- 1Cornell Tech, New York, NY, Hoa Kỳ
- 2Trường Khoa học Thực vật Tích hợp, Đại học Cornell, Ithaca, NY, Hoa Kỳ
- 3Trung tâm Bền vững Cornell Atkinson, Ithaca, NY, Hoa Kỳ
- 4Red Hook Initiative, Brooklyn, NY, Hoa Kỳ
Nông nghiệp đô thị đang nổi lên trên khắp Hoa Kỳ (Hoa Kỳ) như một hệ thống sản xuất lương thực riêng biệt có thể giúp giải quyết các mối quan tâm về an ninh lương thực và công bằng của các cộng đồng đô thị bị thiệt thòi. Trong khi nông nghiệp đô thị đang tăng tốc trên toàn quốc nhanh chóng, hệ thống học tập ngang hàng đại diện cho giáo dục và đào tạo nông dân ở Hoa Kỳ dựa trên nông nghiệp nông thôn. Chúng tôi mô tả sự phát triển của các nền tảng thực tế ảo (VR) để hỗ trợ chuyển giao kiến thức và đổi mới của nông dân vượt qua những hạn chế vật lý của khuyến nông truyền thống dựa trên các cuộc biểu tình tại trang trại. Chúng tôi giới thiệu mô hình VR đại diện cho một trang trại hữu cơ ở Thành phố New York với các chi tiết về hoạt động của trang trại và cơ hội xếp chồng các tài liệu giáo dục và đào tạo cùng với các câu chuyện cá nhân, như một phần của cuộc trình diễn trang trại ảo. Tiềm năng cho VR để tăng tốc đổi mới trong công bằng lương thực là một thành phần quan trọng của công nghệ thành phố thông minh và cần được phát triển song song với các nỗ lực hiện đại hóa với các trường đại học cấp đất và mạng lưới khuyến nông hợp tác của họ về giáo dục và đào tạo từ nông dân đến nông dân.
Bộ mặt của nông nghiệp đang thay đổi nhanh chóng khi dân số quốc gia ngày càng đô thị hóa. Nông dân nông thôn đang suy giảm và chiếm <2% lực lượng lao động quốc gia (Lubell et al., 2014). Trong khi đó, nông nghiệp đô thị (UA) đang gia tăng trên toàn quốc và toàn cầu và tạo cơ hội phát triển các công cụ và khuôn khổ mới có thể vượt qua các câu hỏi truyền thống về năng suất và rủi ro với các câu hỏi nhiều sắc thái hơn xung quanh sự tham gia và công bằng (Lawson, 2016). Một câu hỏi quan trọng đối với nông nghiệp đô thị là về việc ai tham gia và ai được hưởng lợi (McClintock và cộng sự, 2021)? Mạng lưới nông dân với nông dân là một thành phần trung tâm của việc áp dụng và chuyển giao kiến thức có thể được tăng cường bằng cách sử dụng các nền tảng ảo và tài liệu điện tử (Conley và Udry, 2010; Patel và cộng sự, 2010). Mặc dù sự chú ý và nguồn lực cho UA có thể tập trung vào các doanh nhân giàu có và những người di cư ngoại ô gần đây vào các thành phố hoạt động trong các cấu trúc của quá trình chỉnh trang (Reynolds và Cohen, 2016), cần phải công nhận và hỗ trợ những nỗ lực của các cộng đồng tầng lớp lao động và cộng đồng da màu, những người tiếp tục tạo ra nền tảng và nhiều lợi ích của UA. Các phương pháp tiếp cận mới có thể và nên được phát triển để kết nối nông nghiệp đô thị với đổi mới công nghệ và giáo dục, để cho phép các con đường sự nghiệp mới và cơ hội hợp tác cho nông nghiệp bền vững và tái sinh.
Thực tế ảo và chia sẻ phương tiện truyền thông kỹ thuật số có thể được xem là hình thức hiện đại của các cuộc biểu tình tại trang trại đặc trưng cho thế kỷ đầu tiên của khuyến nông. Học tập ngang hàng thống trị nông nghiệp Mỹ trong thế kỷ 20 thông qua việc chính thức hóa Hệ thống khuyến nông hợp tác quốc gia với việc thông qua Đạo luật Smith-Lever năm 1914 (Gould et al., 2014). Hợp tác khuyến nông hợp tác với Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ để hỗ trợ việc cung cấp các kết quả nghiên cứu dựa trên bằng chứng từ các trường đại học cấp đất cho nông dân ở các cộng đồng nông thôn áp dụng kiến thức thu được vào thực tiễn canh tác của họ. Khuyến nông Hợp tác xã hoạt động ở cấp địa phương, theo đó mỗi tiểu bang có ít nhất một trường đại học cấp đất kết hợp với Hệ thống Khuyến nông Hợp tác trên toàn tiểu bang với văn phòng của các đại lý khuyến nông ở hầu hết các quận (Ellison et al., 2017). Hệ thống khuyến nông được tạo ra trong thời gian dân số Hoa Kỳ chủ yếu là nông thôn và tỷ lệ nông dân trong lực lượng lao động quốc gia là 30-40%. Với cơ sở hạ tầng vẫn đại diện cho các hoạt động lập trình ban đầu của quận do các đại lý khuyến nông dẫn đầu, có những rào cản đối với cả khuyến nông cho nông dân và chuyển giao kiến thức từ nông dân sang nông dân.
Một số lượng ngày càng tăng của các hoạt động nông nghiệp ở các thành phố cho thấy sự thay đổi nhân khẩu học của nông nghiệp nhưng hệ thống học tập ngang hàng vẫn dựa trên nông nghiệp nông thôn. Hầu hết các văn phòng khuyến nông hợp tác xã được đặt tại các khu vực nông thôn và các cuộc biểu tình nông nghiệp thường được đặt tại các khu vực nông thôn, bao gồm các trạm nghiên cứu của trường đại học. Đối với nông dân thành thị, việc tiếp cận thông tin liên quan về nông nghiệp đô thị từ các trường đại học cấp đất có thể yêu cầu áp dụng các phương thức truyền thông mới. Vì những lý do này, thực tế ảo và các nền tảng trung gian công nghệ khác nên được phát triển để cho phép kết nối giữa nông dân với nông dân và sự tham gia của cộng đồng cho một loạt các bên liên quan ở thành thị và nông thôn đại diện cho các khu vực bầu cử hiện đại của chúng ta.
Chúng tôi đề xuất sử dụng thực tế ảo (VR) trong khuyến nông dựa trên các phương pháp tiếp cận có sự tham gia của Công nghệ Thông tin và Truyền thông (ICT) để giải quyết các nhu cầu kinh tế và chủng tộc cụ thể trong nông nghiệp đô thị (UA). Chúng tôi đặt công việc này ở Bang New York, là một trong 50 hệ thống Mở rộng Hợp tác xã có dân số tiểu bang đô thị hóa nhanh chóng với hơn 87% cư dân đô thị, trong đó 44% dân số tiểu bang cư trú tại một đô thị — Thành phố New York (Cục điều tra dân số Hoa Kỳ, 2020). Chúng tôi mô tả một chương trình đổi mới mở rộng VR có sự tham gia thí điểm với Red Hook Farms, một trang trại hữu cơ rộng 1,2 ha ở Thành phố New York (Brooklyn). Chúng tôi cung cấp nền tảng về VR, các phương pháp tiếp cận có sự tham gia của ICT và phổ biến phương tiện truyền thông trong khuyến nông. Sau đó, chúng tôi mô tả nền tảng VR đang được phát triển với nông dân thành thị ở Brooklyn và kết thúc bằng một cuộc thảo luận về những hạn chế và khả năng cho công việc trong tương lai.
