基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的高校農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)仿真系統(tǒng)建設(shè)

楊慶怡,田 韜

(1.蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)大學(xué) 甘肅,蘭州 730021;2.中國(guó)人民解放軍93811部隊(duì) 甘肅,蘭州 730000)

目前,信息技術(shù)領(lǐng)域的飛速發(fā)展,極大的改變了人們的生活和工作方式,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Virtual Reality,簡(jiǎn)稱 VR)就是該領(lǐng)域的一項(xiàng)最新技術(shù)之一。雖然虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)起源于航空航天及軍事等領(lǐng)域,但近些年來(lái)伴隨虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟,該技術(shù)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于教育、醫(yī)療、通訊、交通等方面,成為最新一代的技術(shù)熱點(diǎn)。

農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)是我國(guó)氣象行業(yè)的一項(xiàng)基本任務(wù),主要工作是觀測(cè)氣象要素(光照、溫度、降水及極端氣象災(zāi)害)和農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育基本指標(biāo)(植株高度、密度、產(chǎn)量特征等),通過(guò)觀測(cè)數(shù)值分析氣象要素對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育的影響,旨在以此基礎(chǔ)上進(jìn)一步開(kāi)展農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)。可見(jiàn),精準(zhǔn)的農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)是開(kāi)展科學(xué)、優(yōu)質(zhì)農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)的基礎(chǔ)。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用的現(xiàn)狀及趨勢(shì)

1.1 軍事

美軍自1982年就研發(fā)了基于VR技術(shù)的虛擬對(duì)抗作戰(zhàn)系統(tǒng)SIMNET (Simulation Network)用于訓(xùn)練坦克作戰(zhàn),該系統(tǒng)的研發(fā)和運(yùn)用明顯降低了訓(xùn)練費(fèi)用,而且較實(shí)際演練有更好的安全性及環(huán)境友好性。發(fā)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在軍事訓(xùn)練中的優(yōu)勢(shì)后, 美軍耗資10億美元在20世紀(jì)90年代又建成近戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng) (CCTT) ;到21世紀(jì),持續(xù)開(kāi)發(fā)和建設(shè)了任務(wù)支援系統(tǒng) (AFMSS) 和特種部隊(duì)演習(xí)系統(tǒng) (SOFPARS) ,還同步研發(fā)VR聯(lián)合軍兵種戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練仿真器,虛擬作戰(zhàn)資源搭建和應(yīng)用已成為軍事訓(xùn)練中的熱門技術(shù)。飛行員在真實(shí)飛行訓(xùn)練前,可在虛擬仿真的模擬倉(cāng)中,熟悉不同環(huán)境和條件下的操作規(guī)程、應(yīng)對(duì)措施等。虛擬仿真的飛行訓(xùn)練能給飛行員真實(shí)的場(chǎng)景感受,并且每個(gè)訓(xùn)練的場(chǎng)景都可以多次重復(fù)使用和練習(xí),相較于真實(shí)的飛行訓(xùn)練,降低了飛行員飛行培訓(xùn)的成本。除了軍事訓(xùn)練和培訓(xùn)之外,武器的研制和開(kāi)發(fā)也應(yīng)用到虛擬仿真技術(shù),通過(guò)VR技術(shù)手段構(gòu)建的剛體彈道模型,能更好的進(jìn)行飛行彈道的模擬,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)彈道飛行狀態(tài)更好的理解,便于武器研發(fā)和精準(zhǔn)的應(yīng)用。現(xiàn)在越來(lái)越多的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用與軍事訓(xùn)練、對(duì)抗演習(xí)和武器研制等方面,助力軍事科技的進(jìn)一步發(fā)展。

