《International Journal of Forest Engineering》：Extended reality applications in forest management and operations: a review
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本综述系统审视了扩展现实（Extended Reality, XR）技术——包括虚拟现实（Virtual Reality, VR）、增强现实（Augmented Reality, AR）及混合现实（Mixed Reality, MR）——在森林经营与作业中的融
本综述系统审视了扩展现实（Extended Reality, XR）技术——包括虚拟现实（Virtual Reality, VR）、增强现实（Augmented Reality, AR）及混合现实（Mixed Reality, MR）——在森林经营与作业中的融合应用。研究人员综合分析了XR技术在林业关键领域的应用：采伐作业、森林资源清查与制图、火灾管理、生物多样性监测、培训以及利益相关方参与。对2014—2024年间65项研究（尤其2020—2024年）的回顾揭示，2019年后林业XR研究呈急剧增长态势：VR由于在可控环境中易于部署而占据主导地位（约占研究的72%），而AR（约占23%）则随着移动/可穿戴技术的进步而持续增长。研究人员分析了技术使能因素（硬件——如头戴式显示器、无人机、移动设备——及软件平台——如游戏引擎）并讨论了人为因素（可用性、用户接受度）。关键挑战包括技术限制（如林冠下精确空间配准、数据互操作性、设备坚固性）以及环境与组织约束（偏远地区网络连接、成本、用户培训需求）。研究人员强调新兴趋势——人工智能（Artificial Intelligence, AI）赋能数据处理、森林数字孪生（digital twin）开发、多用户协作式XR——作为增强林业XR能力的发展路径。研究人员强调XR通过沉浸式可视化、交互式情景模拟及改进决策支持以推进精准林业（precision forestry）与可持续管理的变革潜力，并就提升XR的精度、效率与采纳率提出建议。
**引言**
森林是复杂的社会-生态系统，其可持续管理受益于先进数字工具的应用。扩展现实（XR）作为涵盖VR、AR和MR的沉浸式技术统称，已成为增强林业空间、生态及作业数据可视化与理解的有力手段。本综述采用"XR模态"（XR modality）指代各研究中的具体技术实现（VR、AR或MR），并将"数字孪生"（digital twins）定义为动态、数据驱动的森林系统虚拟表征，整合真实世界数据与模拟及可视化能力。本综述构建了一个功能分类框架，将XR应用划分为四类主要功能：（1）可视化（visualization），支持复杂空间与生态数据的沉浸式表达；（2）交互（interaction），使用户能够实时探索与操控森林信息；（3）模拟（simulation），允许评估择伐经营或干扰动态等替代管理方案；（4）协作（collaboration），通过多用户环境促进利益相关者之间的共识形成与参与式决策。XR技术通过将数字信息与物理森林环境融合或创建逼真的虚拟森林情景，弥合数据分析与地面决策之间的鸿沟。VR模拟器允许森林管理者和机械操作员与详细的虚拟森林及机械交互，实现安全的培训和情景规划；AR应用则可将地理参考数据（地图、树木测度、危险标记）叠加至真实森林视图中，为野外作业提供实时决策支持。
**研究目的**
本研究旨在批判性回顾和综合XR技术在林业研究与实践中的前沿应用，尤其关注2020年以来的发展。通过分析2014—2024年的核心文献数据集（2025年文献仅作为背景参考），研究人员考察了VR、AR和MR技术在森林作业、资源清查与制图、管理规划与决策支持、培训教育及利益相关者参与等关键林业领域的应用，评估其效益与挑战，识别当前趋势与新兴创新，并探讨技术、实践和人为因素等持续存在的障碍。
**材料与方法**
本研究遵循系统综述与荟萃分析首选报告项目（PRISMA）指南，检索了2014年1月1日至2024年12月31日期间发表于Scopus、Web of Science、ScienceDirect、IEEE Xplore和SpringerLink五个数据库的文献。检索策略采用XR相关术语（"extended reality"、"virtual reality"、"augmented reality"、"mixed reality"、"XR"、"VR"、"AR"、"MR"、"immersive technology"及特定设备/平台名称如"HoloLens"、"Google Glass"、"Unity3D"等）与林业相关术语（"forestry"、"forest management"、"silviculture"、"forest inventory"、"forest operations"、"wildfire"等）的布尔组合。纳入标准包括：（1）明确涉及应用于林业或森林相关情境的XR技术；（2）呈现实证发现或详细技术实现；（3）具有方法学严谨性和林业实践相关性。排除标准包括非真实森林环境研究、综述/社论、方法模糊或样本量过小、非英文及无法获取全文的文献。经过去重、标题/摘要筛选和全文评估，最终纳入65项研究进行定性和定量综合分析。