Thực tế ảo và Công nghệ thông tin và truyền thông
Thực tế ảo là gì?
Từ điển Oxford định nghĩa Thực tế ảo là “mô phỏng hình ảnh hoặc môi trường ba chiều do máy tính tạo ra có thể được tương tác theo cách dường như thực hoặc vật lý bởi một người sử dụng thiết bị điện tử đặc biệt, chẳng hạn như mũ bảo hiểm có màn hình bên trong hoặc găng tay được trang bị cảm biến. ” Một trong những mục tiêu của VR là tạo ra “hành vi nhắm mục tiêu trong một sinh vật bằng cách sử dụng kích thích cảm giác nhân tạo, trong khi sinh vật có rất ít hoặc không nhận thức được sự can thiệp” (LaValle, 2020). Nói cách khác, VR là một tập hợp các màn hình do máy tính tạo ra hướng một người cư xử tự nhiên như thể họ có mặt trong không gian đó, và do đó (ít nhất là trực quan, cực quang và đôi khi hạnh phúc) giống như trải nghiệm tại chỗ.
Trong nhiều năm, ý tưởng và thực hành thực tế ảo vẫn bị giam hãm trong các phòng thí nghiệm nghiên cứu và cho các ngành công nghiệp hiệu suất cao chuyên ngành, như y học, hàng không hoặc quân sự. Ví dụ, các phi công đang được đào tạo có thể học cách bay trong trải nghiệm thực tế ảo mà không cần phải ở trên máy bay thực tế. Trong những năm gần đây, được thúc đẩy bởi các ứng dụng như chơi game và giải trí, và sự sẵn có của màn hình gắn trên đầu (HMD) chi phí thấp hơn và công suất cao hơn, thực tế ảo đang chứng kiến sự chấp nhận ngày càng tăng của người tiêu dùng. Với công nghệ này, rất nhiều cơ hội xuất hiện để học hỏi và đồng cảm trong môi trường nhập vai (LaValle, 2020). Bằng cách thu hút ba trong số năm giác quan thông qua thực tế ảo, mọi người được cung cấp một phương thức tương tác xã hội khác (LaValle, 2020). Công nghệ này mang lại một cách cộng đồng mới; một cái vượt qua vị trí vật lý và màn hình hai chiều. Kinh nghiệm của chúng tôi là bất cứ khi nào các công nghệ truyền thông và truyền thông mới này đạt đến mức giá có lợi cho sự chấp nhận của người tiêu dùng, nông dân thường là một trong những người chấp nhận đầu tiên và nhiệt tình nhất. Mặc dù vẫn còn những thách thức và khoảng trống về phía phần cứng và phần mềm (như sẽ thảo luận sau), chúng tôi tin rằng thời điểm đã chín muồi để khám phá việc sử dụng các công nghệ này cho các ứng dụng mới nổi như khuyến nông.
Tại sao thực tế ảo cho khuyến nông?
Khuyến nông trình bày một trường hợp sử dụng hấp dẫn cho thực tế ảo, vì tiềm năng mô phỏng trải nghiệm “tại chỗ“, mà không phải trả chi phí và chi phí di chuyển đến một cánh đồng xa xôi hoặc địa điểm trình diễn. Ở một tiểu bang lớn như New York, điều này có thể tạo cơ hội chuyển giao kiến thức và học tập giữa các địa điểm tách biệt về mặt địa lý. Ví dụ, một chuyên gia khuyến nông ở Tây New York có thể thực hiện một chuyến thăm ảo dài 600 km đến một trang trại đô thị ở thành phố New York, như một cách để giới thiệu cư dân nhà ở cộng đồng ở Buffalo, NY với những khả năng mà nông nghiệp đô thị mang lại. Ngoài ra, một trang trại trình diễn cách đó 200 km trong các cộng đồng nông nghiệp hữu cơ đầu tiên của Thung lũng Hudson có thể sử dụng thực tế ảo để giáo dục nông dân ở thành phố New York về các giống hạt giống mới, quản lý dịch hại hữu cơ hoặc các đổi mới khác. Với những nỗ lực trên toàn quốc và liên tục của các Tổ chức cấp đất để ứng phó với chủ nghĩa phân biệt chủng tộc và cải cách ruộng đất có hệ thống (Matsumoto, 2018; Hill, 2021), chúng tôi đề xuất sử dụng VR có sự tham gia để đồng tạo ra không gian công bằng và đổi mới về công nghệ cho việc học giữa nông dân với nông dân. Trong phần tiếp theo, chúng tôi thảo luận về cách nhóm nghiên cứu của chúng tôi và những người khác đã sử dụng các công nghệ như video kỹ thuật số và điện thoại di động cho cùng một mục đích trong các bối cảnh địa lý khác.
Công việc trước đây sử dụng công nghệ và phương tiện truyền thông để học từ xa trong nông nghiệp
Để tránh những cạm bẫy và thông báo cho việc tạo ra VR cho khuyến nông, chúng tôi xem xét công việc trước đây sử dụng công nghệ trong khuyến nông đã chứng minh sự đồng sáng tạo kiến thức hiệu quả và xây dựng quan hệ đối tác bền vững giữa các đại lý khuyến nông, các tổ chức lớn hơn và cộng đồng. Tại Gujarat, Ấn Độ, một diễn đàn thoại di động tương tác được gọi là Avaaj Otalo (“voice stoop”) đã tiết lộ sự cần thiết của việc tập trung đầu vào của cộng đồng ngay từ giai đoạn bắt đầu và lập kế hoạch của các sáng kiến mở rộng. Khi thiết kế Avaaj Otalo như một dịch vụ dựa trên giọng nói, chỉ bằng cách nói chuyện đầu tiên với các thành viên cộng đồng, tỷ lệ mù chữ mới được biết đến, nêu rõ các rào cản của việc dựa vào giao tiếp bằng văn bản hoặc SMS mặc dù tỷ lệ điện thoại di động phổ biến cao (Patel et al., 2010). Những cuộc phỏng vấn này cũng chỉ ra một yếu tố quan trọng khác cho sự tham gia bền vững và thành công của nền tảng: liệu những người tham gia có thể nghe thấy tiếng nói của các đồng nghiệp khi tương tác với dịch vụ thay vì các nhà khoa học hay không (Patel et al., 2012). Việc chuyển sang trung tâm không chỉ là tầm nhìn của cộng đồng về mặt lý thuyết, mà còn thể hiện những ưu tiên như vậy bằng cách cho các thành viên cơ hội đóng vai trò trực tiếp trong nền tảng cuối cùng đã cho phép Avaaj Otalo phục vụ mục đích kép. Avaaj Otalo không chỉ nâng cao sự thịnh vượng kinh tế và hiệu quả nông nghiệp của khu vực, mà còn thúc đẩy kết nối xã hội thông qua việc chia sẻ những câu chuyện và kinh nghiệm và tăng cường mối liên kết giữa những người hàng xóm và các thế hệ gia đình (Patel et al., 2010).
