基于虚拟现实技术的高校农业气象观测仿真系统建设

杨庆怡,田 韬

(1.兰州资源环境职业技术大学 甘肃,兰州 730021;2.中国人民解放军93811部队 甘肃,兰州 730000)

目前,信息技术领域的飞速发展,极大的改变了人们的生活和工作方式,虚拟现实技术(Virtual Reality,简称 VR)就是该领域的一项最新技术之一。虽然虚拟现实技术起源于航空航天及军事等领域,但近些年来伴随虚拟现实技术的不断发展和成熟,该技术已经广泛的应用于教育、医疗、通讯、交通等方面,成为最新一代的技术热点。

农业气象观测是我国气象行业的一项基本任务,主要工作是观测气象要素(光照、温度、降水及极端气象灾害)和农作物生长发育基本指标(植株高度、密度、产量特征等),通过观测数值分析气象要素对农作物生长发育的影响,旨在以此基础上进一步开展农业气象服务。可见,精准的农业气象观测是开展科学、优质农业气象服务的基础。

1 虚拟现实技术应用的现状及趋势

1.1 军事

美军自1982年就研发了基于VR技术的虚拟对抗作战系统SIMNET (Simulation Network)用于训练坦克作战,该系统的研发和运用明显降低了训练费用,而且较实际演练有更好的安全性及环境友好性。发现虚拟现实技术在军事训练中的优势后, 美军耗资10亿美元在20世纪90年代又建成近战战术训练系统 (CCTT) ;到21世纪,持续开发和建设了任务支援系统 (AFMSS) 和特种部队演习系统 (SOFPARS) ,还同步研发VR联合军兵种战术训练仿真器,虚拟作战资源搭建和应用已成为军事训练中的热门技术。飞行员在真实飞行训练前,可在虚拟仿真的模拟仓中,熟悉不同环境和条件下的操作规程、应对措施等。虚拟仿真的飞行训练能给飞行员真实的场景感受,并且每个训练的场景都可以多次重复使用和练习,相较于真实的飞行训练,降低了飞行员飞行培训的成本。除了军事训练和培训之外,武器的研制和开发也应用到虚拟仿真技术,通过VR技术手段构建的刚体弹道模型,能更好的进行飞行弹道的模拟,从而实现对弹道飞行状态更好的理解,便于武器研发和精准的应用。现在越来越多的虚拟现实技术应用与军事训练、对抗演习和武器研制等方面,助力军事科技的进一步发展。

1.2 交通

在道路交通领域的研究中,针对道路交通中出现的诸多问题,如:排队、停车、环岛、交通管控等,VR技术能实现对于交通中出现的各种现象进行直观的展现。此外,还能表现详细的交通行为、现象和行为综合描述,如速度、出行时间、公交管制、噪声等方面的微观指标,进而实现对道路交通的具体分析和研究,为解决机动车驾驶行为、非机动车道路行为动作的描述及行人等对道路交通流动模型的建立。部分学者还针对交通中出现的特殊行为,例如强制车道变换和任意车道变换来建立模型开展研究,以及基于此研究科学合理的规划道路交通管理措施提供科学的依据。VR技术与地理信息系统技术(GIS)相结合开展更大规模和微观的交通领域的应用,如在VR-GIS技术基础上开发城市微观交通仿真系统,GIS和VR结合为项目和管控措施的可行性研究、管制措施的实时效果及管制方案的选择、优化等提供详细科学的分析,且有直观逼真的呈现、实时交互的一个三维操作管理界面。

1.3 医疗

医疗培训中会存在很多无法利用活体病人进行研究培训的情景,或者是存在一定危险性的治疗手段和技术的学习,借助虚拟现实技术就可以为学员提供真实学习实训环境,例如心脏病理实验,为更好的学习病理知识和检查治疗手段创造学习条件。虚拟技术和计算机技术相结合还能应用于外科手术,如:计算机辅助的骨科手术(CAOS),该系统能实现对人体肌肉骨骼结构进行显示和定位,应用在在骨科手术中对病人进行手术治疗。在在军事医学上,利用VR 创建的虚拟情景,还能对作战人员进行心理和技术双重额训练,对于战场伤员开展暴露疗法和康复训练等。由此可见,虚拟现实技术在医疗领域扮演着非常重要的角色,虚拟现实技术在医疗领域中广泛、深入的融合与应用,将会给传统医疗行业发展带来巨大的改变。

