虚拟现实(VR)技术在现代农业中的应用

张鹏

[摘           要]  目的：在现代农业中利用虚拟现实技术，开发农业虚拟资源，并融入农业生产与管理，为提升农业信息技术水平提供实践经验。方法：分析虚拟现实技术发展现状，提炼出三维实时建模技术、数据采集技术、立体显示和传感器技术、交互应用技术在现代农业中的应用途径，总结出软硬件条件建设的基本要求，并对应用前景进行展望。结论：虚拟现实技术不仅可以节约农业生产和管理成本，使其价值最大化，还可以很好地传承农耕文化，是当前农业信息化发展的新趋势和方向。

[关    键   词]  虚拟现实技术;农耕文化;现代农业;关键技术;应用

[中图分类号]  G712                 [文献标志码]  A              [文章编号]  2096-0603（2020）24-0188-02

自2016年以来，基于“产教融合”“互联网+农业”、人工智能等研究背景下，虚拟现实技术（VR）在各行各业快速发展，在农业相关领域应用也初现成效，主要体现在农牧业虚拟现实体验、展览展示、虚拟仿真、农业资源开发等。近年来，虚拟现实技术已成为智慧农业、数字农业发展研究的重点方向。2018年12月25日，工信部发布了《关于加快推进虚拟现实产业发展的指导意见》，在该政策指导下，虚拟现实技术在提升农业信息化水平方面起到了至关重要的作用，为现代农业经济及其衍生产品的开发提供了创新思路，如虚拟农耕文化体验，包含虚拟农场种植、经营、管理、采摘、交易、虚拟动物养殖与解剖、现代农业科普教育等，这些都成为现代农业经济发展新的经济增长点。

一、虚拟现实技术（Virtual Reality）概述

VR（Virtual Reality 虚拟现实，含增强现实AR、混合现实MR），融合应用新型显示、传感器、眼动仪、人工智能和大数据等领域技术，能够拓展人类的感知边界，改变商业形态和服务模式。[1]虚拟现实（VR）技术作为当前最热门的计算机应用技术，综合了计算机图形技术、多媒体技术、人机交互技术、网络技术、三维技术、显示技术等，核心是三维建模与仿真技术、人机交互技术，利用计算机多维信息空间，创建一个虚拟信息环境，使人有身临其境的沉浸式体验，利用红外线或者VR专用硬件设备，实现人机互动，完成系列虚拟动作。虚拟现实技术能够全方位调动体验者的视觉、听觉、触觉、嗅觉等感观。

二、国内外虚拟现实技术在农业领域的发展现状

现代农业是信息技术与大农业深度融合的产物，由于涉及的学科众多，需要投入大量的人力、财力，包括高水平的三维技术人才、程序设计人才、农业专家等。它充分应用计算机网络技术、移动网络技术、物联网技术、传感技术、音视频技术、无线通信技术等，结合农业专家智慧知识，实现农业远程可视化诊断、控制、预警、治疗等管理。[2]我国在1996年11月国家“863计划”中提出了虚拟农业的概念，并将虚拟农业列为“863”先期启动计划。从当前各行各业应用情况来看，VR技术在农业信息化应用中有部分研究属于初级应用研究，例如在农业虚拟实验室中的应用、在农业机器人操作上的应用。

从国际上来看，1968年荷兰生物和植物学家Aristid Lindenmayer提出的L-系统[3]，其主要用于植物生长过程建模;美国的Clausnitzer和Hopmans利用有限元的方法进行了三维根的生长和瞬时土壤水流的模拟建模[4]，并编程实现了模型。法国农业开发国际研究中心研制了AMAP（Advanced Modeling of Architecture of Plant）模型。但这些模型缺乏生物学特性，忽视了环境方面的问题，不适合在农业中应用。

三、虚拟现实关键技术在现代农业中的应用途径

虚拟现实的主要技术趋势是在“边缘”（收集数据的源头），而不是集中在云中进行数据处理和分析。[5]虚拟现实在现代农业中如何有效地应用，其关键技术主要包含植物生长模型，水、肥、温度、湿度、有机质、病虫害等环境的建立，根据植物叶片颜色、生长状态的变化来诊断病虫害以及自动防御等。在休闲农业、观光农业、都市农业领域，如何利用虚拟现实技术，让体验者百分百深入沉浸式体验，感受作物栽种、管理、观光、采摘等。