Các sáng kiến tương tự ở các địa điểm rất khác nhau cũng đã củng cố những phát hiện này. Trong một chương trình được phát triển ở Malawi đồng sáng tạo các video hướng dẫn về tiện ích của việc ủ phân để phục hồi sức khỏe của đất và cải thiện năng suất cây trồng, nông dân trong các cuộc phỏng vấn tiếp theo đặc biệt trích dẫn rằng sự xuất hiện của hàng xóm và “nông dân đồng nghiệp” trong các video khuyến khích họ xem xét lại việc thử nghiệm ủ phân (Cai et al., 2019). Hơn nữa, bằng cách kết hợp đầu vào và sự tham gia của các thành viên cộng đồng vào việc phát triển video, cả người tham gia và khán giả đều có thể nhận thức tích cực hơn về sự can thiệp được đề cập so với việc kiến thức chỉ đơn giản được phổ biến thông qua các video kiểu bài giảng từ các cán bộ khuyến nông cấp cao, hầu hết trong số họ thường bị cô lập và tách ra khỏi nhỏ hơn, làng nông nghiệp (Cai và cộng sự, 2019). Xu hướng như vậy phản ánh mong muốn và ưu tiên ngày càng tăng đối với các phương pháp tiếp cận có sự tham gia của khuyến nông.
Trong công việc trước đây, các bài học chính cho phép thành công bao gồm (1) thảo luận về lợi ích và rào cản đối với công nghệ ở từng giai đoạn của dự án (Gandhi et al., 2007); (2) tập trung nông dân từ các cộng đồng bên liên quan vào các nền tảng video và âm thanh thông tin (Gandhi et al., 2007; Patel và cộng sự, 2012; Cai và cộng sự, 2019); và (3) tạo ra các nền tảng mà người dùng có thể sử dụng để chia sẻ nội dung của riêng họ và tăng cường các mối quan hệ mà họ xác định là quan trọng (Patel et al., 2010). Chúng tôi xây dựng dựa trên những phát hiện chính này trong công việc hiện tại của chúng tôi và đóng góp vào công việc chứng minh rằng sự tham gia trực tiếp của các bên liên quan có thể nâng cao đáng kể hiệu quả của các can thiệp phát triển nông nghiệp.
Nghiên cứu điển hình: Nông nghiệp đô thị ở NYC
Với hơn 8 triệu cư dân, Thành phố New York (NYC) có một trong những mạng lưới học viên và địa điểm UA lâu đời nhất và lớn nhất, từ vườn sân sau, vườn cộng đồng, vườn trường, trang trại thương mại, trang trại trên sân thượng, hệ thống thủy canh và aquaponic, đến các cơ sở nông nghiệp môi trường được kiểm soát kỹ thuật hơn (N.Y.C.A.R., 2021). Tính đến năm 2021, có hơn 550 khu vườn cộng đồng GreenThumb trên khắp NYC (NYC Parks Green Thumb, 2021). Những không gian nông nghiệp này có kích thước rất lớn tùy thuộc vào cả không gian có sẵn và được phân bổ bởi các bộ phận khác nhau bao gồm Bộ Giao thông Vận tải (DOT), Bảo vệ Môi trường (DEP) và Quy hoạch Thành phố (DCP). Hiện tại, không gian UA lớn nhất ở NYC trải dài 13,000 m2 và sản xuất 13,000 kg rau mỗi năm (Sở Bảo vệ Môi trường NYC, 2019). Trang trại trên mái nhà Brooklyn Grange và kinh doanh tấm lợp xanh thâm canh đã được tài trợ ngay từ đầu bởi khoản tài trợ trị giá 1.38 triệu đô la được cung cấp thông qua Chương trình Tài trợ Cơ sở hạ tầng Xanh của DEP Thành phố New York (Sở Bảo vệ Môi trường NYC, 2019). Cần lưu ý rằng Chương trình Tài trợ Cơ sở hạ tầng Xanh của DEP loại trừ các chủ sở hữu bất động sản không tư nhân ở NYC khỏi việc trang bị thêm mái nhà xanh, do đó tạo ra những rào cản tiềm ẩn cho những người thuê căn hộ, nhà ở và các không gian khác trên toàn thành phố. Năm 2018, ước tính 1.700 người được nuôi dưỡng bằng sản phẩm từ các khu vườn cộng đồng ở NYC (Hara et al., 2018), chiếm <0,5% trong tổng số 8,4 triệu dân thành phố. Ước tính cho thấy rằng khi tất cả diện tích có sẵn của NYC, bao gồm đất trống, lô đất và các không gian phù hợp khác, được sử dụng để sản xuất lương thực, con số này có thể tăng gấp mười lần (Hara et al., 2018).
Nền tảng thực tế ảo để chia sẻ kiến thức trong nông nghiệp
Mặc dù có nhiều địa điểm văn phòng Khuyến nông Hợp tác xã ở các trung tâm dân số thấp với tỷ lệ cư dân Da đen, Bản địa và Da màu (BIPOC) thấp (Hình 1), VR mang đến cơ hội chia sẻ các phương pháp hay nhất trong nông nghiệp trong các môi trường cộng đồng khác nhau. Với VR, kết nối các văn phòng khuyến nông với nhau và đến các khu vực cần thiết nhất, có thể tạo điều kiện chia sẻ và trải nghiệm học tập nhập vai cho nông dân thành thị và nông thôn trên toàn tiểu bang.
Hình 1. Vị trí của các văn phòng Khuyến nông Hợp tác xã Cornell tại Bang New York. Mặc dù trải rộng khắp tiểu bang ở hơn 55 quận, các văn phòng khuyến nông phần lớn vắng mặt ở những khu vực đông dân nhất với tỷ lệ cư dân không phải là người da trắng lớn nhất. Dữ liệu dân số dựa trên nhân khẩu học của Cục điều tra dân số Hoa Kỳ cho NYS (2020) (Cục điều tra dân số Hoa Kỳ, 2019).
Nền tảng VR cho các chuyến tham quan và trình diễn trang trại
Chúng tôi đã xây dựng một nền tảng nguyên mẫu sử dụng môi trường lập trình Unity 1 để hiện thực hóa tầm nhìn này về truy cập từ xa vào trình diễn và đào tạo tại trang trại thông qua Thực tế ảo. Một số người dùng (chúng tôi đã thử nghiệm tối đa 20) có thể đăng nhập đồng thời vào nền tảng và trải nghiệm chuyến tham quan Trang trại Red Hook ở Brooklyn, NY. Tại các địa điểm được chỉ định trong trang trại, người dùng có thể “đi bộ xung quanh” và trải nghiệm môi trường 3D, trong khi nói chuyện với nhau và người hỗ trợ bằng cách sử dụng trò chuyện âm thanh hoặc văn bản. Khả năng kết nối mạng nhiều người dùng được cung cấp bởi Normcore framework2
Các nội dung đa phương tiện khác cũng có thể được nhúng trong môi trường trang trại – bao gồm các video ngắn, hoạt hình 3D và các đối tượng có thể được thao tác và tương tác (xem Hình 2). Chúng được sử dụng để giới thiệu về trang trại và trình diễn các kỹ thuật và công nghệ cụ thể, chẳng hạn như những kỹ thuật và công nghệ đi kèm với một cuộc trình diễn hoặc tham quan trang trại trực tiếp. Tại Red Hook Farm, những video này sẽ cung cấp cho khách truy cập ảo thông tin về các chương trình ủ phân, nấu ăn và gia cầm của trang trại, cũng như cung cấp lời chứng thực và phỏng vấn với nông dân, tình nguyện viên, thanh niên và các thành viên cộng đồng.
Với HTX Extension và các đối tác khác, Red Hook Farm sẽ sử dụng nguyên mẫu này để giới thiệu đối tượng mới cho trang trại (bao gồm cả nông dân thành thị từ các thành phố khác ở bang New York, như Rochester và Syracuse). Nhân viên khuyến nông và những nông dân khác sẽ có thể học hỏi lẫn nhau và cung cấp phản hồi để tăng cường thực hành cụ thể của nông dân thành thị.
