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智能交互式VR技术在智慧林业中的应用
虚拟现实亦作虚拟实境(Virtual Reality),简称VR,是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界,提供参与者视觉、听觉、触觉等感官的模拟并与之产生交互的行为.VR技术是计算机硬件、软件、传感、人工智能、心理学及地理科学发展的结晶.随着人工智能技术的发展、多元信息技术的融合,VR技术也从简单的实景（物）真实再现,提升到多元化智能交互式应用,借助HMD(HeadMount Display头戴式显示器)、数据手套等设备进行交互,在交通、旅游、娱乐、房产等方面均已有较成熟的发展.
森林安全问题突发性强、破坏性大、处置救助较为困难,一旦发生就会造成不可挽回的经济损失,不但影响林区正常的生产生活秩序,还将破坏森林植被和生态系统,造成生态灾难.如何以更少的人力、物资,更及时、准确、有效应对森林安全问题,是智慧林业建设的关键所在.灾害预警及扑救作为森林生态安全的研究热点,在预警系统研建、灾害蔓延模拟、扑救指挥调度等方面国内外均已有较完善的研究成果.在信息技术飞速发展的当今时代,森林安全问题的智慧化解决方案可从以下几个方面人手：一是提升智慧预警手段,二是增强智慧应急灾救,三是强化安全防范意识.
为研究森林安全问题的智慧化解决方案,探索VR技术在智慧林业上的应用,浙江省林业信息宣传中心以森林安全预警项目六期建设为基础,将森林安全预警与VR深度融合作为突破口,利用VR技术可逼真模拟和再现灾害发生及处置全过程的特点,通过三维建模、交互式UI设计等,建立林业智能交互式体验系统,模拟森林灾害预警及扑救,并扩展探索其与大数据、人工智能技术的融合应用.
警情多元化VR,提升智慧预警
选取具代表性的森林环境实景,利用该地地形地貌信息、航拍影像、遥感影像、实地相片采集等,采用全景2D纹理贴图的方式绘制场景,建设VR空间场景,实现全景内容观看、虚拟场景模型漫游.当监控系统接到报警时,可对警情地点实时定位,实时获取该接警点位置信息.
利用三维激光扫描方式、三维建模技术、OpenGL渲染技术,进行素材采集、建模、渲染,采集现场照片,并利用图片、遥感影像,制作模型纹理,多维度再现地物信息,例如通过放大浏览观看,获取接警点植被类型.利用UE4引擎地形编辑模块,三维仿真模拟不同地形场景,从而快速、直观获取地形特征、周边缓冲区域等关键要素,有利于灾情研判、灾害影响分析、逃生路线选择、扑救方案选取及部署.
充分结合文字、图片、声音、视频、语音等多媒体形式,扩充警情信息提示方式.例如通过文字显示接警点信息、通过图片展示接警点位置、通过语音播报警情等,模拟场景烟雾、火势、嘈杂声、森林树叶声、动物叫声、风声、水流声等,及其在特殊条件下的特殊声音.
应急VR横拟,建设智慧防扑
在森林火灾中,复杂的地形、突变的火势,都给消防人员带来极大的威胁,而日常训练中又不可能去真实再现火灾现场.通过模拟航空护林直升机、地面扑救队等现场扑救,利用头盔、可操作手柄等设备,设定各场景交互式流程,建立相应人机交互式互动,通过交互性模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度,真实再现森林火灾扑救现场,宣传森林火灾应急知识,强化森林火灾安全意识.
多年的森林安全问题实例、应对措施、相关课题研究、安防系统应用,为研究积累了海量的数据资源.基于大数据分析森林安全多发事件、地点、根源、警情严重程度、常用方案选择、灾情处置时间等,用数据指导应急方案合理部署.基于大数据分析,为重点防范区、重点防范事件设定,人力、物资、预警配套设施建设等提供支持.
根据不同场景环境难度,结合各种不利因素,通过智能化分析、模拟对抗,给出合适的防救方案,实现各种救灾及撤离决策最优选取,具有安全性、可重复性和经济性.
场景交互式体验,深化安防意识
通过真实感模拟及沉浸式体验,提高应对森林灾害时的心理应激能力.对于灾害救援人员,通过模拟各种危险地形、复杂环境、客观干扰,训练其复杂多变情况下的实战能力.对于逃生人员,通过真实感十足的心理应激训练,消除其面对安全问题时的慌乱情绪,加强安全应急应对实践,深化安防意识,普及森林安全知识.
结合现有的林木、动植物特征数据,运用虚拟现实技术构建VR珍稀林业资源.通过佩戴VR头显,进入逼真的自然环境,珍稀野生动植物就在眼前.用VR手柄点选林木、动植物,其相关信息、分布地区和特点逐一呈现.让人们足不出户720.观赏珍稀林业资源的同时,增强林业资源保护意识.
