智能交互式VR技術(shù)在智慧林業(yè)中的應(yīng)用研究

張科 葉影

如何以更少的人力、物資，更及時、準確、有效應(yīng)對森林安全問題，是智慧林業(yè)建設(shè)的關(guān)鍵所在。

虛擬現(xiàn)實亦作虛擬實境（Virtual Reality），簡稱VR，是利用電腦模擬產(chǎn)生一個三維空間的虛擬世界，提供參與者視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬并與之產(chǎn)生交互的行為。VR技術(shù)是計算機硬件、軟件、傳感、人工智能、心理學及地理科學發(fā)展的結(jié)晶。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展、多元信息技術(shù)的融合，VR技術(shù)也從簡單的實景（物）真實再現(xiàn)，提升到多元化智能交互式應(yīng)用，借助HMD（Head Mount Display頭戴式顯示器）、數(shù)據(jù)手套等設(shè)備進行交互，在交通、旅游、娛樂、房產(chǎn)等方面均已有較成熟的發(fā)展。

森林安全問題突發(fā)性強、破壞性大、處置救助較為困難，一旦發(fā)生就會造成不可挽回的經(jīng)濟損失，不但影響林區(qū)正常的生產(chǎn)生活秩序，還將破壞森林植被和生態(tài)系統(tǒng)，造成生態(tài)災(zāi)難。如何以更少的人力、物資，更及時、準確、有效應(yīng)對森林安全問題，是智慧林業(yè)建設(shè)的關(guān)鍵所在。災(zāi)害預(yù)警及撲救作為森林生態(tài)安全的研究熱點，在預(yù)警系統(tǒng)研建、災(zāi)害蔓延模擬、撲救指揮調(diào)度等方面國內(nèi)外均已有較完善的研究成果。在信息技術(shù)飛速發(fā)展的當今時代，森林安全問題的智慧化解決方案可從以下幾個方面入手：一是提升智慧預(yù)警手段，二是增強智慧應(yīng)急災(zāi)救，三是強化安全防范意識。

為研究森林安全問題的智慧化解決方案，探索VR技術(shù)在智慧林業(yè)上的應(yīng)用，浙江省林業(yè)信息宣傳中心以森林安全預(yù)警項目六期建設(shè)為基礎(chǔ)，將森林安全預(yù)警與VR深度融合作為突破口，利用VR技術(shù)可逼真模擬和再現(xiàn)災(zāi)害發(fā)生及處置全過程的特點，通過三維建模、交互式UI設(shè)計等，建立林業(yè)智能交互式體驗系統(tǒng)，模擬森林災(zāi)害預(yù)警及撲救，并擴展探索其與大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)的融合應(yīng)用。

警情多元化VR，提升智慧預(yù)警

空間信息可視化表達

選取具代表性的森林環(huán)境實景，利用該地地形地貌信息、航拍影像、遙感影像、實地相片采集等，采用全景2D紋理貼圖的方式繪制場景，建設(shè)VR空間場景，實現(xiàn)全景內(nèi)容觀看、虛擬場景模型漫游。當監(jiān)控系統(tǒng)接到報警時，可對警情地點實時定位，實時獲取該接警點位置信息。

地物地形直觀化展現(xiàn)

利用三維激光掃描方式、三維建模技術(shù)、OpenGL渲染技術(shù)，進行素材采集、建模、渲染，采集現(xiàn)場照片，并利用圖片、遙感影像，制作模型紋理，多維度再現(xiàn)地物信息。例如通過放大瀏覽觀看，獲取接警點植被類型。利用UE4引擎地形編輯模塊，三維仿真模擬不同地形場景，從而快速、直觀獲取地形特征、周邊緩沖區(qū)域等關(guān)鍵要素，有利于災(zāi)情研判、災(zāi)害影響分析、逃生路線選擇、撲救方案選取及部署。

多媒體信息擴充提示

充分結(jié)合文字、圖片、聲音、視頻、語音等多媒體形式，擴充警情信息提示方式。例如通過文字顯示接警點信息、通過圖片展示接警點位置、通過語音播報警情等，模擬場景煙霧、火勢、嘈雜聲、森林樹葉聲、動物叫聲、風聲、水流聲等，及其在特殊條件下的特殊聲音。

應(yīng)急VR模擬，建設(shè)智慧防撲

交互性VR，真實模擬森林火災(zāi)及防撲

在森林火災(zāi)中，復(fù)雜的地形、突變的火勢，都給消防人員帶來極大的威脅，而日常訓練中又不可能去真實再現(xiàn)火災(zāi)現(xiàn)場。通過模擬航空護林直升機、地面撲救隊等現(xiàn)場撲救，利用頭盔、可操作手柄等設(shè)備，設(shè)定各場景交互式流程，建立相應(yīng)人機交互式互動，通過交互性模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度，真實再現(xiàn)森林火災(zāi)撲救現(xiàn)場，宣傳森林火災(zāi)應(yīng)急知識，強化森林火災(zāi)安全意識。

