上，最大限度地保证了产品的可靠性。设计成果可以直接作为制造依据，从而减少模具耗材的开销，缩短了后期的生产时间。

3 VR技术应用面临的问题

虚拟现实是一项复杂的综合集成技术，其产业覆盖面广、开发商多，所涉及到的硬件模块、系统平台和开发工具等，目前尚未有统一的行业标准，对不同接口间的兼容性问题还在逐步完善中。而且，民用的VR设备目前仍受硬件环境的限制，对大批量数据的处理仍存在计算速度不足、传输速率较慢和续航能力有限等影响，因此作为大规模投入应用仍需一段时间。

4 基于VR的现代农业发展趋势

4.1 虚拟农技培训

虚拟农技培训是一项针对实验室科研教学培训延伸而来的辅助性技术，它改变了传统的教学培训手段，利用计算机处理声音和图像给受训人员带来直观的学习效果。而将VR技术结合其中，提供了高仿真的仪器和实验环境，并允许使用者通过声控和手持设备与环境互动，逼真还原真实的实验流程，有效提高了学员的观察和动手能力，解决了农业科研实验室教学资源紧张的难题，调动了科研工作者的创新思维，提高了学习质量。

4.2 虚拟都市农业

虚拟都市农业是以绿色农业为主旨，利用现代化信息手段，通过直产直销的农产品网上交易模式，减少流通成本，提供食品溯源，保证食品安全。与传统的电商型都市农业相比，搭载VR实景平台的虚拟都市农业，能将产品规格信息图像化，用人手触碰代替鼠标键盘进行操作，使不擅长使用电脑的市民也能足不出户轻松购买，带来更好的消费体验，提升市民的生活品质。

4.3 虚拟设施农业

虚拟设施农业主要是使用数字化的环境控制模块对温室进行远程智能管理，并利用VR技术的视觉系统，将采集的数据输出为图像识别效果，对原有的设施农业进行改进，改变了复杂且专业性强的操作流程，加强了信息实时采集和处理技术，最终建立一个高效集成的研究和工作环境，提高设施农业的利用率。

5 结语

信息技术在农业领域中不仅具有高效收集处理数据的能力，还带来了更多创新型农业研究方法。虚拟农业作为一种全新的农业理念，利用先进的科学技术，为传统农业带来了勃勃生机。在农业现代化发展转型的当下，虚拟农业成为了体现一个国家农业现代化水平的标志之一[8]，而VR技术具有高交互性、沉浸式体验及真实自主性等特点，不仅能很好地融入到现有的虚拟农业应用中，还可以延伸出更多出色的研究方向。

虚拟现实技术的应用符合现代农业发展趋势的要求，它在农业科研分析中提供的动态参数可视化功能，充分发挥了科研工作者的想像力，一改传统农业难以定量化研究的情况。它的高仿真性在教学实验中节约了实验时间，降低了经费成本，极大提高了科研效率，为农业基础理论研究提供了可靠依据。我国积极探索VR技术在农业科学中的应用，构建农业信息化管理体系，进一步推动传统农业向现代化农业方向发展。

参考文献：

[1]李旭芬. “VR技术”对数字图书馆的影响极其发展策略研究[J]. 农业图书情报学刊，2014，26（10）：40-41.

[2]《单片机与嵌入式系统应用》编辑部. 让VR产业由愿景到成熟应用的技术有哪些？[J]. 计算机与网络，2016，16（8）：1-2.

[3]王金旺. VR产业预测及技术市场态势[J]. 电子产品世界，2016，23（11）：4-6，23.

[4]邹湘军，孙健，何汉武，等. 虚拟现实技术的演变发展与展望[J]. 系统仿真学报，2004（9）：1905-1909.

[5]王昊鹏，刘旺盛，潘彤. 利用虚拟农业的虚拟现实研究[J].电脑编程技巧与维护，2009（6）：84-86.

[6]顾祝军，曾志远. 虚拟现实技术在我国农业现代化中的应用[J]. 农机化研究，2005（1）：12-14.

[7]宗晓杰，房俊龙，吴亚春，等. 现代农业机械产品设计中VR/可视化技术的应用[J]. 农机化研究，2003（3）：173-174.

[8]罗演，黄红星，李静红，等. 基于Web3D虚拟现实技术在农业技术推广中的前景分析[J]. 农业网络信息，2014（5）：25-29.