增强现实技术在农业生产方面运用的分析展望

摘 要：增强现实技术，简称AR技术，最早在20世纪初提出，近几年伴随着科技技术的进步被广泛应用于军事、医疗、科教、旅游、娱乐等领域。增强现实技术在虚拟世界中模拟仿真出真实效果后呈现给用户，给予用户超越现实的特殊体验。目前就增强现实技术在农业生产方面的运用分析较少，在当今“智慧农业”的大环境下，将AR技术运用于农业生产有着重要意义，本文将就增强现实技术运用的现状及结合农业生产的可行性进行分析。

关键词：增强现实；虚拟现实；农业生产

增强现实技术（Augmented Reality，简称 AR）是在VR技术上发展起来的一项新技术。英文Augmented Reality顾名思义是在虚拟的基础上叠加现实。它通过将计算机采集到的虚拟信息叠加上真实信息，将真实世界和虚拟世界交叉连接起来，使使用者得到在原本所处的环境中难以得到的实体信息（视觉、听觉、味觉、触觉等），在计算机仿真的虚拟世界中得到超越现实的认知体验。经AR技术仿真后的世界更接近于真实世界，加强后的信息更容易被用户接受、理解。该项技术最早提出于20世纪初，近几年伴随着科技技术的进步和电子产品性能的提升被广泛应用于军事、医疗、科教、旅游、娱乐等领域。

1 关键技术

1.1 物体检测与识别技术

想构建超越现实的增强环境首先要解决的问题就是让计算机理解拍摄到的是什么场景，进而识别场景中存在着什么目标。为了让构建出的环境尽可能地接近真实环境，增强现实系统需要大量的定位数据支撑，包括：摄像机的所在位置、摄像机的参数、传感器的偏移距离等。而在环境图像的变化过程中，增强系统还需要大量的自动检测参数和补偿参数来调整仿真信息。为了发现场景中的目标，需要物体检测和识别技术。物体检测和识别技术主要是运用相关算法对场景中存在的事物进行分析并与计算机中存放的已知物体的特征和信息进行对比来实现。一种方法是通过算法得出同一类物体的一般性特征，在计算机内仿真出数据模型进行识别，这种方法不能保证个体识别的精确性，只能作为种类识别的辅助工具，忽略了环境因素的影响。另一种方法是从计算机数据库中调取已有图像的特征信息，在实际环境中将拍摄到的图像库内图像进行对比，在一次次的逼近匹配中得到最准确的识别信息。该方法应用于需要降低环境因素的场合。

1.2 跟踪和定位技术

为了实现现实世界和虚拟世界的实时交互，增强现实系统需要满足动态的同步。除了使用者的精确位置外，使用者实时的视角、运动状态等相关信息都需要采集到位，这就体现跟踪和定位技术的重要性。在室内及小范围的跟踪时多采用匹配式的模板跟踪法，即在用户或所跟踪物体的表面设定一些不易改变的特征标记，随着时间的流逝，计算机会不停地获取被跟踪物体的实时数据，并与之前得到的数据进行模块式对比，从而计算出被跟踪物体当前的位置和运动状态。在室外及大范围的跟踪时则依赖GPS技术的支持，结合地理信息系统，在跟踪物体轮廓的同时绘制周围环境的预知视图进而完成增强现实场景的构建。这种方法运算量大，但能够自动选取新特征点。

1.3 显示技术

计算机生成的环境要呈现给用户，但计算机构建的环境一般是三维环境，呈献给用户的一般是二位平面图形，显示的原理一般是将增强环境中的图像转换为多层次的图片，结合用户所需的参数，在已有图层上不断叠加，最后形成一张图片展示给用户。传统的显示设备体积大，一般通过反光镜的结构将生成的图像映射到使用者的视网膜上。现在多用的显示设备为透视式，例如在手机上安装相关APP或借助手持式增强显示器，用户透过窗口便能看到增强后的现实世界，类似于放大镜效果。

2 农业生产运用

2.1 规划播种方面

增强现实技术在农业生产方面的运用首先能够体现在规划播种方面，农民在野外进行实地考察选址时，配合3S技术和AR技术就能够更加方便地得到考察地的环境信息。设想一下，考察者只需到达一个地势较为高聳的地区，用手机APP向四周扫一扫就能够知晓图片中拍摄地的实际面积，近几年温度变化曲线、降水等高线，空气中的氧含量、湿度，甚至能够得到储藏在底下的矿物质含量等信息。通过大量的数据支持能够减轻因考察者知识不足所带来的影响，同时也能够降低野外考察时的工作强度，降低对于相关设备的需求。