大數(shù)據(jù)支撐，保障應(yīng)急方案合理部署

多年的森林安全問題實例、應(yīng)對措施、相關(guān)課題研究、安防系統(tǒng)應(yīng)用，為研究積累了海量的數(shù)據(jù)資源?；诖髷?shù)據(jù)分析森林安全多發(fā)事件、地點、根源、警情嚴重程度、常用方案選擇、災(zāi)情處置時間等，用數(shù)據(jù)指導(dǎo)應(yīng)急方案合理部署?；诖髷?shù)據(jù)分析，為重點防范區(qū)、重點防范事件設(shè)定，人力、物資、預(yù)警配套設(shè)施建設(shè)等提供支持。

智能化輔助，指導(dǎo)防救決策最優(yōu)選取

根據(jù)不同場景環(huán)境難度，結(jié)合各種不利因素，通過智能化分析、模擬對抗，給出合適的防救方案，實現(xiàn)各種救災(zāi)及撤離決策最優(yōu)選取，具有安全性、可重復(fù)性和經(jīng)濟性。

場景交互式體驗，深化安防意識

真實感訓練，提高森林災(zāi)害心理應(yīng)激

通過真實感模擬及沉浸式體驗，提高應(yīng)對森林災(zāi)害時的心理應(yīng)激能力。對于災(zāi)害救援人員，通過模擬各種危險地形、復(fù)雜環(huán)境、客觀干擾，訓練其復(fù)雜多變情況下的實戰(zhàn)能力。對于逃生人員，通過真實感十足的心理應(yīng)激訓練，消除其面對安全問題時的慌亂情緒，加強安全應(yīng)急應(yīng)對實踐，深化安防意識，普及森林安全知識。

沉浸式VR，增強林業(yè)資源保護意識

結(jié)合現(xiàn)有的林木、動植物特征數(shù)據(jù)，運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建VR珍稀林業(yè)資源。通過佩戴VR頭顯，進入逼真的自然環(huán)境，珍稀野生動植物就在眼前。用VR手柄點選林木、動植物，其相關(guān)信息、分布地區(qū)和特點逐一呈現(xiàn)。讓人們足不出戶720°觀賞珍稀林業(yè)資源的同時，增強林業(yè)資源保護意識。

運動感知性VR，體驗林業(yè)生態(tài)文化

多感知性是指除了一般計算機技術(shù)所具有的視覺感知之外，還有聽覺感知、力覺感知、觸覺感知、運動感知，甚至包括味覺感知、嗅覺感知等。在普通感知功能（視覺、聽覺、力覺）基礎(chǔ)上，添加運動感知功能，通過手柄操作，實現(xiàn)場景中運動體驗，宣傳林業(yè)生態(tài)文化，豐富林業(yè)生態(tài)文化交互式體驗方式。

新技術(shù)多元融合，助推智慧林業(yè)

充分利用當下技術(shù)前沿，結(jié)合浙江省林業(yè)工作重點及森林資源特點，以充分體現(xiàn)林業(yè)生態(tài)文化為原則，探索和嘗試VR技術(shù)在智慧林業(yè)上的深入應(yīng)用。由于目前設(shè)備及當前技術(shù)的限制，在以下方面仍存在較大探索空間。

與衛(wèi)星遙感技術(shù)結(jié)合的大體量應(yīng)用

以豐富的林業(yè)數(shù)據(jù)資源為依托，結(jié)合遙感技術(shù)、地面數(shù)據(jù)調(diào)查等，將專家知識、經(jīng)驗融入到人機交互模式中，然后對數(shù)據(jù)資源進行變換、疊加、分類等。在人機交互過程中，可以有效了解、掌握森林的空間特征、分布規(guī)律，以及管理方面的情況。由于數(shù)據(jù)量大、建模繁瑣等原因，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在大體量上的應(yīng)用一直處于摸索階段，大范圍場景虛擬再現(xiàn)應(yīng)用較多的是全景照片技術(shù)，國內(nèi)尚未出現(xiàn)較完善的例如美國Google earth等的大場景虛擬現(xiàn)實實例。

嘗試語音識別輸入的智能化應(yīng)用

語音輸入為用戶與虛擬環(huán)境交互提供了一種方便的方法。例如在森林災(zāi)害應(yīng)急管理上，通過野外巡防系統(tǒng)，語音上報災(zāi)害情況，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析成果，根據(jù)實際情況，提取決策知識，應(yīng)用語音識別技術(shù)，實現(xiàn)應(yīng)急指揮語音部署，系統(tǒng)通過語音識別，進而執(zhí)行相應(yīng)決策程序的功能。

結(jié)合三維激光掃描技術(shù)快捷建模

三維激光掃描技術(shù)又稱為“實景復(fù)制技術(shù)”，利用三維激光掃描技術(shù)進行大面積、高密度空間三維數(shù)據(jù)的采集，具有點位測量精度高、采集空間點的密度大、速度快等特點，為空間目標三維信息的獲取提供全新的技術(shù)手段。

