虛擬農業技術及其應用

李敏　郭小粉　王應君　陳新林　李磊　陳偉

摘 要：虛擬農業技術是一個新的研究方向，是虛擬現實技術與農業科學相結合的產物，開辟了農業技術研究的新途徑。它將改變傳統的農業生產、科研及教學方式，其發展前景將會帶來巨大的經濟效益。通過對虛擬農業技術的概述，深入探討了虛擬農業技術的應用范圍，并對虛擬農業的發展方向進行展望。

關鍵詞：虛擬農業；農業技術；虛擬現實；虛擬實驗；農作物

中圖分類號：S-3 文獻標志碼：B 論文編號：2014-0713

Virtual Agriculture Technology and Its Application

Li Min， Guo Xiaofen， Wang Yingjun， Chen Xinlin， Li Lei， Chen Wei

（Henan Vocational College of Agriculture， Zhengzhou 451450， Henan， China）

Abstract： Virtual agriculture technology is a new research direction， is a virtual reality technology and the combination of the agricultural science， it opens a new way of agricultural technology research. It will change the traditional mode of agricultural production， scientific research and teaching， its prospects for development will bring huge economic benefits. Through the overview of virtual agriculture technology， the application range of the virtual agriculture technology was discussed， and the paper pointed out the development direction of virtual agriculture.

Key words： Virtual Agriculture； Agricultural Technology； Virtual Reality； Virtual Experiment； Crops

0 引言

虛擬農業是由虛擬現實延伸而來的，虛擬農業技術是農業現代化的發展趨勢與客觀要求，是計算機技術在農業領域應用的更高境界。在計算機輔助下，將現代化信息技術與農業科學相結合，開辟了農業技術研究的新途徑，是虛擬技術研究的一個重要領域。

隨著農業問題研究的進展與虛擬現實技術的廣泛興起，虛擬農業技術的應用已成為現代化農業信息的重要手段，也是提高農業資源管理和農業生產力水平的最有效工具。作為農業大國，虛擬農業技術的應用與研究具有重大的意義，它將極大地推動著中國的農業生產、新產品研發、病蟲害研究以及農業科研、教學等領域。

1 虛擬農業技術概念

1.1 虛擬現實

1989年美國的J.Lanier最早提出虛擬現實技術（Virtual Reality，縮寫為VR）又稱靈境技術或幻境技術。是一種高新的人—機界面形式。它依托于數學﹑計算機科學﹑機械學、聲學、力學、生物學﹑光學乃至社會科學和美學等多種學科，在計算機圖形學﹑智能接口技術﹑圖像處理與模式識別、多傳感技術、人工智能技術、網絡技術、語音處理與音響技術、高性能計算機系統和并行處理技術等基礎上迅速發展起來的信息技術[1]。目前，該應用已涉及教育培訓、科研、軍事、工程設計、影視、醫學、商業等眾多領域，是專家學者們公認的能促使21世紀社會發展巨大變化的幾大技術之一[2]。

在期刊《國際虛擬現實》上，虛擬現實的含義為：使人可以操縱其內的物體，猶如身臨其境，它是一個虛擬世界的計算機系統[3]。

1.2 虛擬農業的概念

虛擬農業（Virtual Agriculture） 是從虛擬現實、虛擬植物建立，用虛擬現實技術與可視化技術模擬植物，在計算機上土壤物質的吸附，遷移，排放的成長過程中表達的遺傳物質異化、同化的計算機虛擬現實，采取人為干預，對這些過程中各種應激作用條件下的研究[4]。具有交互操作、易現實的特點，它是農業信息化重要研究領域之一。

1.3 虛擬農業的優勢

虛擬農業的優勢主要體現在3個方面：一是模擬農藥從噴霧器中噴出后的空間運行軌跡以確定農藥的最佳噴施方法；二是判別植物群體精確定量化研究利于計算植物群體空間中光通量精確值；三是通過改變植物形狀與葉子形態讓害蟲無處藏身、覓食，以此減少害蟲侵害從中找到最佳栽培方式。虛擬農業技術甚至能直觀地研究復雜的生態系統，如農田、森林等，從中發現難以觀察到的規律。結合生物學技術，為植物基因改良以及植物株型設計提供依據，加強人們對植物生命和植物生理的了解。