（一）三维实时建模技术

三维实时建模的关键技术包含动态环境建模技术、动态场景实时绘制技术、沉浸式三维动作捕捉系统、虚拟摄影棚技术（图像抠像技术）等。动态环境建模技术在计算机图形学中，指获取实际环境的三维数据，并根据应用的需求建立相应的虚拟环境模型。应用Agisoft Photoscan Professional 三维重建软件，利用多视图三维重建技术，对搜集到的农业特征平面素材生成真实坐标的三维模型。

（二）數据采集技术

在现代农业应用中，数据获取主要有静态、动态及三维重建三个途径。根据农作物的生长过程、病虫害高发期、不同病虫害图片特征，分别采集图片样本，便于后期虚拟资源库制作。例如茄子生长期综合管理，在数据采集时就需要分为三个部分，即定植前管理（包含温度、湿度、立枯病、萃倒病、蚜虫）、结果前期管理（包含温度、湿度、稳株、搭建高产骨架、整枝、水费管理）、结果盛期管理（包含水肥供应、光照、褐纹病、绵疫病、白粉虱、黄萎病等），采集丰富的生长、病例特征资源，利用三维实时建模技术，进行资源库的建立。

（三）立体显示和传感器技术

立体显示主要是基于人的视觉系统，从侧视网膜图象差、运动视差、图象大小差异、纹理梯度四个方面得到深度知觉的。目前立体显示技术都是基于双目视差来实现的。

现代农业的核心技术是农业物联网技术的应用，其中传感器的研发是核心。在众多传感器中，光纤传感器、无线传感器由于成本低、组网节点丰富且安全可靠，可以有效对土壤含水量、温度、湿度、pH值、二氧化碳浓度等进行实时监控。实时更新的数据能对虚拟现实模拟仿真提供精确的参考数据，把捕捉到的数据信息植入虚拟现实场景中，达到还原现实的效果。

（四）交互应用技术

当前主流的虚拟现实交互开发平台主要有Unity 3D（效果优势、开发便捷性、硬件系统适应性，适合2～20人团队），Unreal 4和CryEngine（大型游戏引擎，效果逼真，但开发周期长），Virtools、 EON、Quest3D（比较早期的引擎，硬件支持相对完善）。重要的技术指标为视觉、触觉、头部跟踪、延迟跟踪、GPU性能标准、真实感。

四、虚拟现实体验条件建设的基本要求

（一）硬件条件建设

室内虚拟体验场地最低要求为80m2，室外场地根据实际需求情况而定。智能温室大棚、高清摄像头、智能传感器、网络及相关设备、高性能计算机、视觉现实设备（如3D展示系统、大型投影系统、头戴式立体显示器等）、声音设备（如三维声音系统以及非传统意义的立体声）、交互设备（如位置追踪仪、数据手套、3D输入设备、动作捕捉设备、眼动仪、力反馈设备以及其他交互设备）。

（二）软件条件建设

项目开发团队、管理团队组建，智能数据采集系统、图像识别系统、智能诊断系统、虚拟交互开发系统、引擎系统等，各自系统间要兼容。

五、结论

虚拟现实技术在现代农业中的应用是农业信息化发展的高级阶段，是农业经济发展创新模式和新的经济增长点，也是当前农耕文化体验、农耕文化科普教育最好的途径之一。虚拟现实技术在现代农业中的应用，不仅可以较好地节约农业生产成本，提高农产品质量和安全，还可以使农业衍生产品得到较好的开发利用，为地方经济文化建设服务，如乡村旅游、虚拟农场体验、农业文化创意等，这些都是未来现代农业发展前景非常好的项目。虽然目前只是小范围的实验，要大范围推广还面临许多现实问题需要解决，比如虚拟现实项目建设软硬件投入资金较大，涉及许多学科的交叉融合，如农业物联网技术、传感技术、农作物生产模型等。

参考文献：

[1]曹凡.国内外VR技术研发现状综述[J].中国科技信息，2019（5）：39-40.

[2]李晓兵，唐平，吴健.智慧农业的内涵及其发展存在的问题[J].现代农业科技，2018（20）：276，280.

[3]Przemyslaw prusinkiewics，Martin de boer. Obituary aristid Lindenmayer（1925-1989）[J].International Journal of General Systems，1991，18（4）：289-290.

[4]溫维亮，郭新宇，赵春江，等.作物根系构型三维探测与重建方法研究进展[J].中国农业科学，2015，48（3）：436-448.

[5]王莹，王金旺.VR/AR的核心技术突破[J].电子产品世界，2018，25（7）：12-15.

编辑 王海文