基于虛擬現實技術的高校農業氣象觀測仿真系統建設

楊慶怡,田 韜

(1.蘭州資源環境職業技術大學 甘肅,蘭州 730021;2.中國人民解放軍93811部隊 甘肅,蘭州 730000)

目前,信息技術領域的飛速發展,極大的改變了人們的生活和工作方式,虛擬現實技術(Virtual Reality,簡稱 VR)就是該領域的一項最新技術之一。雖然虛擬現實技術起源于航空航天及軍事等領域,但近些年來伴隨虛擬現實技術的不斷發展和成熟,該技術已經廣泛的應用于教育、醫療、通訊、交通等方面,成為最新一代的技術熱點。

農業氣象觀測是我國氣象行業的一項基本任務,主要工作是觀測氣象要素(光照、溫度、降水及極端氣象災害)和農作物生長發育基本指標(植株高度、密度、產量特征等),通過觀測數值分析氣象要素對農作物生長發育的影響,旨在以此基礎上進一步開展農業氣象服務。可見,精準的農業氣象觀測是開展科學、優質農業氣象服務的基礎。

1 虛擬現實技術應用的現狀及趨勢

1.1 軍事

美軍自1982年就研發了基于VR技術的虛擬對抗作戰系統SIMNET (Simulation Network)用于訓練坦克作戰,該系統的研發和運用明顯降低了訓練費用,而且較實際演練有更好的安全性及環境友好性。發現虛擬現實技術在軍事訓練中的優勢后, 美軍耗資10億美元在20世紀90年代又建成近戰戰術訓練系統 (CCTT) ;到21世紀,持續開發和建設了任務支援系統 (AFMSS) 和特種部隊演習系統 (SOFPARS) ,還同步研發VR聯合軍兵種戰術訓練仿真器,虛擬作戰資源搭建和應用已成為軍事訓練中的熱門技術。飛行員在真實飛行訓練前,可在虛擬仿真的模擬倉中,熟悉不同環境和條件下的操作規程、應對措施等。虛擬仿真的飛行訓練能給飛行員真實的場景感受,并且每個訓練的場景都可以多次重復使用和練習,相較于真實的飛行訓練,降低了飛行員飛行培訓的成本。除了軍事訓練和培訓之外,武器的研制和開發也應用到虛擬仿真技術,通過VR技術手段構建的剛體彈道模型,能更好的進行飛行彈道的模擬,從而實現對彈道飛行狀態更好的理解,便于武器研發和精準的應用。現在越來越多的虛擬現實技術應用與軍事訓練、對抗演習和武器研制等方面,助力軍事科技的進一步發展。

1.2 交通

在道路交通領域的研究中,針對道路交通中出現的諸多問題,如:排隊、停車、環島、交通管控等,VR技術能實現對于交通中出現的各種現象進行直觀的展現。此外,還能表現詳細的交通行為、現象和行為綜合描述,如速度、出行時間、公交管制、噪聲等方面的微觀指標,進而實現對道路交通的具體分析和研究,為解決機動車駕駛行為、非機動車道路行為動作的描述及行人等對道路交通流動模型的建立。部分學者還針對交通中出現的特殊行為,例如強制車道變換和任意車道變換來建立模型開展研究,以及基于此研究科學合理的規劃道路交通管理措施提供科學的依據。VR技術與地理信息系統技術(GIS)相結合開展更大規模和微觀的交通領域的應用,如在VR-GIS技術基礎上開發城市微觀交通仿真系統,GIS和VR結合為項目和管控措施的可行性研究、管制措施的實時效果及管制方案的選擇、優化等提供詳細科學的分析,且有直觀逼真的呈現、實時交互的一個三維操作管理界面。

1.3 醫療

醫療培訓中會存在很多無法利用活體病人進行研究培訓的情景,或者是存在一定危險性的治療手段和技術的學習,借助虛擬現實技術就可以為學員提供真實學習實訓環境,例如心臟病理實驗,為更好的學習病理知識和檢查治療手段創造學習條件。虛擬技術和計算機技術相結合還能應用于外科手術,如:計算機輔助的骨科手術(CAOS),該系統能實現對人體肌肉骨骼結構進行顯示和定位,應用在在骨科手術中對病人進行手術治療。在在軍事醫學上,利用VR 創建的虛擬情景,還能對作戰人員進行心理和技術雙重額訓練,對于戰場傷員開展暴露療法和康復訓練等。由此可見,虛擬現實技術在醫療領域扮演著非常重要的角色,虛擬現實技術在醫療領域中廣泛、深入的融合與應用,將會給傳統醫療行業發展帶來巨大的改變。