**结果**
**XR在林业研究中应用的时间趋势**
综述揭示近年来XR相关林业研究快速增长。2019年后出版活动显著加速，2020年间研究数量约翻倍，此后保持高位，2023年达到峰值。整体趋势呈指数增长而非线性增长，表明XR在林业领域从新兴概念逐步转变为主流研究主题。许多早期研究聚焦于探索性原型或概念实现，而近期研究更多涉及应用部署、技术验证或用户评估，反映出林业XR研究从早期实验向应用研究和实施转变。
**技术偏好：VR与AR在林业应用中的比较**
65项研究中，约71.7%采用VR作为主要XR模态，约23.3%聚焦AR，其余约5%整合AR与VR。VR的主导地位归因于其在模拟森林情景时的若干实用优势：完全控制环境变量（地形、天气、树木位置等）、室内使用避免野外技术障碍、无需考虑天气、连接性和安全风险等现实约束。2020年前，多数VR林业应用集中于培训和可控环境中的模拟。约2020年起，随着移动AR技术进步，AR应用开始增加，但仍限于小规模试点或短期演示。混合MR应用虽稀少（约5%），但在2023年显示出最高增长率，代表了将AR野外数据采集与VR协作分析相集成的方向。
**XR在森林经营与作业中部署的挑战**
通过词频分析和主题提取，研究识别出技术、环境和人为三个重叠领域的挑战。技术挑战方面，实现真实感和精确性困难，森林结构的复杂性、高分辨率地形和详细树木模型的需求对GPU（graphics processing units）构成压力；AR应用中厘米级精度的空间配准因全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System, GNSS）误差和传感器噪声而难以实现。数据体量与集成方面，森林包含海量复杂数据集（激光雷达LiDAR、摄影测量、详细野外调查），异构三维数据源（点云、多边形网格、GIS图层）的集成需要定制软件开发，数据互操作性缺乏标准框架。环境约束方面，森林的 uneven terrain、物理障碍、不可靠的电源和网络连接构成挑战；设备屏幕在阳光下不可读、雨雪寒冷降低性能、林冠干扰摄像头同步定位与地图构建（Simultaneous Localization and Mapping, SLAM）或GNSS精度。用户体验与参与方面，VR中的晕动症、长时间佩戴头显的不适、不熟悉沉浸式技术的用户界面交互困难；用户接受度强烈依赖于可用性、人体工学和培训需求。
**森林经营与作业中XR的主导工具与平台**
软件平台方面，Unity emerge为最广泛使用的开发平台，因其灵活的3D环境和对VR/AR的强支持；Unreal Engine出现频率较低，主要用于需要高保真视觉效果的项目。VR头显方面，Oculus（现Meta Quest）和HTC Vive为最主要设备，2016年后Oculus Rift及后来的独立式Quest成为主导平台；HTC Vive及其Pro版本因房间规模追踪而广泛应用。AR平台与设备方面，基于Android的移动设备是最常见硬件平台，使用ARCore框架； standalone AR头显以Microsoft HoloLens为主，但受高成本和户外可用性问题限制。数据采集与感知工具方面，无人机（DJI系列）用于采集影像、视频或LiDAR扫描以生成XR内容；GoPro等运动相机用于制作360度训练视频；移动和背包式LiDAR系统用于生成森林点云。软件和建模工具方面，Photoshop用于纹理或全景图像编辑，SketchUp用于创建3D模型，GIS软件用于生成基础地图或地形数据。
**XR研究在森林经营与作业中的位置与尺度**
地理分布方面，XR林业研究地理分布不均，中国 accounted for最大份额，其次为美国，若干欧洲国家和新西兰贡献较小；地理分布与技术研发能力和投资相关，而非与森林面积直接对应。空间尺度方面，约58.3%的研究聚焦于模拟森林的虚拟环境；约16.7%在景观尺度使用AR技术；约11.7%直接增强真实林分；仅约8.3%聚焦于单木水平AR；约5%为混合环境，结合AR和VR元素。
**讨论**
**关键发现的解读**
2019年后XR林业研究急剧增长，VR因其实用优势主导研究格局，而AR因野外环境的技术挑战份额较小。这一不平衡反映了林业研究者迄今与沉浸式技术互动的方式：VR规避了野外条件的技术障碍，早期采用集中于场外的培训与可视化应用。主要瓶颈不仅在于技术，还包括数据管理和以人为中心的因素。地理和应用尺度发现揭示出显著错配：XR林业研究最活跃的国家倾向于具有强大R&D基础设施和技术部门的国家，而非森林资源最丰富的国家。空间尺度上，大多数研究偏好完全虚拟的森林或景观尺度AR，而非真实森林中的单木或林分尺度AR，反映出创建可靠单木水平AR的技术困难。
**从综述研究中汲取的经验教训**
XR增强林业精度与数据可视化：XR平台在直观交互式格式中整合和显示复杂森林数据方面表现卓越，VR环境使用户能够"步入"数据并识别运营瓶颈。森林运营与情景模拟是强有力的应用案例：VR在模拟林业运营和生态过程方面高度有效，结合安全性、可重复性和长期情景可视化，成为操作员培训和战略森林管理的强有力工具。XR改善参与度和沟通：沉浸式环境引发原始数据或静态视觉无法实现的情感和认知反应，将抽象情景转化为可体验的现实。集成挑战持续存在——数据和互操作性需关注：将多样数据集整合入XR仍是主要痛点，需要数字孪生和云基础数据基础设施。可扩展性和成本仍是关键障碍：从10公顷试点到整个ませんでした。