Xây dựng mô hình 3D của các trang trại đô thị
Một khía cạnh thách thức của dự án này là sự phát triển của các mô hình 3D mạnh mẽ và hiệu quả của các trang trại đô thị. Các trang trại thường có kích thước lớn và cực kỳ phức tạp về cấu trúc liên kết và kết cấu 3D của chúng. Do đó, họ tạo ra một bối cảnh hấp dẫn để thử nghiệm một số kỹ thuật mới nhất trong mô hình hóa và kết xuất 3D. Đối với Red Hook Farm, chúng tôi đang sử dụng phương pháp chụp ảnh để tạo ra một bản sao kỹ thuật số của trang trại. Kết hợp hình ảnh trên không và trên mặt đất được chụp trong vài ngày, chúng tôi có thể thu thập đủ dữ liệu để tạo ra một mô hình 3D chính xác và chi tiết của trang web.
Bước đầu tiên trong quá trình này là đưa ảnh chụp từ cả nguồn trên không và trên mặt đất vào một phần mềm chỉnh sửa hình ảnh như Lightoom để phù hợp với màu sắc và giảm vùng sáng / bóng. Quá trình này giúp căn chỉnh hình ảnh và kết cấu cho bước tiếp theo. Sau đó, chúng tôi nhập các hình ảnh đã chỉnh màu vào Reality Capture3, được sử dụng làm giải pháp đo ảnh của chúng tôi để tạo ra pointcloud, mô hình độ phân giải cao và kết cấu ban đầu. Đây là quá trình tính toán chuyên sâu nhất có thể mất nhiều ngày và tài nguyên tính toán đáng kể để tạo ra kết quả.
Khi geo độ phân giải cao được xuất ra khỏi Reality Capture, bước tiếp theo là sử dụng phần mềm mô hình hóa tương tự như Zbrush4 để nối lại geo và giảm số lượng đa giác để có thể quản lý hiển thị bằng cách sử dụng sức mạnh xử lý và bộ nhớ hạn chế của tai nghe VR tiêu dùng hiện có, chẳng hạn như Oculus Quest 25, được bán lẻ với giá khoảng 300 đô la. Hình học sau đó được đưa vào một ứng dụng 3D như Autodesk Maya6 để sửa chữa bất kỳ lỗi nào.
Các bản quét trang trại của chúng tôi ban đầu mang lại hình học chất lượng cao với hơn 100 triệu hình tam giác, cùng với hàng chục tệp kết cấu 8 kilobyte. Một lưới dày đặc sẽ có chi tiết nhất có thể, nhưng sẽ khó hiển thị và tương tác trên phần cứng hạn chế của tai nghe VR. Để giải quyết hạn chế này, các khu vực quan tâm quan trọng sau đó đã được tái cấu trúc liên kết với địa lý đa giác thấp để giảm thêm dấu chân tổng thể của kích thước tệp. Phần lớn quá trình này phải được thực hiện thủ công để duy trì chi tiết và độ trung thực cao. Mô hình cuối cùng, vẫn đang được sản xuất, có khoảng 823.165 hình tam giác.
Thách thức và hạn chế
Việc triển khai các mô hình phức tạp này trên tai nghe thực tế ảo thường có thể thách thức những hạn chế về phần cứng và phần mềm của chúng. Khi khả năng của các tai nghe hướng đến người tiêu dùng này được cải thiện, hiệu suất cũng sẽ được hưởng lợi đáng kể. Trong thời gian chờ đợi, chúng tôi đang sử dụng các kỹ thuật tối ưu hóa và phân đoạn cho phép chúng tôi lưu trữ và hiển thị các mô hình này một cách hiệu quả. Chụp các mô hình 3D chính xác của thực vật từ hình ảnh hoặc video cũng khó khăn do hình học 3D phức tạp và chuyển động của chúng (ví dụ: trong gió). Để giải quyết hạn chế này, chúng tôi đang thử nghiệm các phương pháp đo ảnh mới cho phép tái tạo 3D thực vật chất lượng cao bằng cách sử dụng các kỹ thuật kết xuất thần kinh.
Truy cập vào phần cứng thực tế ảo cũng là một hạn chế đáng kể. Để giải quyết vấn đề này, chúng tôi cũng đang phát triển chức năng cho phép người dùng truy cập các mô hình trang trại và nội dung trình diễn bằng điện thoại thông minh Android. Theo Trung tâm nghiên cứu Pew, 76% người trưởng thành ở Mỹ trong các hộ gia đình kiếm được 30.000 đô la một năm < nói rằng họ sở hữu điện thoại thông minh và sử dụng nó làm cách trực tuyến chính (Vogels, 2021). Ngoài ra, chúng tôi có kế hoạch cung cấp tai nghe VR có thể được cho mượn từ các văn phòng khuyến nông trên khắp các quận.
Kết luận và công việc trong tương lai
Bài viết này đã mô tả công việc của chúng tôi phát triển một nền tảng thực tế ảo để chia sẻ kiến thức ngang hàng trong nông nghiệp đô thị, cũng như bối cảnh địa lý cụ thể của New York nơi nó dự định được triển khai. Chúng tôi tin rằng VR có tiềm năng trở thành một nền tảng mạnh mẽ để tăng cường và tăng cường nông nghiệp đô thị, vì lợi ích của cộng đồng đô thị và tính bền vững, đồng thời cung cấp các dịch vụ hệ sinh thái rộng lớn hơn. Trong tương lai, chúng tôi có kế hoạch khám phá việc triển khai rộng rãi hơn nền tảng của mình với sự hợp tác của các văn phòng khuyến nông trên khắp Tiểu bang New York và với các hệ thống Khuyến nông Hợp tác ở các khu vực khác trên khắp Hoa Kỳ Làm như vậy sẽ cho phép chúng tôi cũng tiến hành nghiên cứu đánh giá hiệu quả của phương pháp tiếp cận, so với các lựa chọn thay thế như hội nghị truyền hình và tham quan trang trại trực tiếp. Chúng tôi hy vọng rằng VR sẽ hỗ trợ một hình thức tham gia dân sự sáng tạo có thể cho phép các thành phố trở nên linh hoạt, bền vững hơn và chỉ thông qua việc hỗ trợ UA và nhiều dịch vụ hệ sinh thái có lợi có được từ nó.
Tuyên bố về tính khả dụng của dữ liệu
Dữ liệu thô hỗ trợ kết luận của bài viết này sẽ được cung cấp bởi các tác giả, mà không cần bảo lưu quá mức.
Đóng góp của tác giả
TP, SE, IM, SL, KC-S và JK-K đã viết bài báo. TP, IM, AJ, BY, BP và KS đã phát triển mô hình VR 3D của trang trại. Tất cả các tác giả đã đóng góp cho bài viết và phê duyệt phiên bản gửi.
Tài trợ
Công việc này được hỗ trợ bởi Viện Thực phẩm và Nông nghiệp Quốc gia của Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ (giải thưởng số 2022-68008-36512), Tài trợ Hạt giống Nghiên cứu Công nghệ Đô thị Cornell Tech, chương trình Smith-Lever (giải thưởng số 2019-20-194), chương trình Thực tập sinh Mùa hè Mở rộng Hợp tác xã Cornell và Trung tâm Bền vững Atkinson.
Xung đột lợi ích
Các tác giả tuyên bố rằng nghiên cứu được thực hiện trong trường hợp không có bất kỳ mối quan hệ thương mại hoặc tài chính nào có thể được hiểu là xung đột lợi ích tiềm ẩn.
Ghi chú của nhà xuất bản
Tất cả các khiếu nại được trình bày trong bài viết này chỉ là của các tác giả và không nhất thiết phải đại diện cho các tổ chức liên kết của họ, hoặc của nhà xuất bản, biên tập viên và người đánh giá. Bất kỳ sản phẩm nào có thể được đánh giá trong bài viết này, hoặc tuyên bố có thể được thực hiện bởi nhà sản xuất của nó, không được đảm bảo hoặc xác nhận bởi nhà xuất bản.