1.2 交通

在道路交通領(lǐng)域的研究中,針對(duì)道路交通中出現(xiàn)的諸多問(wèn)題,如:排隊(duì)、停車、環(huán)島、交通管控等,VR技術(shù)能實(shí)現(xiàn)對(duì)于交通中出現(xiàn)的各種現(xiàn)象進(jìn)行直觀的展現(xiàn)。此外,還能表現(xiàn)詳細(xì)的交通行為、現(xiàn)象和行為綜合描述,如速度、出行時(shí)間、公交管制、噪聲等方面的微觀指標(biāo),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)道路交通的具體分析和研究,為解決機(jī)動(dòng)車駕駛行為、非機(jī)動(dòng)車道路行為動(dòng)作的描述及行人等對(duì)道路交通流動(dòng)模型的建立。部分學(xué)者還針對(duì)交通中出現(xiàn)的特殊行為,例如強(qiáng)制車道變換和任意車道變換來(lái)建立模型開(kāi)展研究,以及基于此研究科學(xué)合理的規(guī)劃道路交通管理措施提供科學(xué)的依據(jù)。VR技術(shù)與地理信息系統(tǒng)技術(shù)(GIS)相結(jié)合開(kāi)展更大規(guī)模和微觀的交通領(lǐng)域的應(yīng)用,如在VR-GIS技術(shù)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)城市微觀交通仿真系統(tǒng),GIS和VR結(jié)合為項(xiàng)目和管控措施的可行性研究、管制措施的實(shí)時(shí)效果及管制方案的選擇、優(yōu)化等提供詳細(xì)科學(xué)的分析,且有直觀逼真的呈現(xiàn)、實(shí)時(shí)交互的一個(gè)三維操作管理界面。

1.3 醫(yī)療

醫(yī)療培訓(xùn)中會(huì)存在很多無(wú)法利用活體病人進(jìn)行研究培訓(xùn)的情景,或者是存在一定危險(xiǎn)性的治療手段和技術(shù)的學(xué)習(xí),借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)就可以為學(xué)員提供真實(shí)學(xué)習(xí)實(shí)訓(xùn)環(huán)境,例如心臟病理實(shí)驗(yàn),為更好的學(xué)習(xí)病理知識(shí)和檢查治療手段創(chuàng)造學(xué)習(xí)條件。虛擬技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合還能應(yīng)用于外科手術(shù),如:計(jì)算機(jī)輔助的骨科手術(shù)(CAOS),該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)人體肌肉骨骼結(jié)構(gòu)進(jìn)行顯示和定位,應(yīng)用在在骨科手術(shù)中對(duì)病人進(jìn)行手術(shù)治療。在在軍事醫(yī)學(xué)上,利用VR 創(chuàng)建的虛擬情景,還能對(duì)作戰(zhàn)人員進(jìn)行心理和技術(shù)雙重額訓(xùn)練,對(duì)于戰(zhàn)場(chǎng)傷員開(kāi)展暴露療法和康復(fù)訓(xùn)練等。由此可見(jiàn),虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域扮演著非常重要的角色,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域中廣泛、深入的融合與應(yīng)用,將會(huì)給傳統(tǒng)醫(yī)療行業(yè)發(fā)展帶來(lái)巨大的改變。

1.4 建筑

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)使得建筑設(shè)計(jì)的三維呈現(xiàn)成為現(xiàn)實(shí),對(duì)于建筑物所在的周邊環(huán)境、外貌景觀、內(nèi)部的裝飾裝潢和各種附屬設(shè)施均能逼真呈現(xiàn),并且用戶能夠深入這樣的虛擬場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)“提前入住體驗(yàn)”,這就使得虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域、建筑裝修裝潢和房地產(chǎn)領(lǐng)域很快成為了新的寵兒。有眾多的房地產(chǎn)和裝飾公司開(kāi)發(fā)了VR虛擬看房系統(tǒng),即使是預(yù)售房屋,在顧客進(jìn)入系統(tǒng)后,可以到銷售樓盤所在任意位置,了解和體會(huì)整體的小區(qū)環(huán)境、室內(nèi)的空間格局以及基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和配置情況,一草一木均能被環(huán)繞觀察,相較于二位平面圖和宣傳冊(cè),更容易激發(fā)購(gòu)房者的情感體會(huì)和購(gòu)買欲望,對(duì)于建筑設(shè)計(jì)、銷售、裝飾裝潢等的銷售方面都具備強(qiáng)有力的推動(dòng)作用。