而在种植方面的规划时，增强现实技术则能够提高农民对于土地的利用率。我国东南部地区的种植业产地多为复杂的丘陵地形，该地形高低参差不齐，形状多样，其中以梯田为代表的种植田的规划难度较高，多依赖农民的工作经验。借助于增强现实技术，将种植地的地形数据导入到计算机中，将阵列排布的作物模型叠加至已有模型上，可以仿真出作物长大后的大致情形进而调整种子之间的排布间隙。AR技术也可以用来模拟种植环境中的日照变化，来检验种植环境是否满足要求。

2.2 作物培育方面

增强现实技术对于种植环境的实时信息的把控，能够有效地帮助作物的成长，其可以为农民提供田地里的夜间温差变化、土壤中的湿润程度等人类器官难以了解的相关信息。通过在种植环境中设置相关的传感器，计算机能够实现对于环境的实时状态监控。在此之后，借助计算机内部设置的算法和产地中作物的当前状况，计算机可以计算出农民一天需要的向土地灌溉多少的营养液，需要如何调整温室的内部的气温等，为作物的生长提供最适宜的环境。

除了对于环境的监控外，增强现实技术还可以用来监控作物的实时状态。借助于电子设备的运用，农民可以便捷地了解作物的生长状态，并按照计算结果调整肥料的供应和农药的喷洒量。通过和生长模型的匹配，减少农民日常中用于检查病虫害的时间，在面对一些特殊情况时能够缩短发现问题的时间，提高防治效率，方便管理。

另外，将AR技术和自动设备结合则能够提高工作效率。增强现实技术可以实现农民对田地的远程遥控，农民可以在家中控制喷灌、施肥设备的运行，通过叠加的画面更能够轻松地得到各种供给的数据。现在已经有用无人机播撒种子的案例，在日后技术发展后，甚至能够通过自动设备对田地进行维护和耕作。

2.3 销售方面

现在我国已经开始了“农产品条形码”的运用，增强现实技术也能够达到类似的效果。消费者通过透视式的扫描器可以轻松地得到产品生产地的相关信息，也能够得到该产品生产状况的参数，让生产过程透明化，满足消费者的食品安全要求。而AR技术也可以用来增强农产品的展示效果，拉动消费者的购买欲望。

3 问题分析

3.1 数据支持问题

增强现实技术的运作过程中需要大量的参数支持以实现仿真的真实性，但仅靠3S技术不能满足计算机运行的要求。在生产环境中需要补充设置传感器，采集信息的精度和云数据库提供信息的更新速度会很大程度上影响仿真的结果。

3.2 作物跟踪问题

在作物生长过程中对于作物的连续跟踪是增强现实的关键所在。作物与作物之间的区分识别，跟踪传感器的位置改变而造成的信息偏移等问题都会影响仿真的结果。

3.3 算法先进问题

农业生产不同于一般产业，受阳光、空气等环境因素的影响较大，采集到的数据不一定准确，储存的算法结构不一定适用于当前的环境，只有提高算法的精度减小误差才能提高生产效率。

3.4 亲民性问题

农民的知识水平普遍不高，增强现实技术减少了工作强度的同时提高了对于电子设备的使用要求。系统的繁琐程度将很大程度决定在农民间的推广程度。

4 未来技术发展方向

4.1 先进设备的开发

现有许多公司正开发土壤传感器的相关业务，未来需开发出能测量土壤中的多种数据的传感器。此外，对培育环境的监控设备也必将随之进行发展。能够在劳作同时显示的便携设备也会不断的更新。

4.2 自动化系统的建立

当AR技术能够推广运用时，农业生产自动化系统必然会随之建立。计算机分析采集数据进行控制，田地中可以自动播种、灌溉、补充氮料的系统，温室中可以随太阳光照转动的窗口、室内冷凝成水的能源循环系统等。随着无人机技术的进步，气象局可以围绕无人机建立病虫害防治中心和空中测量播种系统。

4.3 云平台的建设

未来市场需要依托物联网建立云平台，将农业生产和信息化结合起来，建立线上线下的托管模式。在线上，结合专业的团队，进行合理的规划管理，为个体农户提供技术咨询。并对农产品的生产安全进行全程监控。在线下，依托物联网建立生产、运输、销售的流水线结构，推動农业创收。

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作者简介：黄君钊（1996-），男，福建福州人，本科，主要研究方向为机械制造及其自动化。