Lời cảm ơn
Chúng tôi rất biết ơn các nhà quản lý trang trại, nông dân trẻ và lực lượng lao động tình nguyện tại Red Hook Farms vì những nỗ lực của họ trong UA được giới thiệu trên nền tảng VR. Chúng tôi cảm ơn Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ Chương trình Viện Thực phẩm và Nông nghiệp Quốc gia, Tài trợ Hạt giống Nghiên cứu Công nghệ Đô thị Cornell Tech, chương trình Smith-Lever (số 2019-20-194) và chương trình Thực tập sinh Mùa hè Mở rộng Hợp tác xã Cornell đã hỗ trợ công việc VR ghi lại UA ở New York. Chúng tôi cũng cảm ơn Trung tâm Bền vững Cornell Atkinson đã cung cấp học bổng sau tiến sĩ cho SE.
Chú thích
Tham khảo
Cai, T., Steinfield, C., Chiwasa, H., và Ganunga, T. (2019). Hiểu về việc nông dân Malawi chậm áp dụng phân trộn: Câu chuyện về việc ủ phân bằng cách sử dụng phương pháp tiếp cận video có sự tham gia. Đất. Xuống cấp. Dev. 30, 1336–1344. doi: 10.1002/LDR.3318
Tóm tắt PubMed | Văn bản đầy đủ của CrossRef | Học giả Google
Conley, T., và Udry, C. (2010). Tìm hiểu về một công nghệ mới: Dứa ở Ghana. Am. Econ. Linh mục 100, 35–69. doi: 10.1257/aer.100.1.35
Ellison, B. N., Paulson, M., Taylor, G., Tonsor, J., và Coppess Schnitkey, G. (2017). “Đánh giá các dịch vụ giáo dục liên quan đến (2014). Hóa đơn nông trại.” Appl. Econ. Khía cạnh. Chính sách 39, 547–558. doi: 10.1093/aepp/ppx043
Gandhi, R., Veeraraghavan, R., Toyama, K., và Ramprasad, V. (2007). Digital Green: Video có sự tham gia của khuyến nông, trong Hội nghị quốc tế về công nghệ thông tin và truyền thông và phát triển năm 2007. Trình bày tại năm 2007. Hội nghị quốc tế về công nghệ thông tin và truyền thông và phát triển (ICTD). Bangalore, Ấn Độ: IEEE. trang 1–10. doi: 10.1109/ICTD.2007.4937388
Tóm tắt PubMed | Văn bản đầy đủ của CrossRef | Học giả Google
Gould, F. I., Steele, D., và Woodrum, WJ (2014). Mở rộng hợp tác: Một thế kỷ đổi mới. J. Ext. 52.
Hara, Y., McPhearson, T., Sampei, Y., và McGrath, B. (2018). Đánh giá tiềm năng nông nghiệp đô thị: một nghiên cứu so sánh của Osaka, Nhật Bản và thành phố New York, Hoa Kỳ. Bền vững. Khoa học. 13, 937–952. doi: 10.1007/s11625-018-0535-8
Hill, MJ (2021). Cornell Cooperative Extension đặt ra con đường trở thành tổ chức chống phân biệt chủng tộc kiểu mẫu [Tài liệu WWW]. Biên niên sử Cornell. Truy cập trực tuyến tại: https://news.cornell.edu/stories/2021/06/cornell-cooperative-extension-sets-path-toward-becoming-model-antiracist (truy cập ngày mồng 1 tháng Mười một năm 2021).
LaValle, S. (2020). Thực tế ảo. Cambridge: Nhà xuất bản Đại học Cambridge. Có sẵn trực tuyến tại: http://vr.cs.uiuc.edu/vrjournalbig.pdf
Lawson, L. (2016). Nông nghiệp: Gieo hạt thành phố. Tính. 540, 522–523. doi: 10.1038/540522a
Tóm tắt PubMed | Văn bản đầy đủ của CrossRef | Học giả Google
Lubell, M., Niles, M. T., và Hoffman, M. (2014). Giáo dục nông nghiệp và tiếp cận cộng đồng trong thời đại kết nối. J. Soc. Nat. Resour. 27, 1089–1103 doi: 10.1080/08941920.2014.933496
Matsumoto, N. (2018). Bên trong nỗ lực mang lại công bằng chủng tộc cho các trường đại học cấp đất [Tài liệu WWW]. Ăn uống dân sự. Truy cập trực tuyến tại: https://civileats.com/2018/05/30/inside-the-push-to-bring-racial-equity-to-land-grant-universities/ (truy cập ngày mồng 1 tháng Mười một năm 2021).
McClintock, N., Miewald, C., và McCann, E. (2021). Quản lý nông nghiệp đô thị: Chính thức hóa, kháng chiến và tái định hình ở hai thành phố ‘xanh’. Quốc tế J. Đô thị Reg. Res. 45, 498–518. doi: 10.1111/1468-2427.12993
N.Y.C.A.R. (2021). Tài nguyên – Nông nghiệp đô thị. Nyc.Gov. Có sẵn trực tuyến tại: https://www1.nyc.gov/site/agriculture/resources/resources.page
Cục Bảo vệ Môi trường NYC (2019). DEP 2019. Báo cáo thường niên. NYC.Gov. Có sẵn trực tuyến tại: https://www1.nyc.gov/assets/dep/downloads/pdf/water/stormwater/green-infrastructure/gi-annual-report-2019.pdf
Công viên NYC Green Thumb (2021). Công viên NYC. Có sẵn trực tuyến tại: https://greenthumb.nycgovparks.org
Patel, N., Chittamuru, D., Jain, A., Dave, P., và Parikh, T. S. (2010). Avaaj Otalo: một nghiên cứu thực địa về một diễn đàn giọng nói tương tác cho nông dân nhỏ ở nông thôn Ấn Độ, trong Kỷ yếu của Hội nghị quốc tế lần thứ 28 về các yếu tố con người trong hệ thống máy tính – CHI’10. Trình bày tại Hội nghị quốc tế lần thứ 28. Atlanta, Georgia, Hoa Kỳ: Nhà xuất bản ACM. trang 733. doi: 10.1145/1753326.1753434
Patel, N., Shah, K., Savani, K., Klemmer, S. R., Dave, P., và Parikh, T. S. (2012). Quyền lực cho các đồng nghiệp: thẩm quyền về hiệu ứng nguồn cho một dịch vụ thông tin nông nghiệp dựa trên giọng nói ở nông thôn Ấn Độ, trong Kỷ yếu của Hội nghị quốc tế lần thứ năm về công nghệ thông tin và truyền thông và phát triển – ICTD’12. Trình bày tại Hội nghị quốc tế lần thứ năm. Atlanta, Georgia: Nhà xuất bản ACM. trang 169. doi: 10.1145/2160673.2160696
Reynolds, K., và Cohen, N. (2016). Ngoài cải xoăn: Nông nghiệp đô thị và hoạt động công bằng xã hội ở thành phố New York, Địa lý của công lý và chuyển đổi xã hội. Athens: Nhà in Đại học Georgia.