多感知性是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外,还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知,甚至包括味觉感知、嗅觉感知等.在普通感知功能（视觉、听觉、力觉）基础上,添加运动感知功能,通过手柄操作,实现场景中运动体验,宣传林业生态文化,丰富林业生态文化交互式体验方式.
新技术多元融合,肋推智慧林业
充分利用当下技术前沿,结合浙江省林业工作重点及森林资源特点,以充分体现林业生态文化为原则,探索和尝试VR技术在智慧林业上的深入应用.由于目前设备及当前技术的限制,在以下方面仍存在较大探索空间.
以丰富的林业数据资源为依托,结合遥感技术、地面数据调查等,将专家知识、经验融入到人机交互模式中,然后对数据资源进行变换、叠加、分类等.在人机交互过程中,可以有效了解、掌握森林的空间特征、分布规律,以及管理方面的情况.由于数据量大、建模繁琐等原因,虚拟现实技术在大体量上的应用一直处于摸索阶段,大范围场景虚拟再现应用较多的是全景照片技术,国内尚未出现较完善的例如美国Google earth等的大场景虚拟现实实例.
语音输入为用户与虚拟环境交互提供了一种方便的方法.例如在森林灾害应急管理上,通过野外巡防系统,语音上报灾害情况,结合大数据分析成果,根据实际情况,提取决策知识,应用语音识别技术,实现应急指挥语音部署,系统通过语音识别,进而执行相应决策程序的功能.
三维激光扫描技术又称为“实景复制技术”,利用三维激光扫描技术进行大面积、高密度空间三维数据的采集,具有点位测量精度高、采集空间点的密度大、速度快等特点,为空间目标三维信息的获取提供全新的技术手段.
展望智能交互式技术,探索多层面智能应用
利用传感技术、卫星定位、地理信息,结合人工智能等高新技术,研制物联网森林智能防火系统,适用于城市森林、自然保护区、旅游景区等环境,对监测区域实现全数字、全覆盖、全天候火情与盗伐监测,可探测着火位置、蔓延面积、蔓延速度、蔓延方向和发展趋势并自动化实时上报.通过大数据分析,研究火警产生后如何应对处理,尽最大可能减少火灾造成的损失.
缺少真实感是制约林业电子商务的因素之一.虚拟现实技术在林业电子商务上的应用,能拉近买家与林产品商家的距离.通过应用虚拟现实技术,买家可以在网上立体地了解产品的外观、结构及功能,与商家进行实时交流.如买家对红木家具感兴趣,他不但可以多角度旋转观看家具外形,还可通过鼠标操作拆分家具,了解其内部结构及性能.把这一技术应用于电子商务,将能突破真实感对电子商务发展的制约,吸引更多的消费者接受及积极参与电子商务,促进电子商务的发展.
利用AR模拟沙盘技术,制作AR森林沙盘.使用者可在电子设备上选择、调整树种的种植,直观树种布置格局,有助于林业培植的合理规划,减少不合理种植引起的原生树木死亡、水土流失和土地荒漠化现象,以保护森林生态、促进林业资源稳定持续发展,
VR技术亦可1:1地还原种植园地.人们藉由VR眼镜进入虚拟种植园后,可选择种子进行种植互动,了解树果生产加工过程,体验种植乐趣.让人们无需莅临现场,便能考察生产环境,进而扩大品牌知名度,增加林木的销售额.另外,AR（增强现实技术）林业系统也可通过加载显示林木种植动画,将对应的幼苗培育、树枝嫁接、病虫害防治等种植技术通过动画直观展现.形象生动的VR/AR林业种植动画比文字类栽培书刊更具传播性,更有利于正确种植方法的推广.
VR林业系统构建林场生产环境,虚拟搭建伐木作业、集材作业和制材选材生产场景,涵盖木材查询、地图指引、伐木方法、伐木机械操作指引等内容,指导林业从事者辨材选材、安全伐木,使林业生产经营更高效、安全.
智能交互式VR技术可以逼真地模拟森林生态安全发生及处理的全过程,能够有效地预防灾害发生及减少灾害发生带来的损失.对森林安全问题的发展趋势、环境规律与控制以及人员疏散进行数值模拟分析,并将结果应用于森林安全应急预案的编制中.对应急预案及演练进行动态仿真,体现了数值模拟与仿真在森林生态安全防灾减灾中的重要作用.同时,采用VR技术,让体验者通过沉浸式体验,切实感受森林生态文化,热爱森林资源环境,自发性保护生态,对深化森林生态安全防灾减灾的研究及林业生态文化传播有重要意义,为构建森林生态安全体系提供了必要的支持.我中心将基于现有调研及探索建设成果,继续深入研究智能交互式VR技术在智慧林业中的应用,以应用创新提高林业生产,以智慧化监管林业生态安全,切实推动林业信息化、现代化、智能化进程.
（作者单位：浙江省林业信息宣传中心）
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