1.4 建筑

虛擬現實技術使得建筑設計的三維呈現成為現實,對于建筑物所在的周邊環境、外貌景觀、內部的裝飾裝潢和各種附屬設施均能逼真呈現,并且用戶能夠深入這樣的虛擬場景中實現“提前入住體驗”,這就使得虛擬現實技術在建筑設計領域、建筑裝修裝潢和房地產領域很快成為了新的寵兒。有眾多的房地產和裝飾公司開發了VR虛擬看房系統,即使是預售房屋,在顧客進入系統后,可以到銷售樓盤所在任意位置,了解和體會整體的小區環境、室內的空間格局以及基礎設施的建設和配置情況,一草一木均能被環繞觀察,相較于二位平面圖和宣傳冊,更容易激發購房者的情感體會和購買欲望,對于建筑設計、銷售、裝飾裝潢等的銷售方面都具備強有力的推動作用。

1.5 教育

VR虛擬現實技術由于其強大的感官體驗,在實際教學中可以使學生將更多的注意力投入到課堂中,通過設置相應的學習情境,讓學生身臨其境,獲得更好的學習體驗。將VR技術應用于教學中是現代教育發展的一個重大的突破。特別是在職業教育和培訓領域,VR 對改善教學和培訓環境、提高學生技能都將起到積極作用。通過創建虛擬環境,學生可以如同在真實環境中一樣完成相應的學習和實訓任務;不僅能激發學生的學習興趣,還可以提高課堂教學效率。隨著許多高校陸續展開虛擬現實實訓中心的建設及資源開發,未來會有越來越多的課程引入虛擬現實技術開展教學工作。

2 虛擬現實技術廣泛應用的主要優勢

2.1 沉浸性

虛擬現實技術有四種不同的類型,分別是分布式虛擬現實(Distributed VR)、桌面式虛擬顯示(Desktop VR)、增強虛擬現實(Augmented VR)和沉浸式虛擬現實(Immersive VR),其共同的特征都是利用技術手段實現對真實環境的虛擬創建,在創建的虛擬仿真的環境中,通過視覺畫面上的顯示、聽覺音響上的再現、觸覺感知上的模擬,營造出逼真的場景,給與用戶沉浸式的真實體驗;特別是沉浸式虛擬現實最為凸出和典型。如通過多維度投影墻搭建出完全沉浸的虛擬現實環境,用戶配合使用配套的三維跟蹤器,就能接觸或操作環境中構建的三維物體,實現在虛擬環境中的漫游。或者用戶也可以借助于VR虛擬眼鏡給人眼造成的視差,從而給人帶來偽3D感知和呈現效果,同樣帶給人沉浸式的體驗感受,但相較多維度投影墻營造的虛擬環境和氛圍而言,通過VR眼鏡帶來的沉浸式體驗效果相對較差一些。

2.2 構想性

虛擬現實除了能對真實場景的虛擬再現外,還能兼容對虛擬仿真場景和環境的人為創造和改建,該項技術立足于真實環境,但又不局限于真實環境。以虛擬旅游為例,真實的旅游資源和自然景觀往往與季節和天氣有關,像著名的自然景觀黃山云海、斷橋殘雪、煙雨江南等,若旅客真實旅行必然要有適宜的天氣才能呈現出來;而通過搭建虛擬的旅游資源,用戶的旅行體驗不會受到目前所處季節的限制,打破了原有的時空限制,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風光。在一些科技展覽和科幻場館中,還有構建的虛擬太空空間站、宇宙星球、外星人等激發體驗者的科學想象及對浩渺宇宙的探索精神。

2.3 交互性

虛擬現實技術能滿足人機交互的溝通和操作體驗,用戶能夠對虛擬仿真場景中的一些環節或者畫面進行操作,同時虛擬環境也能根據用戶的操作給與相應的反饋或者結果呈現。虛擬現實場景下的交互性特征使得虛擬環境更加真實之外,也給很多實際的龐大工作和操作練習提供了便捷;例如,在對于雷達、汽車等較大設備的裝配人員培訓中,操作規章流程的強化練習,僅僅使用單純的文字、圖片和視頻等資源來幫助培訓人員記憶操作要點是遠遠不夠的,采用真實的機器來動手練習也會因為設備較大而使得學習速率減緩,培訓效果不理想;若能引入虛擬現實的資源,培訓人員就能在簡單記憶后進行操作練習,并在每一步或總的操作后對于流程中存在的問題給與提示和匯總,幫助學員高效學習。