1.4 建筑

虚拟现实技术使得建筑设计的三维呈现成为现实,对于建筑物所在的周边环境、外貌景观、内部的装饰装潢和各种附属设施均能逼真呈现,并且用户能够深入这样的虚拟场景中实现“提前入住体验”,这就使得虚拟现实技术在建筑设计领域、建筑装修装潢和房地产领域很快成为了新的宠儿。有众多的房地产和装饰公司开发了VR虚拟看房系统,即使是预售房屋,在顾客进入系统后,可以到销售楼盘所在任意位置,了解和体会整体的小区环境、室内的空间格局以及基础设施的建设和配置情况,一草一木均能被环绕观察,相较于二位平面图和宣传册,更容易激发购房者的情感体会和购买欲望,对于建筑设计、销售、装饰装潢等的销售方面都具备强有力的推动作用。

1.5 教育

VR虚拟现实技术由于其强大的感官体验,在实际教学中可以使学生将更多的注意力投入到课堂中,通过设置相应的学习情境,让学生身临其境,获得更好的学习体验。将VR技术应用于教学中是现代教育发展的一个重大的突破。特别是在职业教育和培训领域,VR 对改善教学和培训环境、提高学生技能都将起到积极作用。通过创建虚拟环境,学生可以如同在真实环境中一样完成相应的学习和实训任务;不仅能激发学生的学习兴趣,还可以提高课堂教学效率。随着许多高校陆续展开虚拟现实实训中心的建设及资源开发,未来会有越来越多的课程引入虚拟现实技术开展教学工作。

2 虚拟现实技术广泛应用的主要优势

2.1 沉浸性

虚拟现实技术有四种不同的类型,分别是分布式虚拟现实(Distributed VR)、桌面式虚拟显示(Desktop VR)、增强虚拟现实(Augmented VR)和沉浸式虚拟现实(Immersive VR),其共同的特征都是利用技术手段实现对真实环境的虚拟创建,在创建的虚拟仿真的环境中,通过视觉画面上的显示、听觉音响上的再现、触觉感知上的模拟,营造出逼真的场景,给与用户沉浸式的真实体验;特别是沉浸式虚拟现实最为凸出和典型。如通过多维度投影墙搭建出完全沉浸的虚拟现实环境,用户配合使用配套的三维跟踪器,就能接触或操作环境中构建的三维物体,实现在虚拟环境中的漫游。或者用户也可以借助于VR虚拟眼镜给人眼造成的视差,从而给人带来伪3D感知和呈现效果,同样带给人沉浸式的体验感受,但相较多维度投影墙营造的虚拟环境和氛围而言,通过VR眼镜带来的沉浸式体验效果相对较差一些。

2.2 构想性

虚拟现实除了能对真实场景的虚拟再现外,还能兼容对虚拟仿真场景和环境的人为创造和改建,该项技术立足于真实环境,但又不局限于真实环境。以虚拟旅游为例,真实的旅游资源和自然景观往往与季节和天气有关,像著名的自然景观黄山云海、断桥残雪、烟雨江南等,若旅客真实旅行必然要有适宜的天气才能呈现出来;而通过搭建虚拟的旅游资源,用户的旅行体验不会受到目前所处季节的限制,打破了原有的时空限制,前一秒可以观看炎炎夏日里的海岛景观,后一秒就可以切换到白雪皑皑的北国风光。在一些科技展览和科幻场馆中,还有构建的虚拟太空空间站、宇宙星球、外星人等激发体验者的科学想象及对浩渺宇宙的探索精神。

2.3 交互性

虚拟现实技术能满足人机交互的沟通和操作体验,用户能够对虚拟仿真场景中的一些环节或者画面进行操作,同时虚拟环境也能根据用户的操作给与相应的反馈或者结果呈现。虚拟现实场景下的交互性特征使得虚拟环境更加真实之外,也给很多实际的庞大工作和操作练习提供了便捷;例如,在对于雷达、汽车等较大设备的装配人员培训中,操作规章流程的强化练习,仅仅使用单纯的文字、图片和视频等资源来帮助培训人员记忆操作要点是远远不够的,采用真实的机器来动手练习也会因为设备较大而使得学习速率减缓,培训效果不理想;若能引入虚拟现实的资源,培训人员就能在简单记忆后进行操作练习,并在每一步或总的操作后对于流程中存在的问题给与提示和汇总,帮助学员高效学习。