Cục điều tra dân số Hoa Kỳ (2019). Khảo sát Cộng đồng Hoa Kỳ Thu nhập trung bình theo vùng điều tra dân số (ước tính 5 năm). Có sẵn trực tuyến tại: https://data.census.gov/cedsci/table?q=median%20incomeandg=0100000US%241400000_0400000US36andtid=ACSST5Y2019.S1903andhidePreview=true
Cục điều tra dân số Hoa Kỳ (2020). Dân số bang New York. Có sẵn trực tuyến tại: https://www.census.gov/library/stories/state-by-state/new-york-population-change-between-census-decade.html
Vogels, E. (2021). Khoảng cách kỹ thuật số vẫn tồn tại ngay cả khi người Mỹ có thu nhập thấp hơn đạt được lợi ích trong việc áp dụng công nghệ. Trung tâm nghiên cứu Pew. Truy cập trực tuyến tại:https://www.pewresearch.org/fact-tank/2021/06/22/digital-divide-persists-even-as-americans-with-lower-incomes-make-gains-in-tech-adoption/ (truy cập ngày 14 tháng Mười một năm 2021).
Trích dẫn: Parikh T, Egendorf SP, Murray I, Jamali A, Yee B, Lin S, Cooper-Smith K, Parker B, Smiley K và Kao-Kniffin J (2022) Xanh hóa thành phố thông minh ảo: Tăng tốc học tập ngang hàng trong nông nghiệp đô thị với môi trường thực tế ảo. Mặt trận. Chịu. Thành phố 3:815937. doi: 10.3389/frsc.2021.815937
Ngày nhận: 16/11/2021; Nghiệm thu: 27/12/2021;
Ngày đăng: 03 tháng 2 năm 2022.
Ali Cheshmehzangi, Đại học Nottingham Ningbo, Trung Quốc
Asli Ceylan Oner, Đại học Kinh tế Ǐzmir, Thổ Nhĩ Kỳ
Bản quyền © 2022 Parikh, Egendorf, Murray, Jamali, Yee, Lin, Cooper-Smith, Parker, Smiley và Kao-Kniffin. Đây là một bài viết truy cập mở được phân phối theo các điều khoản của Giấy phép Ghi công Creative Commons (CC BY). Việc sử dụng, phân phối hoặc sao chép trong các diễn đàn khác được cho phép, miễn là (các) tác giả gốc và (các) chủ sở hữu bản quyền được ghi nhận và ấn phẩm gốc trong tạp chí này được trích dẫn, phù hợp với thông lệ học thuật được chấp nhận. Không được phép sử dụng, phân phối hoặc sao chép không tuân thủ các điều khoản này.
*Thư: Jenny Kao-Kniffin, jtk57@cornell.edu
†Các tác giả này đã đóng góp như nhau cho tác phẩm này và chia sẻ quyền tác giả đầu tiên
Disclaimer: Tất cả các tuyên bố được thể hiện trong bài viết này chỉ là của các tác giả và không nhất thiết phải đại diện cho các tổ chức liên kết của họ, hoặc của nhà xuất bản, biên tập viên và người đánh giá. Bất kỳ sản phẩm nào có thể được đánh giá trong bài viết này hoặc khiếu nại có thể được đưa ra bởi Nhà sản xuất không được đảm bảo hoặc xác nhận bởi nhà xuất bản.
Introduction
The face of farming is changing rapidly as the national population becomes increasingly urbanized. Rural farmers are declining and represent <2% of the national workforce (Lubell et al., 2014). Meanwhile, urban agriculture (UA) is on the rise nationally and globally and provides an opportunity to develop novel tools and frameworks that can straddle traditional questions about productivity and risk with more nuanced inquiries around participation and equity (Lawson, 2016). One key question for urban farming is about who participates, and who benefits (McClintock et al., 2021)? Farmer-to-farmer networking is a central component of knowledge adoption and transfer that can be augmented by the use of virtual platforms and electronic documentation (Conley and Udry, 2010; Patel et al., 2010). While attention and resources for UA can center on affluent entrepreneurs and recent suburban migrants into cities that operate within the structures of gentrification (Reynolds and Cohen, 2016), there is a need to recognize and support the efforts of working-class communities and communities of color who continue to create the foundation and many benefits of UA. New approaches can and should be developed to connect urban farming with technology innovation and education, to enable new career pathways and collaboration opportunities for sustainable and regenerative agriculture.
Virtual reality and digital media sharing can be seen as modern forms of on-farm demonstrations that characterized the first century of agricultural extension. Peer-to-peer learning dominated American farming in the 20th century through the formalization of the national Cooperative Extension System with the passage of the Smith-Lever Act of 1914 (Gould et al., 2014). Cooperative Extension partners with the United States Department of Agriculture to support the delivery of evidence-based research findings from land grant universities to farmers in rural communities that apply the knowledge gained into their farming practices. Cooperative Extension acts at the local level, whereby each state has at least one land grant university paired with a state-wide Cooperative Extension System with offices of extension agents in nearly every county (Ellison et al., 2017). The system of extension was created during a time when the U.S. population was largely rural and the percentage of farmers in the national workforce was 30–40%. With an infrastructure that still represents the original county-based operations of programming led by extension agents, there are barriers to both extension-to-farmer and farmer-to-farmer knowledge transfer.
A growing number of farming operations in cities indicates the changing demographics of farming but the system of peer-to-peer learning is still based on rural agriculture. Most Cooperative Extension offices are located in rural areas and the farming demonstrations are typically located in rural areas, including university research stations. For urban farmers, gaining access to relevant information on urban farming from land grant universities may require the adoption of new modes of communication. For these reasons, virtual reality and other technologically mediated platforms should be developed to enable farmer-to-farmer networking and community engagement for a range of urban and rural stakeholders that represent our modern constituencies.
We propose the use of virtual reality (VR) in agricultural extension that builds on participatory approaches to Information and Communications Technology (ICT) to address specific racial and economic needs in urban agriculture (UA). We situate this work in New York State, as one of 50 Cooperative Extension systems that has a rapidly urbanizing state population of over 87% urban residents, of which 44% of the state population resides in one municipality—New York City (U.S. Census Bureau, 2020). We describe a pilot participatory VR extension innovation program with Red Hook Farms, a 1.2 hectare organic farm in New York City (Brooklyn). We provide background on VR, participatory approaches to ICT and media dissemination in agricultural extension. We then describe the VR platform being developed with urban farmers in Brooklyn and conclude with a discussion of limitations and possibilities for future work.
Virtual Reality and Information and Communications Technology
What Is Virtual Reality?
The Oxford Dictionary defines Virtual Reality as “the computer-generated simulation of a three-dimensional image or environment that can be interacted with in a seemingly real or physical way by a person using special electronic equipment, such as a helmet with a screen inside or gloves fitted with sensors.” One of the goals of VR is to induce “targeted behavior in an organism by using artificial sensory stimulation, while the organism has little or no awareness of the interference” (LaValle, 2020). In other words, VR is an ensemble of computer-generated displays that direct a person to behave naturally as if they were present in that space, and thereby (at least visually, aurally and sometimes haptically) resembling an in situ experience.
For many years, the idea and practice of virtual reality remained cloistered in research labs and for specialized high-performance industries, like medicine, aviation, or the military. For example, pilots in training can learn to fly in a virtual reality experience without having to be in an actual plane. In recent years, driven by applications like gaming and entertainment, and the availability of lower-cost and higher-powered head-mounted displays (HMDs), virtual reality is seeing increased consumer adoption. With this technology, a plethora of opportunities emerge for learning and empathy in immersive environments (LaValle, 2020). By engaging three of the five senses through virtual reality, people are afforded another mode of social interaction (LaValle, 2020). This technology affords a new way of community; one that transcends physical location and two-dimensional screens. Our experience is that whenever these new media and communications technologies reach a price point that favors consumer adoption, farmers are often amongst the first and most enthusiastic adopters. While there are still challenges and gaps on the hardware and software side (as discussed later), we believe that the time is ripe to explore the use of these technologies for emerging applications like agricultural extension.