1.4 虛擬農業的意義

虛擬農業由于虛擬對象不同，與之相對應的系統也不同。但都涉及虛擬對象，虛擬環境，認知水平以及相互間的作用關系等，是農業知識與現代化信息技術的綜合體現。盡管虛擬農業的過程非常復雜，但它徹底改變了傳統的教學方式和科研方法，為發展農業帶來了巨大的經濟效益。

虛擬農業改變了中國乃至全世界幾千年憑傳統經驗的種植模式，它是一個定量化的研究過程。它不僅可以模擬作物滿足最大經濟效益產量時的株型，為作物育種工作指明方向。還可以最大程度縮短育種年限，能在幾秒鐘內完成模擬作物生長的全過程。

虛擬農業可以模擬不同作物和同種作物之間的間作、連作、套作等相互作用、交互影響，為作物合理耕種、合理搭配提供理想的規劃。虛擬農業的模擬使課堂學習形式更形象化、直觀化。從而使學生們以及各位學者更好的掌握、理解現代農業知識。

經濟效益方面，虛擬農業替代了現實生活中難以實現的費力、費時的試驗。在過去的幾十年里，虛擬植物的研究與應用已經有了長足發展并取得了相當大的成就。新西蘭Holt開發出虛擬幾維果樹系統，能幾秒鐘摸擬出植物的發芽﹑生長﹑抽枝﹑展葉﹑開花﹑結果﹑果實成長等整個生長周期，不用費長時間實地種植即可觀察分析。還可以計算出蟲咬葉片后所向果實輸送糖量受到的影響。

在農業科技推廣和教育教學領域，與其他智能化農業軟件系統相結合，可建立虛擬農場，可直觀生動的對農田﹑森林等復雜的生態系統研究，從而探索科學規律和奧秘。還可以通過改變環境條件和栽培方式，觀測植物生長過程及最終結果[5]。從而節約大量的物力，人力。近年來，虛擬現實技術在農業領域的研究越來越重要。從虛擬植物，虛擬環境的探索和研究可以看出，虛擬現實技術將被廣泛應用于農業領域，并帶來新的理念和技術，為農業生產和農業科學的發展提供新途徑。

2 虛擬農業技術的應用

2.1 虛擬實驗

虛擬實驗是指借助于虛擬現實、多媒體與平臺仿真等技術，在計算機上營造部分替代、可輔助的，甚至是全部替代的傳統實驗，以及其各種操作環節相關的軟件與硬件操作環境，使實驗人員猶如在真實環境中一樣實驗各種項目，將得到的實驗效果完全等價甚至是優越于真實環境中所取得的效果[6]。

虛擬實驗注重的是實驗過程的交互與實驗結果的真實性，它建立在虛擬實驗平臺之上，開展虛擬實驗教學不僅能夠突破傳統實驗的“時、空”限制，而且能有效緩解大部分高校普遍面臨的實驗器材陳舊、型號落后、設備不足等方面的困難和壓力。從而使老師和學生們隨時隨地通過鍵盤鼠標進入虛擬實驗室，進行各種實驗，操作各種儀器，以此提高實驗教學質量[7]。

2.2 虛擬育種

要想獲得高產的農作物，必須具有合理的株型。早期的育種工作，技術人員都是選擇在大田中完成的。而現在的育種工作，是利用虛擬農業技術結合生物技術在實驗室里模擬育種的，并且還可以培育出新品種，最后通過大田實驗做檢驗。

以玉米為例，株型對作物的品質、產量等影響很大。從已知的品種出發，找出它們與品質、產量等關系，構建合理的數學模型。如每畝株數、每株穗數、秸稈的高度、穗長等， 按照最佳株型，不僅可以確定育種方向，而且還可以減少資金浪費，節約大量的時間，從而提高育種效率[8]。