1.5 教育

VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)由于其強(qiáng)大的感官體驗(yàn),在實(shí)際教學(xué)中可以使學(xué)生將更多的注意力投入到課堂中,通過(guò)設(shè)置相應(yīng)的學(xué)習(xí)情境,讓學(xué)生身臨其境,獲得更好的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。將VR技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)中是現(xiàn)代教育發(fā)展的一個(gè)重大的突破。特別是在職業(yè)教育和培訓(xùn)領(lǐng)域,VR 對(duì)改善教學(xué)和培訓(xùn)環(huán)境、提高學(xué)生技能都將起到積極作用。通過(guò)創(chuàng)建虛擬環(huán)境,學(xué)生可以如同在真實(shí)環(huán)境中一樣完成相應(yīng)的學(xué)習(xí)和實(shí)訓(xùn)任務(wù);不僅能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,還可以提高課堂教學(xué)效率。隨著許多高校陸續(xù)展開(kāi)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)訓(xùn)中心的建設(shè)及資源開(kāi)發(fā),未來(lái)會(huì)有越來(lái)越多的課程引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)展教學(xué)工作。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)廣泛應(yīng)用的主要優(yōu)勢(shì)

2.1 沉浸性

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有四種不同的類型,分別是分布式虛擬現(xiàn)實(shí)(Distributed VR)、桌面式虛擬顯示(Desktop VR)、增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)(Augmented VR)和沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)(Immersive VR),其共同的特征都是利用技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)環(huán)境的虛擬創(chuàng)建,在創(chuàng)建的虛擬仿真的環(huán)境中,通過(guò)視覺(jué)畫面上的顯示、聽(tīng)覺(jué)音響上的再現(xiàn)、觸覺(jué)感知上的模擬,營(yíng)造出逼真的場(chǎng)景,給與用戶沉浸式的真實(shí)體驗(yàn);特別是沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)最為凸出和典型。如通過(guò)多維度投影墻搭建出完全沉浸的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境,用戶配合使用配套的三維跟蹤器,就能接觸或操作環(huán)境中構(gòu)建的三維物體,實(shí)現(xiàn)在虛擬環(huán)境中的漫游?；蛘哂脩粢部梢越柚赩R虛擬眼鏡給人眼造成的視差,從而給人帶來(lái)偽3D感知和呈現(xiàn)效果,同樣帶給人沉浸式的體驗(yàn)感受,但相較多維度投影墻營(yíng)造的虛擬環(huán)境和氛圍而言,通過(guò)VR眼鏡帶來(lái)的沉浸式體驗(yàn)效果相對(duì)較差一些。

2.2 構(gòu)想性

虛擬現(xiàn)實(shí)除了能對(duì)真實(shí)場(chǎng)景的虛擬再現(xiàn)外,還能兼容對(duì)虛擬仿真場(chǎng)景和環(huán)境的人為創(chuàng)造和改建,該項(xiàng)技術(shù)立足于真實(shí)環(huán)境,但又不局限于真實(shí)環(huán)境。以虛擬旅游為例,真實(shí)的旅游資源和自然景觀往往與季節(jié)和天氣有關(guān),像著名的自然景觀黃山云海、斷橋殘雪、煙雨江南等,若旅客真實(shí)旅行必然要有適宜的天氣才能呈現(xiàn)出來(lái);而通過(guò)搭建虛擬的旅游資源,用戶的旅行體驗(yàn)不會(huì)受到目前所處季節(jié)的限制,打破了原有的時(shí)空限制,前一秒可以觀看炎炎夏日里的海島景觀,后一秒就可以切換到白雪皚皚的北國(guó)風(fēng)光。在一些科技展覽和科幻場(chǎng)館中,還有構(gòu)建的虛擬太空空間站、宇宙星球、外星人等激發(fā)體驗(yàn)者的科學(xué)想象及對(duì)浩渺宇宙的探索精神。