Why Virtual Reality for Agriculture Extension?
Agricultural extension presents a compelling use case for virtual reality, because of the potential to simulate “in situ” experiences, without the cost and expense of traveling to a remote field or demonstration site. In a large state like New York, this could provide opportunities for knowledge transfer and learning between geographically separated locations. For example, an agricultural extension specialist in Western New York might conduct a virtual 600-km “visit” to an urban farm in New York City, as a way to expose community housing residents in Buffalo, NY to the possibilities that urban farming offers. Alternatively, a demonstration farm 200-km away in the premiere organic farming communities of the Hudson Valley could use virtual reality to educate farmers in New York City about new seed varieties, organic pest management, or other innovations. Given the nation-wide and ongoing efforts of Land Grant Institutions to respond to systemic racism and land reform (Matsumoto, 2018; Hill, 2021), we propose the use of participatory VR to co-create equitable and technologically innovative spaces for farmer-to-farmer learning. In the next section, we discuss how our research group and others have used technologies like digital video and mobile phones for the same purpose in other geographic contexts.
Prior Work Using Technology and Media for Distance Learning in Agriculture
To avoid pitfalls and inform the creation of VR for agricultural extension, we look to prior work using technology in agricultural extension that has demonstrated effective co-creation of knowledge and the building of sustainable partnerships between extension agents, larger organizations, and communities. In Gujarat, India, an interactive mobile voice forum known as Avaaj Otalo (“voice stoop”) revealed the necessity of centering community input as early as the inception and planning stages of extension initiatives. When designing Avaaj Otalo as a voice-based service, it was only by first speaking with community members that wide rates of illiteracy were made known, articulating the barriers of relying on written or SMS-based communication despite the high prevalence of mobile phones (Patel et al., 2010). These interviews also pointed to another critical factor for the sustained engagement and success of the platform: whether participants would be able to hear the voices of peers when interacting with the service rather than scientists (Patel et al., 2012). The shift to center not only community visions in theory, but manifesting such preferences by giving members opportunities to play direct roles within the platform ultimately allowed Avaaj Otalo to serve a dual purpose. Avaaj Otalo not only enhanced the economic prosperity and agricultural efficiency of the region, but also fostered social connectivity through the sharing of stories and experiences and strengthening the inter-communal bonds between neighbors and generations of families (Patel et al., 2010).
Similar initiatives in vastly different locations have also reinforced these findings. In a program developed in Malawi that co-created instructional videos on the utility of composting for restoring soil health and improving crop yields, farmers in follow-up interviews particularly cited that the appearance of neighbors and “fellow farmers” in the videos encouraged them to reconsider experimenting with composting (Cai et al., 2019). Moreover, by incorporating community members’ input and participation in the development of the videos, both participants and audience members were able to be left with a more positive perception of the intervention in question than if the knowledge had simply been disseminated through lecture-style videos from high-level extension officers, most of whom are typically isolated and detached from smaller, agrarian villages (Cai et al., 2019). Such a trend reflects the growing desire and preference for participatory approaches to agricultural extension.
In this previous work, the key lessons that enabled success included (1) discussing interests and barriers to technology at each stage of the project (Gandhi et al., 2007); (2) centering farmers from stakeholder communities in informational video and audio platforms (Gandhi et al., 2007; Patel et al., 2012; Cai et al., 2019); and (3) creating platforms that users can use to share their own content and enhance relationships they determine to be important (Patel et al., 2010). We build off of these key findings in our current work, and contribute to work demonstrating that direct involvement of stakeholders can greatly enhance the efficacy of agricultural development interventions.
Case Study: Urban Agriculture In NYC
With over 8 million residents, New York City (NYC) has one of the oldest and largest networks of UA practitioners and sites that range from backyard gardens, community gardens, school gardens, commercial farms, rooftop farms, hydroponic and aquaponic systems, to more technical controlled environment agriculture facilities (N.Y.C.A.R., 2021). As of 2021, there are over 550 GreenThumb community gardens throughout NYC (NYC Parks Green Thumb, 2021). These agricultural spaces range vastly in size depending on both the available and allotted space granted by various departments including the Department of Transportation (DOT), Environmental Protection (DEP), and City Planning (DCP). Currently, the largest UA space in NYC spans 13,000 m2 and produces 13,000 kg of vegetables every year (NYC Department of Environmental Protection, 2019). The Brooklyn Grange rooftop farm and intensive green roofing business was funded in its inception by a $1.38 million grant provided through the New York City DEP’s Green Infrastructure Grant Program (NYC Department of Environmental Protection, 2019). It should be noted that the DEP’s Green Infrastructure Grant Program excludes non-private NYC property owners from green roof retrofitting, thus creating potential barriers for people who are renters of city-wide apartments, homes and other spaces. In 2018 1,700 people were estimated to be fed by produce from community gardens in NYC (Hara et al., 2018), which represented <0.5% of the of 8.4 million city population. Estimates show that when all NYC available acreage, including vacant lands, lots and other suitable spaces, are utilized for food production, this figure can increase ten-fold (Hara et al., 2018).
Virtual Reality Platform for Knowledge Sharing In Agriculture
Despite having many Cooperative Extension office locations in low population centers with low percentages of Black, Indigenous, and People of Color (BIPOC) residents (Figure 1), VR presents an opportunity to share best practices in agriculture in different community settings. With VR, connecting extension offices together, and to areas where they are most needed, can facilitate sharing and immersive learning experiences for urban and rural farmers across the state.
Figure 1. Location of Cornell Cooperative Extension offices in New York State. While spread across the state in over 55 counties, the extension offices are largely absent in the most populous regions with the greatest percentages of non-White residents. Population data are based on the U.S. Census Bureau demographics for NYS (2020) (U.S. Census Bureau, 2019).
A VR Platform for Farm Tours and Demonstrations
We have built a prototype platform using the Unity programming environment to realize this vision of remote access to on-farm demonstration and training through Virtual Reality. Several users (we have tested up to 20) are able to simultaneously log on to the platform and experience a tour of Red Hook Farm in Brooklyn, NY. At designated locations on the farm, users are able to “walk around” and experience the 3D environment, while talking to one another and the facilitator using audio or text chat. Multi-user networking capabilities are provided by the Normcore framework
Other media content can also be embedded in the farm environment–including short videos, 3D animations and objects that can be manipulated and interacted with (see Figure 2). These are used to provide an introduction to the farm, and for demonstrations of specific techniques and technologies, such as those that would accompany an in-person farm demonstration or tour. At Red Hook Farm, these videos will provide virtual visitors with information about the farm’s composting, cooking, and poultry programs, as well as provide testimonials and interviews with farmers, volunteers, youth, and community members.
Figure 2. Screenshots of our VR platform showing a user represented by an avatar interacting with an embedded video clip (top image). Aerial views of the 3D model of Red Hook Farm in Brooklyn, New York featuring solar panel arrays, processing shed, postharvest storage, composting area, herbal and medicinal plant garden, high tunnels for vegetable production, apiaries, chicken coop, and diversified perennial and annual crop production.
With Cooperative Extension and other partners, Red Hook Farm will use this prototype to introduce new audiences to the farm (including urban farmers from other cities in New York State, like Rochester and Syracuse). Extension staff and other farmers will be able to learn from each other and provide feedback that would enhance the specific practices of urban farmers.
Building 3D Models of Urban Farm Sites
One challenging aspect of this project has been the development of robust and efficient 3D models of urban farms. Farms are typically large in size, and incredibly complex in terms of their 3D topology and textures. As such, they create a compelling context for experimenting with some of the latest techniques in 3D modeling and rendering. For Red Hook Farm, we are using the method of photogrammetry to create a digital replica of the farm. Combining aerial and terrestrial images taken over a course of a few days we were able to gather enough data to generate an accurate and detailed 3D model of the site.
