智能交互式VR技術在智慧林業中的應用研究

張科 葉影

如何以更少的人力、物資，更及時、準確、有效應對森林安全問題，是智慧林業建設的關鍵所在。

虛擬現實亦作虛擬實境（Virtual Reality），簡稱VR，是利用電腦模擬產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生交互的行為。VR技術是計算機硬件、軟件、傳感、人工智能、心理學及地理科學發展的結晶。隨著人工智能技術的發展、多元信息技術的融合，VR技術也從簡單的實景（物）真實再現，提升到多元化智能交互式應用，借助HMD（Head Mount Display頭戴式顯示器）、數據手套等設備進行交互，在交通、旅游、娛樂、房產等方面均已有較成熟的發展。

森林安全問題突發性強、破壞性大、處置救助較為困難，一旦發生就會造成不可挽回的經濟損失，不但影響林區正常的生產生活秩序，還將破壞森林植被和生態系統，造成生態災難。如何以更少的人力、物資，更及時、準確、有效應對森林安全問題，是智慧林業建設的關鍵所在。災害預警及撲救作為森林生態安全的研究熱點，在預警系統研建、災害蔓延模擬、撲救指揮調度等方面國內外均已有較完善的研究成果。在信息技術飛速發展的當今時代，森林安全問題的智慧化解決方案可從以下幾個方面入手：一是提升智慧預警手段，二是增強智慧應急災救，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技術在智慧林業上的應用，浙江省林業信息宣傳中心以森林安全預警項目六期建設為基礎，將森林安全預警與VR深度融合作為突破口，利用VR技術可逼真模擬和再現災害發生及處置全過程的特點，通過三維建模、交互式UI設計等，建立林業智能交互式體驗系統，模擬森林災害預警及撲救，并擴展探索其與大數據、人工智能技術的融合應用。

警情多元化VR，提升智慧預警

空間信息可視化表達

選取具代表性的森林環境實景，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VR空間場景，實現全景內容觀看、虛擬場景模型漫游。當監控系統接到報警時，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

利用三維激光掃描方式、三維建模技術、OpenGL渲染技術，進行素材采集、建模、渲染，采集現場照片，并利用圖片、遙感影像，制作模型紋理，多維度再現地物信息。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、周邊緩沖區域等關鍵要素，有利于災情研判、災害影響分析、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。

應急VR模擬，建設智慧防撲

交互性VR，真實模擬森林火災及防撲

在森林火災中，復雜的地形、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火災現場。通過模擬航空護林直升機、地面撲救隊等現場撲救，利用頭盔、可操作手柄等設備，設定各場景交互式流程，建立相應人機交互式互動，通過交互性模擬環境內物體的可操作程度和從環境得到反饋的自然程度，真實再現森林火災撲救現場，宣傳森林火災應急知識，強化森林火災安全意識。

大數據支撐，保障應急方案合理部署

多年的森林安全問題實例、應對措施、相關課題研究、安防系統應用，為研究積累了海量的數據資源。基于大數據分析森林安全多發事件、地點、根源、警情嚴重程度、常用方案選擇、災情處置時間等，用數據指導應急方案合理部署。基于大數據分析，為重點防范區、重點防范事件設定，人力、物資、預警配套設施建設等提供支持。

智能化輔助，指導防救決策最優選取

根據不同場景環境難度，結合各種不利因素，通過智能化分析、模擬對抗，給出合適的防救方案，實現各種救災及撤離決策最優選取，具有安全性、可重復性和經濟性。

場景交互式體驗，深化安防意識

真實感訓練，提高森林災害心理應激

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

沉浸式VR，增強林業資源保護意識

結合現有的林木、動植物特征數據，運用虛擬現實技術構建VR珍稀林業資源。通過佩戴VR頭顯，進入逼真的自然環境，珍稀野生動植物就在眼前。用VR手柄點選林木、動植物，其相關信息、分布地區和特點逐一呈現。讓人們足不出戶720°觀賞珍稀林業資源的同時，增強林業資源保護意識。

運動感知性VR，體驗林業生態文化

多感知性是指除了一般計算機技術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）基礎上，添加運動感知功能，通過手柄操作，實現場景中運動體驗，宣傳林業生態文化，豐富林業生態文化交互式體驗方式。

