基于AR技术的校园智慧植物识别系统及资源库构建
摘要：校园植物景观资源不仅可以构建优美和谐的校园环境，对科普教育和文化传播也具有十分重要的意义。AR技术是一种将虚拟内容与现实内容实时融合，形成虚拟与现实交互的技术。通过调查沈阳工学院植物资源，摸清校园内植物种类以及植物配置方式，以AR技术为媒介，融入生态文明理念，为校园植物景观资源立卡、建档，构建校园植物进行AR资源库，使其以更加直观、生动的方式呈现，旨在增强现实资源的虚拟体验和互动阅读，全方位、多角度地观察植物，供教学和识别使用；同时，增强景观的实时交互，实现设计优化和资源的合理配置。
1校园植物配置调查
校园植物景观建设强调以人为本，最终提升师生的归属感。校园植物景观质量直接影响校园生态环境和绿化效果，植物是校园景观的基础构成要素，是最具生命活力的景观要素，是实现人性化需求的关键途径[1]。随着网络与信息科学技术的创新发展，高校校园向智慧校园转型已成为必然趋势。
1.1研究地概况
沈阳工学院位于辽宁省沈抚改革创新示范区，北依浑河，占地面积112km2，建筑面积46.8km2。校区共分为东苑、中苑、西苑三部分，东苑与西苑为学生生活区，中苑包含教学科研区、体育活动区、教工生活区、学生生活区四大区域，校园内完善的配套设施和舒适的学习环境满足了学生生活学习的多元化需求。
1.2研究方法
根据抽样调查的原则，采用摄影、观察、记录、统计等多种方法，对沈阳工学院植物资源进行了全面、深入的实地调查，并统计校园景观中的植物配置类型、种类、科属。调研过程中使用花伴侣、百度识别等植物识别软件，并通过搜索植物志查找以确认植物种类，再对收集到的数据进行整理与分析[2]。
1.3结果与分析
1.3.1植物配置类型分析。根据实地调查结果可知，沈阳工学院校园内的植物配置类型主要有：乔－灌－草、乔－草、乔－灌、灌－草、单一乔木、单一灌木和单一草坪等，配置形式较为丰富[3]。配置方式多为列植、树阵、丛植、孤植、对植等。草坪新增许多花境，部分铺装设置摆花花坛。
1.3.2植物资源统计。①室外植物资源统计。由表1可知，沈阳工学院校园内绿化植物共有37科64属97种。其中乔木45种，灌木25种，草本27种，常绿乔、灌木共9种，落叶乔、灌木共61、种。常绿树种和落叶树种比例为9︰61（图2）。乔灌草植物比例为45︰25︰27（图3）。②现代农业科技馆植物资源统计。沈阳工学院现代农业科技馆是集现代农业生产、新技术研发、新品种推广应用、农业种植模式多元化为一体的教学实践基地。该实践基地按功能划分为特色植物种植区、现代农业技术展示区以及配套辅助室3个区域。由表2可知，馆内植物共计47科78属93种，其中乔木32种，灌木23种，草本32种，藤本植物5种，水生植物1种。植物种类丰富，多数为东北地区不宜生长的种类，具有很高的科普价值。
1.3.3校园内各分区植物资源统计。由表3可知，沈阳工学院校园种类最多的科为蔷薇科（21种），其次为无患子科（7种）、木樨科（6种）、松科（6种）、菊科（6种）、杨柳科（5种），以上6个科共有51种，约占总种数的55%。
2AR技术的介绍
AR技术指增强现实技术，让虚拟世界与现实世界相结合，有助于增强人在现实世界难以接触到的事物的实体感观，通过电脑技术，仿真模拟视觉、听觉、味觉等感官，将这些虚拟的信息传达到现实的人的感受中。AR技术的关键是人的参与。在2018年的世界杯期间，美国竞立媒体为可口可乐举办的“沙里奇足球互动”活动，就是典型的交叠式AR应用。
2.1AR技术背景
1957年，摄影师Morton、Helig为将自己拍摄的画面更加真实地向观众展示，通过一系列的设计，制作了一台“4D电影”单人观影设备，此设备的屏幕环绕于观影者的脸部四周，设备内部具备影像、面部吹风、座椅晃动等功能，带给观影者沉浸式的感受。1966年，真正意义上的AR显示设备诞生，其与现在常见的VR显示设备十分相似，但功能方面仅能展示出一些单一的AR效果，该设备的出现对AR技术的发展有极大的影响。全球客运飞机制造的波音公司的出现，促进AR技术取得实质性发展，波音公司欲解决因平面工程图过于抽象、大规模的线缆总是容易出现误差，导致飞机整体制造进度被拖慢的问题，通过长时间的研究，设计出一套虚拟的线缆走向，叠加在现实电脑屏幕之上的飞机制造场景系统，该研究成果成为如今AR技术真正的雏形。