2.3 虛擬溫室

隨著科學技術的發展，虛擬溫室的開發與研究應運而生。虛擬溫室是將模型、數據、材料、高級算法與物理屬性整合而成的研究平臺。它是將環境學與物理學相結合， 進行研究溫室對外界環境的各種反應，并且能夠顯示、觀察與打印其結果[9]。

虛擬溫室與虛擬飛行器、虛擬駕駛器等相類似， 其科研的意義及價值不言而喻。溫室的智能化與動態研究及虛擬植物的自適應研究，都可以應用虛擬溫室完成。即真實的溫室由虛擬溫室來再現。需要研究的內容非常豐富，實驗教學也能從虛擬環境中獲益。使用戶通過改變虛擬環境規則，在各種“環境”中進行實驗和學習。

虛擬溫室作為綜合的實驗平臺，可以研究和試驗溫室特性及規律。其優勢在于為實際生產提供一種交互的、可靠的、可重復操作的參考平臺，從而為生產決策服務。

2.4 虛擬農場

用計算機技術來模擬農作物生長，被知名人士稱作虛擬農場。在計算機屏幕上，進行三維模擬植物的構造與生長，不僅能顯示出作物所具有的性狀，還可以改變作物的栽培方式。從而直接觀看玉米發芽、生長、抽枝、展葉、開花、結果等整個生長周期，無需長時間實地種植就可以觀測分析。作物的生長過程可以分解成這些重復部件生長過程的總和。

在教育、教學及農業科技推廣領域，用虛擬植物構建虛擬農場，讓學者們在計算機屏幕上直接觀測作物的整個生長周期與最終結果。如虛擬種植作物，虛擬田間管理等，從而使學者們快速地掌握農田管理技術。

2.5 虛擬果樹修剪

虛擬果樹修剪技術為廣大學者掌握先進的修剪技術提供了一種新途徑。它是模擬果樹管理措施中的重要技術[10]。對調控果品產量以及提高果品質量有非常重要的作用。然而，在技術推廣和實際生產中存在兩大難題：一是果樹修剪技術人員相對短缺；二是普及修剪技術有一定難度。再加上錯誤的修剪具有不可逆性，總是帶來不可彌補的損失。以至于嚴重影響到果業的可持續發展。因此，普及和推廣果樹修剪技術是至關重要的工作。

2.6 虛擬立體農業

虛擬立體農業主要是摸擬光資源作物間的套作管理。一方面，在光資源模擬中，葉片分布狀態對光輻射產生影響，在蒸騰作用與光合功能的共同作用下會產生變異；另一方面，光合產物的分配與生產也決定了各部分的生長速度，以及植株下一時段的形態結構[11]。因此，利用計算機圖形學建立植物三維模型，模擬光線在植物冠層內反射、傳輸及透射等，并參照光資源量就能精確計算出每一葉片的光截獲值，從而實現對立體農業管理。

2.7 虛擬都市農業

簡言之，都市農業是把農業的生活、生產、生態等結合為一體的產業。對都市農業的模擬主要體現在三方面：（1）為實現最好景觀，對建筑周邊的田園景觀設計及整體規劃；（2）都市農業的結構安排、空間布局，以及農業消費、生產與流通；（3）周邊地帶與都市化地區農業的合理搭配。從而實現農業發展與城市需求相互促進、相互依存、相互補充的一體化關系。

2.8 虛擬教學和農業科技推廣

在科普教育、教學和農業科技推廣領域，與其他智能化系統軟件聯結，使學者在計算機上進行虛擬農業管理和種植虛擬作物，通過改變栽培方式和環境條件，能多個角度觀測作物動態生長狀態、生長過程以及最終結果[12]。尤其是農業科技推廣領域，這種效果更容易使學者接受、掌握先進的農田管理技術，從而提高農業科技的現代化進程。