The first step in the process is to bring photos taken from both aerial and terrestrial sources into an image editing software such as Lightoom to match color and to reduce highlights/shadows. This process helps with image alignment and texturing for the next step. We then import the color corrected images into Reality Capture, which is used as our photogrammetry solution to generate the pointcloud, high resolution model and initial textures. This is the most computationally intensive process that can take days and significant computing resources to produce results.
Once the high resolution geo is exported out of Reality Capture, the next step is to use a modeling software similar to Zbrush to remesh the geo and reduce the polygonal count so that it is manageable to render using the limited processing power and memory of currently available consumer VR headsets, such as the Oculus Quest 2, which retails for about $300. The geometry is then taken into a 3D application such as Autodesk Maya to fix any defects.
Our scans of the farm initially yielded a high quality geometry with over 100 million triangles, along with dozens of 8 kilobyte texture files. A mesh that dense will have the most possible detail, but will be difficult to render and interact with on the limited hardware of a VR headset. To address this limitation, significant areas of interest were then retopologized with low polygon geo to further reduce the overall footprint of the file size. Much of this process must be done manually to maintain detail and high fidelity. The final model, which is still in production, has approximately 823,165 triangles.
Challenges and Limitations
Deploying these complex models on virtual reality headsets can often challenge their hardware and software limitations. As the capabilities of these consumer-oriented headsets improve, performance should also benefit significantly. In the meantime, we are using optimization and segmentation techniques that allow us to store and render these models efficiently. Capturing accurate 3D models of plants from imagery or video is also difficult due to their complex 3D geometry and their movement (e.g., in the wind). To address this limitation, we are experimenting with novel photogrammetry methods that will enable high-quality 3D reconstruction of plants using neural rendering techniques.
Access to virtual reality hardware is also a significant limitation. To address this, we are also developing functionality that would allow users to access the farm models and demonstration content using an Android smartphone. According to Pew Research Center, 76% of U.S. adults in households making < $30,000 a year say they own a smartphone and use that as their main way of going online (Vogels, 2021). In addition, we plan to provide VR headsets that can be loaned out from extension offices across counties.
Conclusion and Future Work
This paper has described our work developing a virtual reality platform for peer-to-peer knowledge sharing in urban agriculture, as well as the specific geographic context of New York where it is intended to be deployed. We believe that VR has the potential to become a powerful platform for strengthening and enhancing urban agriculture, for the benefits of urban communities and sustainability, and the provision of broader ecosystem services. In the future, we plan to explore wider deployment of our platform in collaboration with extension offices across New York State, and with Cooperative Extension systems in other regions across the U.S. Doing so will allow us to also conduct research assessing the efficacy of the approach, in comparison to alternatives such as video-conferencing and in-person farm tours. We expect that VR will support an innovative form of civic engagement that can enable cities to become more resilient, sustainable, and just through supporting UA and the many beneficial ecosystem services derived from it.
Data Availability Statement
The raw data supporting the conclusions of this article will be made available by the authors, without undue reservation.
Author Contributions
TP, SE, IM, SL, KC-S, and JK-K wrote the article. TP, IM, AJ, BY, BP, and KS developed the VR 3D model of the farm. All authors contributed to the article and approved the submitted version.
Funding
This work was supported by the United States Department of Agriculture National Institute for Food and Agriculture (award no. 2022-68008-36512), the Cornell Tech Urban Tech Research Seed Grant, the Smith-Lever program (award no. 2019-20-194), the Cornell Cooperative Extension Summer Interns program, and the Atkinson Center for Sustainability.
Conflict of Interest
The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.
Publisher’s Note
All claims expressed in this article are solely those of the authors and do not necessarily represent those of their affiliated organizations, or those of the publisher, the editors and the reviewers. Any product that may be evaluated in this article, or claim that may be made by its manufacturer, is not guaranteed or endorsed by the publisher.
Acknowledgments
We are grateful to the farm managers, youth farmers, and volunteer work force at Red Hook Farms for their efforts in UA featured on the VR platform. We thank the U.S. Department of Agriculture National Institute of Food and Agriculture program, the Cornell Tech Urban Tech Research Seed Grant, the Smith-Lever program (no. 2019-20-194), and the Cornell Cooperative Extension Summer Interns program for supporting the VR work documenting UA in New York. We also thank the Cornell Atkinson Center for Sustainability for providing a postdoctoral fellowship to SE.
Footnotes
References
Cai, T., Steinfield, C., Chiwasa, H., and Ganunga, T. (2019). Understanding Malawian farmers’ slow adoption of composting: Stories about composting using a participatory video approach. Land. Degrad. Dev. 30, 1336–1344. doi: 10.1002/ldr.3318
Conley, T., and Udry, C. (2010). Learning about a new technology: Pineapple in Ghana. Am. Econ. Rev. 100, 35–69. doi: 10.1257/aer.100.1.35
Ellison, B. N., Paulson, M., Taylor, G., Tonsor, J., and Coppess Schnitkey, G. (2017). “Evaluation of educational offerings associated with the (2014). Farm Bill.” Appl. Econ. Perspect. Policy 39, 547–558. doi: 10.1093/aepp/ppx043
Gandhi, R., Veeraraghavan, R., Toyama, K., and Ramprasad, V. (2007). Digital Green: Participatory video for agricultural extension, in 2007 International Conference on Information and Communication Technologies and Development. Presented at the 2007. International Conference on Information and Communication Technologies and Development (ICTD). Bangalore, India: IEEE. p. 1–10. doi: 10.1109/ICTD.2007.4937388
Gould, F. I., Steele, D., and Woodrum, W. J. (2014). Cooperative extension: A century of innovation. J. Ext. 52.
Hara, Y., McPhearson, T., Sampei, Y., and McGrath, B. (2018). Assessing urban agriculture potential: a comparative study of Osaka, Japan and New York city, United States. Sustainabil. Sci. 13, 937–952. doi: 10.1007/s11625-018-0535-8
Lubell, M., Niles, M. T., and Hoffman, M. (2014). Agricultural education and outreach in the age of connectivity. J. Soc. Nat. Resour. 27, 1089–1103 doi: 10.1080/08941920.2014.933496
McClintock, N., Miewald, C., and McCann, E. (2021). Governing urban agriculture: Formalization, resistance and re-visioning in two ‘green’ cities. Int. J. Urban Reg. Res. 45, 498–518. doi: 10.1111/1468-2427.12993
Patel, N., Chittamuru, D., Jain, A., Dave, P., and Parikh, T. S. (2010). Avaaj Otalo: a field study of an interactive voice forum for small farmers in rural India, in Proceedings of the 28th International Conference on Human Factors in Computing Systems – CHI’10. Presented at the the 28th International Conference. Atlanta, Georgia, USA: ACM Press. p. 733. doi: 10.1145/1753326.1753434
Patel, N., Shah, K., Savani, K., Klemmer, S. R., Dave, P., and Parikh, T. S. (2012). Power to the peers: authority of source effects for a voice-based agricultural information service in rural India, in Proceedings of the Fifth International Conference on Information and Communication Technologies and Development – ICTD’12. Presented at the the Fifth International Conference. Atlanta, Georgia: ACM Press. p. 169. doi: 10.1145/2160673.2160696
Reynolds, K., and Cohen, N. (2016). Beyond the kale: Urban agriculture and social justice activism in New York City, Geographies of justice and social transformation. Athens: The University of Georgia Press.
<
p style=”text-align: justify;”>
Source link