2.4 無污染、無破壞和可重復性

虛擬現實除了以上的技術特色外,還具有無污染、無破壞和可重復的優點。比如,通過虛擬仿真資源開展的軍事演習,可以模擬和鍛煉軍隊的作戰思路和作戰方法,但不會造成真正的轟炸和破壞,還能滿足不同學員多次重復使用的需求。正是由于虛擬現實技術以上種種的優勢,才能使其在各行各業中都備受青睞。

3 高校農業氣象觀測中的難點和痛點問題

農業氣象工作依托于氣象部門的國家級、省級、市級、縣級四級機構開展,立足于各級部門面向區域農業發展的需要開展農業氣象觀測和服務工作,加之我們國家地域廣闊,不同區域間氣候條件差異大,農作物的種植生長和農業生產的種植制度、管理措施等不盡相同,使得高校和行業的農業氣象觀測及服務人才的教學和培訓中出現一些問題。

3.1 面向作物類型多樣,實踐教學難兼顧

我國幅員遼闊氣候特征復雜多樣,從南部南沙群島的熱帶氣候到北部長白山脈的溫寒帶氣候,農作物生長的品種類別差異極大,加之各地區的地形土壤土質的影響,各地區域農作物種類不盡相同;高校培養的農業氣象觀測和服務人才往往需要走向全國各地,這就使得高校的人才培養需要兼顧不同區域的農作物及農業氣象服務需要,從而開展各區域具有代表性的農作物生長觀測和服務的學習及實踐。實際教學中,特別是在實踐教學中,往往在校園實驗室或者試驗站內難以種植多樣的作物種類,使得學生學習實踐的條件受限。

3.2 作物生長周期過長,教學周期難匹配

對于常規的教學周期而言,一學期的時長在4個月左右,像生菜、小青菜等生長周期較短的葉菜類能在教學周期內完成整個作物全生育期的觀測和服務實踐。然而其他作物生長周期往往較長,像水稻、馬鈴薯、玉米等全生育期生長往往需要4個月以上的時間,冬小麥甚至需要越冬生長,生長周期跨年度完成,在有限的教學周期內難以完成全生育期的觀測和服務實踐練習,所以農業氣象觀測與服務教學中出現明顯的短板。

3.3 極端氣象災害種類多,受災狀況難再現

農業氣象觀測和服務的重點工作就是開展農業氣象災害的預防和防御,如高溫、干旱、霜凍、干熱風、冷害、凍害等,然而在實際教學中這些氣象災害造成的影響及防御措施等難以實踐模擬,即便在人工氣候室中,可以對一些高溫、干旱、干熱風等進行模擬,但其對農作物影響效果的呈現還需要一定時間才能展現出來,各種災害對于農作物造成的影響更是具有不可逆性,難以持續開展其他的試驗模擬。使得實踐教學中對于重點教學內容的實踐教學出現空白,因此需要建設響應的資源來彌補目前的不足。

4 建設高校農業氣象觀測仿真系統的優勢所在

針對以上重難點梳理以及結合目前虛擬現實技術的普遍開發和應用,建設基于虛擬現實技術的農業氣象觀測虛擬教學資源,通過虛擬自擬資源,構建實際教學實踐中難以開展種植的作物類別,同時通過虛擬現實能實現不同作物全生育期的全流程的生長狀況觀測,使得農業氣象觀測的實踐教學不再受限于有限的教學周期時長,并且在教學中能多次、反復的全生育期觀測練習。更重要的是,可以在虛擬資源建設時建立各種極端氣象災害對作物造成的危害和影響,融合相應的農業氣象災害預防和防御措施,會很好的提高學習者農業氣象防災減災的能力和素養。

隨著國家鄉村振興戰略的提出和氣象科技興農助農仿真的倡導,對能夠服務于農業農村一線的農業氣象服務人才需求進一步加大。這也意味著全社會對高校和氣象部門農業氣象人才培養的規格提出了全新的要求。在這種形勢和背景之下,建設農業氣象觀測仿真系統對于改善高效和氣象行業的農業氣象人才培養環境,創造有利的實驗實訓條件有極大的幫助,對于農業氣象服務人才的知識和技能水平的提升具有非常達的現實意義。