2.4 无污染、无破坏和可重复性

虚拟现实除了以上的技术特色外,还具有无污染、无破坏和可重复的优点。比如,通过虚拟仿真资源开展的军事演习,可以模拟和锻炼军队的作战思路和作战方法,但不会造成真正的轰炸和破坏,还能满足不同学员多次重复使用的需求。正是由于虚拟现实技术以上种种的优势,才能使其在各行各业中都备受青睐。

3 高校农业气象观测中的难点和痛点问题

农业气象工作依托于气象部门的国家级、省级、市级、县级四级机构开展,立足于各级部门面向区域农业发展的需要开展农业气象观测和服务工作,加之我们国家地域广阔,不同区域间气候条件差异大,农作物的种植生长和农业生产的种植制度、管理措施等不尽相同,使得高校和行业的农业气象观测及服务人才的教学和培训中出现一些问题。

3.1 面向作物类型多样,实践教学难兼顾

我国幅员辽阔气候特征复杂多样,从南部南沙群岛的热带气候到北部长白山脉的温寒带气候,农作物生长的品种类别差异极大,加之各地区的地形土壤土质的影响,各地区域农作物种类不尽相同;高校培养的农业气象观测和服务人才往往需要走向全国各地,这就使得高校的人才培养需要兼顾不同区域的农作物及农业气象服务需要,从而开展各区域具有代表性的农作物生长观测和服务的学习及实践。实际教学中,特别是在实践教学中,往往在校园实验室或者试验站内难以种植多样的作物种类,使得学生学习实践的条件受限。

3.2 作物生长周期过长,教学周期难匹配

对于常规的教学周期而言,一学期的时长在4个月左右,像生菜、小青菜等生长周期较短的叶菜类能在教学周期内完成整个作物全生育期的观测和服务实践。然而其他作物生长周期往往较长,像水稻、马铃薯、玉米等全生育期生长往往需要4个月以上的时间,冬小麦甚至需要越冬生长,生长周期跨年度完成,在有限的教学周期内难以完成全生育期的观测和服务实践练习,所以农业气象观测与服务教学中出现明显的短板。

3.3 极端气象灾害种类多,受灾状况难再现

农业气象观测和服务的重点工作就是开展农业气象灾害的预防和防御,如高温、干旱、霜冻、干热风、冷害、冻害等,然而在实际教学中这些气象灾害造成的影响及防御措施等难以实践模拟,即便在人工气候室中,可以对一些高温、干旱、干热风等进行模拟,但其对农作物影响效果的呈现还需要一定时间才能展现出来,各种灾害对于农作物造成的影响更是具有不可逆性,难以持续开展其他的试验模拟。使得实践教学中对于重点教学内容的实践教学出现空白,因此需要建设响应的资源来弥补目前的不足。

4 建设高校农业气象观测仿真系统的优势所在

针对以上重难点梳理以及结合目前虚拟现实技术的普遍开发和应用,建设基于虚拟现实技术的农业气象观测虚拟教学资源,通过虚拟自拟资源,构建实际教学实践中难以开展种植的作物类别,同时通过虚拟现实能实现不同作物全生育期的全流程的生长状况观测,使得农业气象观测的实践教学不再受限于有限的教学周期时长,并且在教学中能多次、反复的全生育期观测练习。更重要的是,可以在虚拟资源建设时建立各种极端气象灾害对作物造成的危害和影响,融合相应的农业气象灾害预防和防御措施,会很好的提高学习者农业气象防灾减灾的能力和素养。

随着国家乡村振兴战略的提出和气象科技兴农助农仿真的倡导,对能够服务于农业农村一线的农业气象服务人才需求进一步加大。这也意味着全社会对高校和气象部门农业气象人才培养的规格提出了全新的要求。在这种形势和背景之下,建设农业气象观测仿真系统对于改善高效和气象行业的农业气象人才培养环境,创造有利的实验实训条件有极大的帮助,对于农业气象服务人才的知识和技能水平的提升具有非常达的现实意义。