2.3 交互性

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能滿足人機(jī)交互的溝通和操作體驗(yàn),用戶能夠?qū)μ摂M仿真場(chǎng)景中的一些環(huán)節(jié)或者畫面進(jìn)行操作,同時(shí)虛擬環(huán)境也能根據(jù)用戶的操作給與相應(yīng)的反饋或者結(jié)果呈現(xiàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景下的交互性特征使得虛擬環(huán)境更加真實(shí)之外,也給很多實(shí)際的龐大工作和操作練習(xí)提供了便捷;例如,在對(duì)于雷達(dá)、汽車等較大設(shè)備的裝配人員培訓(xùn)中,操作規(guī)章流程的強(qiáng)化練習(xí),僅僅使用單純的文字、圖片和視頻等資源來(lái)幫助培訓(xùn)人員記憶操作要點(diǎn)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,采用真實(shí)的機(jī)器來(lái)動(dòng)手練習(xí)也會(huì)因?yàn)樵O(shè)備較大而使得學(xué)習(xí)速率減緩,培訓(xùn)效果不理想;若能引入虛擬現(xiàn)實(shí)的資源,培訓(xùn)人員就能在簡(jiǎn)單記憶后進(jìn)行操作練習(xí),并在每一步或總的操作后對(duì)于流程中存在的問(wèn)題給與提示和匯總,幫助學(xué)員高效學(xué)習(xí)。

2.4 無(wú)污染、無(wú)破壞和可重復(fù)性

虛擬現(xiàn)實(shí)除了以上的技術(shù)特色外,還具有無(wú)污染、無(wú)破壞和可重復(fù)的優(yōu)點(diǎn)。比如,通過(guò)虛擬仿真資源開(kāi)展的軍事演習(xí),可以模擬和鍛煉軍隊(duì)的作戰(zhàn)思路和作戰(zhàn)方法,但不會(huì)造成真正的轟炸和破壞,還能滿足不同學(xué)員多次重復(fù)使用的需求。正是由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以上種種的優(yōu)勢(shì),才能使其在各行各業(yè)中都備受青睞。

3 高校農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)中的難點(diǎn)和痛點(diǎn)問(wèn)題

農(nóng)業(yè)氣象工作依托于氣象部門的國(guó)家級(jí)、省級(jí)、市級(jí)、縣級(jí)四級(jí)機(jī)構(gòu)開(kāi)展,立足于各級(jí)部門面向區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要開(kāi)展農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)和服務(wù)工作,加之我們國(guó)家地域廣闊,不同區(qū)域間氣候條件差異大,農(nóng)作物的種植生長(zhǎng)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的種植制度、管理措施等不盡相同,使得高校和行業(yè)的農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)及服務(wù)人才的教學(xué)和培訓(xùn)中出現(xiàn)一些問(wèn)題。

3.1 面向作物類型多樣,實(shí)踐教學(xué)難兼顧

我國(guó)幅員遼闊氣候特征復(fù)雜多樣,從南部南沙群島的熱帶氣候到北部長(zhǎng)白山脈的溫寒帶氣候,農(nóng)作物生長(zhǎng)的品種類別差異極大,加之各地區(qū)的地形土壤土質(zhì)的影響,各地區(qū)域農(nóng)作物種類不盡相同;高校培養(yǎng)的農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)和服務(wù)人才往往需要走向全國(guó)各地,這就使得高校的人才培養(yǎng)需要兼顧不同區(qū)域的農(nóng)作物及農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)需要,從而開(kāi)展各區(qū)域具有代表性的農(nóng)作物生長(zhǎng)觀測(cè)和服務(wù)的學(xué)習(xí)及實(shí)踐。實(shí)際教學(xué)中,特別是在實(shí)踐教學(xué)中,往往在校園實(shí)驗(yàn)室或者試驗(yàn)站內(nèi)難以種植多樣的作物種類,使得學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)踐的條件受限。