新技術多元融合，助推智慧林業

充分利用當下技術前沿，結合浙江省林業工作重點及森林資源特點，以充分體現林業生態文化為原則，探索和嘗試VR技術在智慧林業上的深入應用。由于目前設備及當前技術的限制，在以下方面仍存在較大探索空間。

與衛星遙感技術結合的大體量應用

以豐富的林業數據資源為依托，結合遙感技術、地面數據調查等，將專家知識、經驗融入到人機交互模式中，然后對數據資源進行變換、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、分布規律，以及管理方面的情況。由于數據量大、建模繁瑣等原因，虛擬現實技術在大體量上的應用一直處于摸索階段，大范圍場景虛擬再現應用較多的是全景照片技術，國內尚未出現較完善的例如美國Google earth等的大場景虛擬現實實例。

嘗試語音識別輸入的智能化應用

語音輸入為用戶與虛擬環境交互提供了一種方便的方法。例如在森林災害應急管理上，通過野外巡防系統，語音上報災害情況，結合大數據分析成果，根據實際情況，提取決策知識，應用語音識別技術，實現應急指揮語音部署，系統通過語音識別，進而執行相應決策程序的功能。

結合三維激光掃描技術快捷建模

三維激光掃描技術又稱為“實景復制技術”，利用三維激光掃描技術進行大面積、高密度空間三維數據的采集，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手段。

展望智能交互式技術，探索多層面智能應用

引入人工智能技術，推進VR智慧森防

利用傳感技術、衛星定位、地理信息，結合人工智能等高新技術，研制物聯網森林智能防火系統，適用于城市森林、自然保護區、旅游景區等環境，對監測區域實現全數字、全覆蓋、全天候火情與盜伐監測，可探測著火位置、蔓延面積、蔓延速度、蔓延方向和發展趨勢并自動化實時上報。通過大數據分析，研究火警產生后如何應對處理，盡最大可能減少火災造成的損失。

應用虛擬現實技術，促進林業電子商務

缺少真實感是制約林業電子商務的因素之一。虛擬現實技術在林業電子商務上的應用，能拉近買家與林產品商家的距離。通過應用虛擬現實技術，買家可以在網上立體地了解產品的外觀、結構及功能，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觀看家具外形，還可通過鼠標操作拆分家具，了解其內部結構及性能。把這一技術應用于電子商務，將能突破真實感對電子商務發展的制約，吸引更多的消費者接受及積極參與電子商務，促進電子商務的發展。

推廣應用范圍，建設交互式森林沙盤

利用AR模擬沙盤技術，制作AR森林沙盤。使用者可在電子設備上選擇、調整樹種的種植，直觀樹種布置格局，有助于林業培植的合理規劃，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象，以保護森林生態、促進林業資源穩定持續發展。

創新交互式應用，嘗試林業網上種植

VR技術亦可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，了解樹果生產加工過程，體驗種植樂趣。讓人們無需蒞臨現場，便能考察生產環境，進而擴大品牌知名度，增加林木的銷售額。另外，AR（增強現實技術）林業系統也可通過加載顯示林木種植動畫，將對應的幼苗培育、樹枝嫁接、病蟲害防治等種植技術通過動畫直觀展現。形象生動的VR/AR林業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。

技術和作業相結合，研發VR林業作業系統

VR林業系統構建林場生產環境，虛擬搭建伐木作業、集材作業和制材選材生產場景，涵蓋木材查詢、地圖指引、伐木方法、伐木機械操作指引等內容，指導林業從事者辨材選材、安全伐木，使林業生產經營更高效、安全。

智能交互式VR技術可以逼真地模擬森林生態安全發生及處理的全過程，能夠有效地預防災害發生及減少災害發生帶來的損失。對森林安全問題的發展趨勢、環境規律與控制以及人員疏散進行數值模擬分析，并將結果應用于森林安全應急預案的編制中。對應急預案及演練進行動態仿真，體現了數值模擬與仿真在森林生態安全防災減災中的重要作用。同時，采用VR技術，讓體驗者通過沉浸式體驗，切實感受森林生態文化，熱愛森林資源環境，自發性保護生態，對深化森林生態安全防災減災的研究及林業生態文化傳播有重要意義，為構建森林生態安全體系提供了必要的支持。我中心將基于現有調研及探索建設成果，繼續深入研究智能交互式VR技術在智慧林業中的應用，以應用創新提高林業生產，以智慧化監管林業生態安全，切實推動林業信息化、現代化、智能化進程。

（作者單位：浙江省林業信息宣傳中心）