“VR技術”在現代農業發展中的應用展望

王超 陳文靜 李晗林

摘 要：隨著信息時代的到來，現代科學在傳統農業中的運用越來越廣泛，高新科技對現代農業的規模化、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”，虛擬現實技術正經歷著前所未有的發展。該文簡要介紹了VR技術的概念和應用領域，論述了虛擬農業的發展現狀，對VR技術在現代農業中的應用前景進行了展望。

關鍵詞：虛擬現實；現代農業；虛擬農業

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，作為國民經濟基礎的農業正經歷著突飛猛進的變化，使用現代科學與工業相結合的管理模式已成為傳統農業向現代農業轉變發展的主要手段。黨十八大提出“扶持三農”政策的同時，對現代農業的前景給予了很高的關注。近年來，隨著“互聯網+”的出現，現代要素與新興科技頻繁地出現在農業生產中，不僅加快了我國農村信息化建設，也衍生出更多創新型農業發展模式。“虛擬農業”的概念被列入國家863先期啟動計劃，成為農業科研的一個重要方向。

1 VR技術的發展概況

1.1 VR技術概念

計算機技術的發展可以簡單概括為從單純使用代碼命令執行程序，到運用鍵盤鼠標作為輸入設備制作圖像數據的過程。基于對計算機使用體驗的追求，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）譯為虛擬現實，是一項使用3D渲染來制造操作環境，借助計算機的人機交互功能來實現使用者與所處環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費限制，只少量存在于軍工領域內。2012年Oculus公司通過眾籌，成功開展了公司旗下VR設備的開發計劃。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年由國務院印發的《國家創新驅動發展戰略綱要》亦將此項技術列為戰略任務之一[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環境[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的[4]。在設計規劃上，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開發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、醫療等領域也顯示出廣泛的應用前景。對于農業領域而言，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，觀光農業也積極嘗試提供一些VR主題的農場游覽項目，以求帶來新的產業效益，虛擬農業的形式正廣泛被普通大眾所接受。

2 虛擬農業發展現狀

中國農業大學的石元春教授曾經指出，計算機科學所帶來的新技術革命，將為傳統農業生產中存在的地域性變化、經驗性差異和環境不可控等弱勢因素帶來全面改善[5]。虛擬農業是以農業領域為研究對象，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。與傳統農業相比，虛擬農業的高仿真性可以對現實環境進行真實還原。在農業領域中的各個方面，大到農場全景布局，小到植株葉片形態，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的生長現象，再將數據生成場景回饋給使用者。這種研究方式降低了經費使用，縮短科研周期，合理高效的利用了現有資源，在品種改良、設施利用、改善環境、增產增收等方面都有廣闊的應用前景。我國虛擬農業尚處探索階段，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據后，應用計算機模擬植物在虛擬環境中的生長發育過程。該技術的核心理念為再現植物生長的形態結構變化，不管是直接建模還是演算生成的虛擬植株，其形態都符合植物生長規律。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，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。可見，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。它可以通過人為調整數據信息，改變生長環境，模擬栽種實驗，為最大限度地利用光、溫調控植株生長，篩選出適合育種目標要求的新品種提供理論依據。例如傳統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據利用在模擬樣本上，最后根據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 虛擬農場

虛擬農場最早主要是一種針對普通大眾的創新型農場經營模式，由曾經在互聯網上流行多年的“偷菜游戲”延伸而來。它其實是一種特殊的農產品認購形式，由農場主在網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留在農場中管理，用戶只要通過登錄自己的賬號，直接在互聯網上查看自己購買的作物的實時影像，同時可以在網上聯系農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。這類虛擬農場大多以休閑農業為主題，用戶可以隨時來實地參觀自己購買的作物和農場全貌，這種既利用網絡監控來確保食品安全，又結合參觀體驗做到了寓教于樂的農場經營模式備受推崇。