2.2AR技术在景观中的应用
早在2002年德国学者Tim、Gleue等利用AR技术在希腊赫拉神庙进行实验，将虚拟的遗产建筑模型与遗产景观所在的真实环境进行融合，使得景观更具有观赏性；新加坡国立大学Zhiying等[4]的AR、Magic、Story、Cube项目的研究，也是利用AR的技术手段，为用户提供虚拟的交互体验。2012年新西兰坎特伯雷大学人机界面实验室把AR技术与传统绘画艺术相结合，设计了一种便于激发儿童想象力，并且兼具教育性以及娱乐性的文化创意类产品。同时，我国的AR技术应用也在不断创新。2010年上海世界博览会的湖北厅中利用交互式投影在墙面上投射三维影像，并利用虚拟交互使画面中的荷花通过人手触摸而开花，以吸引人流[5]；蔡苏等[6]认为将其应用在教育行业，可与传统教学互补，从而达到更好的教学效果；虽然我国在AR技术领域逐渐发展，却少有涉及景观设计行业。
3基于AR技术的沈阳工学院校园植物资源库构建应用
在校园植物资源库构建中，将校园内的植物种类及效果采用AR技术制作后，在课堂上，当教师讲解到该种植物时，可通过AR画面进行展示，使学生更加清楚直观地了解该植物的外观及四季形态，且比课堂上图片式的二维讲解更具趣味性。此外，还可以将该项研究用于校园植物科普，便于校园内所有学生了解植物。
3.1校园植物智慧化AR程序的制作程序
通过构建校园植物智慧化AR程序制作步骤图，可清晰明了地了解其制作流程（见图4）。
3.2沈阳工学院智能识别系统
校园园林空间功能单一、学生参与感低是当前校园景观建设存在的主要问题，通过智慧化的手段可以解决这类问题。智慧园林是将人与自然用智慧的方式连接起来，达到人与自然的互感、互知、互动。通过智能终端、通信传输、云计算等实现人与自然的对话[7]。在校园内，按照不同的分区构建植物科普教育基地，在基地内设立教学基地展示牌和植物识别牌，牌上安装智慧识别系统，通过互动装置调取植物种类、习性等科普信息，也可以通过扫描二维码了解植物信息，同时也有利于人与自然对话，使校园植物景观与校园内部产生更多的互动感。
3.3建立专属植物资源网络
利用调查中所得校园内61种乔灌木、科技馆内93种植物构建校园景观植物资源库。所有资源均被收录于一个智能化的系统，在这个系统中，通过扫描植物对应的二维码，即可获得AR植物的整个形态特征展示和植物相关科属、特征等信息；也可以通过校园专属APP，根据植物分类、植物配置形式、生态习性、应用等特征查找匹配的植物（草本等不便设置标牌的品种则通过拍照识别体现），并在APP内设置分享板块，分享生活中所见到的新奇植物；也可用来收集学生们在学习该园林植物时的困惑以及栽培中遇到的问题，并邀请经验丰富的学长、学姐和老师进行解答，便于培养学生兴趣爱好以及辅助相关专业学生的学习。
3.4智能识别系统的呈现方式（以元宝枫为例）
3.4.1交互式植物标识牌的呈现。植物标识牌是通过对每种植物的提取和变形设计，将植物主题的自然教育标志设计与沈阳工学院的环境相结合[8]。典型的观叶植物使用叶子形状，开花植物使用花瓣形状，不同的外观设计凸显其观赏特性，增加观赏趣味，植物标识牌内容中将展示植物基本信息。
3.4.2AR交互内容。扫描标识牌中二维码（或元宝枫图片）将会展示出元宝枫叶片的生长以及变红过程，并对其形态特征、生长习性、分布范围、繁殖栽培、栽培方法、病虫防治、主要价值等进行深入介绍。
4结语
基于沈阳工学院植物资源库的建设，将植物识别系统与AR技术相结合，构建了3D虚拟模型，方便师生学习和了解植物，起到科普教育的作用，增强植物景观的智慧化、体验感和互动感。虚拟技术和增强现实技术将在人类生活中占据较大比重，未来希望能够利用AR技术为人类创造更加动态的景观空间，为师生提供更加便捷、直观的教学环境。