3.2 作物生長(zhǎng)周期過(guò)長(zhǎng),教學(xué)周期難匹配

對(duì)于常規(guī)的教學(xué)周期而言,一學(xué)期的時(shí)長(zhǎng)在4個(gè)月左右,像生菜、小青菜等生長(zhǎng)周期較短的葉菜類能在教學(xué)周期內(nèi)完成整個(gè)作物全生育期的觀測(cè)和服務(wù)實(shí)踐。然而其他作物生長(zhǎng)周期往往較長(zhǎng),像水稻、馬鈴薯、玉米等全生育期生長(zhǎng)往往需要4個(gè)月以上的時(shí)間,冬小麥甚至需要越冬生長(zhǎng),生長(zhǎng)周期跨年度完成,在有限的教學(xué)周期內(nèi)難以完成全生育期的觀測(cè)和服務(wù)實(shí)踐練習(xí),所以農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)與服務(wù)教學(xué)中出現(xiàn)明顯的短板。

3.3 極端氣象災(zāi)害種類多,受災(zāi)狀況難再現(xiàn)

農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)和服務(wù)的重點(diǎn)工作就是開(kāi)展農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害的預(yù)防和防御,如高溫、干旱、霜凍、干熱風(fēng)、冷害、凍害等,然而在實(shí)際教學(xué)中這些氣象災(zāi)害造成的影響及防御措施等難以實(shí)踐模擬,即便在人工氣候室中,可以對(duì)一些高溫、干旱、干熱風(fēng)等進(jìn)行模擬,但其對(duì)農(nóng)作物影響效果的呈現(xiàn)還需要一定時(shí)間才能展現(xiàn)出來(lái),各種災(zāi)害對(duì)于農(nóng)作物造成的影響更是具有不可逆性,難以持續(xù)開(kāi)展其他的試驗(yàn)?zāi)M。使得實(shí)踐教學(xué)中對(duì)于重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容的實(shí)踐教學(xué)出現(xiàn)空白,因此需要建設(shè)響應(yīng)的資源來(lái)彌補(bǔ)目前的不足。

4 建設(shè)高校農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)仿真系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)所在

針對(duì)以上重難點(diǎn)梳理以及結(jié)合目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的普遍開(kāi)發(fā)和應(yīng)用,建設(shè)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)虛擬教學(xué)資源,通過(guò)虛擬自擬資源,構(gòu)建實(shí)際教學(xué)實(shí)踐中難以開(kāi)展種植的作物類別,同時(shí)通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)能實(shí)現(xiàn)不同作物全生育期的全流程的生長(zhǎng)狀況觀測(cè),使得農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)的實(shí)踐教學(xué)不再受限于有限的教學(xué)周期時(shí)長(zhǎng),并且在教學(xué)中能多次、反復(fù)的全生育期觀測(cè)練習(xí)。更重要的是,可以在虛擬資源建設(shè)時(shí)建立各種極端氣象災(zāi)害對(duì)作物造成的危害和影響,融合相應(yīng)的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害預(yù)防和防御措施,會(huì)很好的提高學(xué)習(xí)者農(nóng)業(yè)氣象防災(zāi)減災(zāi)的能力和素養(yǎng)。

隨著國(guó)家鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的提出和氣象科技興農(nóng)助農(nóng)仿真的倡導(dǎo),對(duì)能夠服務(wù)于農(nóng)業(yè)農(nóng)村一線的農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)人才需求進(jìn)一步加大。這也意味著全社會(huì)對(duì)高校和氣象部門農(nóng)業(yè)氣象人才培養(yǎng)的規(guī)格提出了全新的要求。在這種形勢(shì)和背景之下,建設(shè)農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)仿真系統(tǒng)對(duì)于改善高效和氣象行業(yè)的農(nóng)業(yè)氣象人才培養(yǎng)環(huán)境,創(chuàng)造有利的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)條件有極大的幫助,對(duì)于農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)人才的知識(shí)和技能水平的提升具有非常達(dá)的現(xiàn)實(shí)意義。