3 虛擬農業的發展趨勢

3.1 虛擬農作物

虛擬農作物就是利用虛擬現實技術，以植物個體或群體為研究對象，在計算機上模擬作物在三維空間中的生長發育過程[13]。是數學﹑植物學﹑計算機圖形學和虛擬現實技術等交叉學科。它不僅能夠提供作物生長的空間規律反映植物的形態結構，還可以摸擬生產管理以及探索出植物生長的規律和奧秘。利用虛擬植物技術，研究者可以在計算機屏幕上設計農作物，并進行農作物育種。利用可視化技術與面向對象程序設計思想進行作物建模。它對于構建植物形態、探索農作物理想模型、虛擬教學甚至園林設計等方面有非常重要的應用[14]。虛擬農業的研究對象不同，系統結構也不相同。圖l為虛擬農作物結構。

虛擬現實技術的“沉浸式交互環境”給用戶帶來了臨場感與真實感的體驗。運用此技術，能幾秒鐘摸擬出作物的發芽﹑生長﹑抽枝﹑展葉﹑開花﹑結果﹑果實成長等整個生長周期，不用費長時間實地種植即可觀察分析。甚至能直觀地研究復雜的生態系統，如農田、森林等，從中發現難以觀察到的規律。因其具有便于交互操作、易控制、真實感強等特點，而得到廣泛的應用。

3.2 虛擬農作物的模型研究

虛擬農作物建模的目的是通過模擬研究對象的發生、發展過程，為發現規律，解釋現象，揭示機理，預測未來等提供有用工具[15]。以作物為研究對象的幾何模型是作物建模，它是用來構建能直接反映現實世界中實物對象的數學模型。

建模的最終目的是使科研人員的研究手段、方法更準確、快捷。進行作物仿真，研究其形態變化特征以及進行三維形態模型的數據分析。

三維重構法對作物建模是先采用儀器收集作物空間數據，再通過編寫程序調用一些數據，以此實現農作物的三維模擬。隨著儀器精度的不斷完善，模擬的農作物逼真性也越來越高。

農作物個體的生長都具有持續、自主、主動的屬性，與環境的交互則具有應激性。通常是由地上部分和地下部分構成。地上部分的根、莖、葉、花及果實與空間環境交互；地下部分的根與土壤環境之間交互[16]。作物器官間交互、協作生長：相同作物個體間是競爭關系，不同作物個體間則競爭與協作關系。人作為外部調控機制，把作物體與器官以及環境間的關系抽象為模型庫和知識庫，通過修改環境因素參數，觀察虛擬農作物的生長過程，從而達到教育教學、科研等目的。圖 2為虛擬農作物系統模型結構。

從天氣數據庫中提取環境因素中的天氣參數；用灌溉、施肥專家數據庫實施調控水分與養分參數。其中，模擬農作物生長的必需參數是每日氣象要素（如溫度、濕度、太陽輻射、風速以及降雨量）。

4 結束語

虛擬農業技術開辟了農業研究的新途徑，它是農業科學與虛擬現實技術、信息技術相結合的產物。這種研究方法為農學科研人員提供一種便于交互、易操作、易控制的平臺，解決了現實中農業上異常復雜的各種問題。農業信息以可視化的方式在計算機上實現：直接得到定量的實驗結果和可視化的過程，不僅縮短了研究周期，降低了實驗成本，還提高了農業科研的效率。

在農業研究上，農作物根系、農作物與環境交互的虛擬，是2個有待于完善和深化的重要問題。虛擬農作物的發展有著廣闊的應用前景，同時對精確農業研究具有重要的指導意義。隨著農業問題研究的進展，開展虛擬農業研究，推進農業現代化進程，加快計算機技術的農業應用，構建農業知識創新體系必將是農業技術前沿。尤其是對文化基礎較低的農民非常實用，便于他們掌握先進的農田管理技術，這種效果是傳統方法達不到的。事實證明：虛擬農業技術是計算機技術在農業領域應用的更高境界，它具有很好的應用推廣前景。

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