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

2.3 可視化農機設計

與傳統的農業機械設計相比，可視化農機設計借助了數字化三維建模技術，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。根據產品需求，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境里對產品樣機進行檢測，在動態的環境下觀察樣機各項功能的使用情況，根據評估結果進行判斷，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。這項技術在滿足創新設計理念的基礎上，最大限度地保證了產品的可靠性。設計成果可以直接作為制造依據，從而減少模具耗材的開銷，縮短了后期的生產時間。

3 VR技術應用面臨的問題

虛擬現實是一項復雜的綜合集成技術，其產業覆蓋面廣、開發商多，所涉及到的硬件模塊、系統平臺和開發工具等，目前尚未有統一的行業標準，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境的限制，對大批量數據的處理仍存在計算速度不足、傳輸速率較慢和續航能力有限等影響，因此作為大規模投入應用仍需一段時間。

4 基于VR的現代農業發展趨勢

4.1 虛擬農技培訓

虛擬農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境，并允許使用者通過聲控和手持設備與環境互動，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，解決了農業科研實驗室教學資源緊張的難題，調動了科研工作者的創新思維，提高了學習質量。

4.2 虛擬都市農業

虛擬都市農業是以綠色農業為主旨，利用現代化信息手段，通過直產直銷的農產品網上交易模式，減少流通成本，提供食品溯源，保證食品安全。與傳統的電商型都市農業相比，搭載VR實景平臺的虛擬都市農業，能將產品規格信息圖像化，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。

4.3 虛擬設施農業

虛擬設施農業主要是使用數字化的環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，將采集的數據輸出為圖像識別效果，對原有的設施農業進行改進，改變了復雜且專業性強的操作流程，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境，提高設施農業的利用率。

5 結語

信息技術在農業領域中不僅具有高效收集處理數據的能力，還帶來了更多創新型農業研究方法。虛擬農業作為一種全新的農業理念，利用先進的科學技術，為傳統農業帶來了勃勃生機。在農業現代化發展轉型的當下，虛擬農業成為了體現一個國家農業現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有的虛擬農業應用中，還可以延伸出更多出色的研究方向。

虛擬現實技術的應用符合現代農業發展趨勢的要求，它在農業科研分析中提供的動態參數可視化功能，充分發揮了科研工作者的想像力，一改傳統農業難以定量化研究的情況。它的高仿真性在教學實驗中節約了實驗時間，降低了經費成本，極大提高了科研效率，為農業基礎理論研究提供了可靠依據。我國積極探索VR技術在農業科學中的應用，構建農業信息化管理體系，進一步推動傳統農業向現代化農業方向發展。

參考文獻：

[1]李旭芬. “VR技術”對數字圖書館的影響極其發展策略研究[J]. 農業圖書情報學刊，2014，26（10）：40-41.

[2]《單片機與嵌入式系統應用》編輯部. 讓VR產業由愿景到成熟應用的技術有哪些？[J]. 計算機與網絡，2016，16（8）：1-2.

[3]王金旺. VR產業預測及技術市場態勢[J]. 電子產品世界，2016，23（11）：4-6，23.

[4]鄒湘軍，孫健，何漢武，等. 虛擬現實技術的演變發展與展望[J]. 系統仿真學報，2004（9）：1905-1909.

[5]王昊鵬，劉旺盛，潘彤. 利用虛擬農業的虛擬現實研究[J].電腦編程技巧與維護，2009（6）：84-86.

[6]顧祝軍，曾志遠. 虛擬現實技術在我國農業現代化中的應用[J]. 農機化研究，2005（1）：12-14.

[7]宗曉杰，房俊龍，吳亞春，等. 現代農業機械產品設計中VR/可視化技術的應用[J]. 農機化研究，2003（3）：173-174.

[8]羅演，黃紅星，李靜紅，等. 基于Web3D虛擬現實技術在農業技術推廣中的前景分析[J]. 農業網絡信息，2014（5）：25-29.