展望智能交互式技術(shù)，探索多層面智能應(yīng)用

引入人工智能技術(shù)，推進VR智慧森防

利用傳感技術(shù)、衛(wèi)星定位、地理信息，結(jié)合人工智能等高新技術(shù)，研制物聯(lián)網(wǎng)森林智能防火系統(tǒng)，適用于城市森林、自然保護區(qū)、旅游景區(qū)等環(huán)境，對監(jiān)測區(qū)域?qū)崿F(xiàn)全數(shù)字、全覆蓋、全天候火情與盜伐監(jiān)測，可探測著火位置、蔓延面積、蔓延速度、蔓延方向和發(fā)展趨勢并自動化實時上報。通過大數(shù)據(jù)分析，研究火警產(chǎn)生后如何應(yīng)對處理，盡最大可能減少火災(zāi)造成的損失。

應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，促進林業(yè)電子商務(wù)

缺少真實感是制約林業(yè)電子商務(wù)的因素之一。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在林業(yè)電子商務(wù)上的應(yīng)用，能拉近買家與林產(chǎn)品商家的距離。通過應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，買家可以在網(wǎng)上立體地了解產(chǎn)品的外觀、結(jié)構(gòu)及功能，與商家進行實時交流。如買家對紅木家具感興趣，他不但可以多角度旋轉(zhuǎn)觀看家具外形，還可通過鼠標操作拆分家具，了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及性能。把這一技術(shù)應(yīng)用于電子商務(wù)，將能突破真實感對電子商務(wù)發(fā)展的制約，吸引更多的消費者接受及積極參與電子商務(wù)，促進電子商務(wù)的發(fā)展。

推廣應(yīng)用范圍，建設(shè)交互式森林沙盤

利用AR模擬沙盤技術(shù)，制作AR森林沙盤。使用者可在電子設(shè)備上選擇、調(diào)整樹種的種植，直觀樹種布置格局，有助于林業(yè)培植的合理規(guī)劃，減少不合理種植引起的原生樹木死亡、水土流失和土地荒漠化現(xiàn)象，以保護森林生態(tài)、促進林業(yè)資源穩(wěn)定持續(xù)發(fā)展。

創(chuàng)新交互式應(yīng)用，嘗試林業(yè)網(wǎng)上種植

VR技術(shù)亦可1：1地還原種植園地。人們藉由VR眼鏡進入虛擬種植園后，可選擇種子進行種植互動，了解樹果生產(chǎn)加工過程，體驗種植樂趣。讓人們無需蒞臨現(xiàn)場，便能考察生產(chǎn)環(huán)境，進而擴大品牌知名度，增加林木的銷售額。另外，AR（增強現(xiàn)實技術(shù)）林業(yè)系統(tǒng)也可通過加載顯示林木種植動畫，將對應(yīng)的幼苗培育、樹枝嫁接、病蟲害防治等種植技術(shù)通過動畫直觀展現(xiàn)。形象生動的VR/AR林業(yè)種植動畫比文字類栽培書刊更具傳播性，更有利于正確種植方法的推廣。

技術(shù)和作業(yè)相結(jié)合，研發(fā)VR林業(yè)作業(yè)系統(tǒng)

VR林業(yè)系統(tǒng)構(gòu)建林場生產(chǎn)環(huán)境，虛擬搭建伐木作業(yè)、集材作業(yè)和制材選材生產(chǎn)場景，涵蓋木材查詢、地圖指引、伐木方法、伐木機械操作指引等內(nèi)容，指導(dǎo)林業(yè)從事者辨材選材、安全伐木，使林業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營更高效、安全。

智能交互式VR技術(shù)可以逼真地模擬森林生態(tài)安全發(fā)生及處理的全過程，能夠有效地預(yù)防災(zāi)害發(fā)生及減少災(zāi)害發(fā)生帶來的損失。對森林安全問題的發(fā)展趨勢、環(huán)境規(guī)律與控制以及人員疏散進行數(shù)值模擬分析，并將結(jié)果應(yīng)用于森林安全應(yīng)急預(yù)案的編制中。對應(yīng)急預(yù)案及演練進行動態(tài)仿真，體現(xiàn)了數(shù)值模擬與仿真在森林生態(tài)安全防災(zāi)減災(zāi)中的重要作用。同時，采用VR技術(shù)，讓體驗者通過沉浸式體驗，切實感受森林生態(tài)文化，熱愛森林資源環(huán)境，自發(fā)性保護生態(tài)，對深化森林生態(tài)安全防災(zāi)減災(zāi)的研究及林業(yè)生態(tài)文化傳播有重要意義，為構(gòu)建森林生態(tài)安全體系提供了必要的支持。我中心將基于現(xiàn)有調(diào)研及探索建設(shè)成果，繼續(xù)深入研究智能交互式VR技術(shù)在智慧林業(yè)中的應(yīng)用，以應(yīng)用創(chuàng)新提高林業(yè)生產(chǎn)，以智慧化監(jiān)管林業(yè)生態(tài)安全，切實推動林業(yè)信息化、現(xiàn)代化、智能化進程。

（作者單位：浙江省林業(yè)信息宣傳中心）