我國虛擬農業研究應用簡析

張文達，杜建偉

(青島農業大學 動漫與傳媒學院，山東 青島 266000)

自1996年國家“863”計劃“智能化農業信息技術應用示范工程”提出開展虛擬農業研究以來，我國虛擬農業在農業科研、教學、生產、規劃、資源配置、商品流通、農機具設計與制造等方面的研究應用已取得較大的發展[1]。如：按計算機虛擬設計培育的真實作物、畜禽魚等，較虛擬設計產品的品質更佳、產量更高、抗蟲害能力更強[2]。雖然我國虛擬農業在虛擬動植物、虛擬農業生產、虛擬農業教學等研究應用方面取得了較大的進步，但相較于美國、法國等發達國家，我國虛擬農業的研究應用總體還相對落后，仍處于探索階段[3]。因此，了解我國虛擬農業研究應用現狀，分析發展所面臨的問題，提出推動發展的對策，對助力數字農業與鄉村信息化建設、加快農業農村現代化實現有一定意義。

1 虛擬現實技術與虛擬農業

1.1 虛擬現實技術

虛擬現實技術，即VR技術，也被稱為靈境技術，是一種利用計算機創建虛擬世界的仿真體系[4]。虛擬現實技術的思想源于20世紀50年代、形成于20世紀80年代初期、發展于20世紀90年代，是依托計算機科學、數學、力學、聲學、光學、機械學、生物學、美學等多學科，在計算機圖形學、圖像處理與模式識別、語音處理與音響技術、人工智能技術、網絡技術、并行處理技術和高性能計算機系統等信息技術的基礎上發展起來[5]，是融合多源信息，生成模擬環境，使用戶能夠體驗交互式的三維動態視景和實體行為。虛擬現實技術具有較強的多感知性、存在感、交互性以及自主性[6]。除了具備基礎的視覺感知外，還具有聽覺、觸覺、運動等感知，甚至還包括味覺、嗅覺的感知等，能夠給予用戶身臨其境、虛擬且真實的體驗。目前，其應用領域已涉及科學研究、教育培訓、工程設計、影視娛樂、社會管理等眾多領域，被公認為是21世紀能促使社會發生巨大變化的幾大技術之一[7]。

1.2 虛擬農業

虛擬農業，即VA，由虛擬現實延伸而來，是虛擬現實技術農業領域應用的一個分支，其實質是對農業信息關聯和流動過程進行計算機模擬和多維空間仿真,從而把一個真實的農業領域的空間實體,形象地搬到計算機系統中去,以便人們能進入一個多維信息空間,實現對農業開發研究、生產管理等的完全計算機化[8]。虛擬農業的過程是一個相當復雜的過程，是信息化農業發展的前沿技術，具有令人振奮的應用前景。用虛擬現實技術、可視化技術等技術模擬動植物[9]，能在幾秒鐘內完成模擬動植物的生長過程，不僅最大程度上縮短了生長年限，還能系統地描述農作物生長發育以及產量形成等生理生態過程與環境因素之間相互作用的數量關系，其創新了傳統的教學方式和科研方式，使農業科普教學更加形象、直觀化。虛擬農業可為提高農業生產效率和提高農業科技持續創新能力提供技術支撐，是助力我國實現農業現代化、農業農村信息化的重要技術手段之一。

2 我國虛擬農業研究態勢

通過對中國知網2008—2020年收錄的“虛擬農業”篇文摘檢索分析顯示：

2.1 虛擬農業研究呈緩慢發展趨勢

從2008—2020年中國知網收錄的虛擬農業文獻數量變化看(圖1)，期間我國虛擬農業研究總體呈波動緩慢上升趨勢。其中，2008—2010年、2013—2015年、2016—2018年呈階段性大幅增長，隨后呈現小幅減少。這一方面說明我國虛擬農業研究在2008—2010年、2013—2015年、2016—2018年的人、財等投入增長幅度較大，而2010—2013年、2015—2016年、2018—2020年的人、財等投入增長幅度較小，致論文產出有所減少。

圖1 2008-2020年中國知網收錄的“虛擬農業”文獻數量

2.2 虛擬農業研究主要集中在高校

從2008—2020年中國知網收錄的虛擬農業文獻來源機構看(表1)，期間我國虛擬農業研究總體集中在高等院校。其中，中國農業大學發文數量在眾多研究機構中占據的比重最大，其次是華南農業大學、南京農業大學、山東農業大學。說明，高等院校擁有雄厚的科研力量和更高的科研水平，對虛擬農業研究更加專注，是我國虛擬農業研究的引領者和推動者。

表1 2008-2020年中國知網收錄的“虛擬農業”文獻發表機構分布

3 虛擬農業主要應用領域

目前，我國虛擬農業主要集中應用于虛擬動植物、虛擬農業生產、虛擬農業教學推廣3個方面。

3.1 虛擬動植物

虛擬動植物是通過設備采集動植物生長發育，以及環境因素等相關數據，進一步整合量化，分析研究其自身生長規律和與環境之間的相互作用規律，采用虛擬現實技術對動植物個體或群體進行建模，打造一個三維數據庫，使動植物的生長發育過程能夠在三維虛擬空間內呈現的過程。其能將動植物的整個生長周期形態變化和空間規律在幾秒鐘內進行完整的模擬重現，大大縮短了動植物的“生長周期”，能夠幫助用戶在短時間內觀察分析動植物生長規律，三維空間模擬場景幫助用戶更加直觀的研究分析，進行育種試驗，探索動植物生長的規律和奧秘[10,11]。目前，中國農業科學院科技文獻信息中心多媒體設計研究室已開展虛擬蘋果的研究，中國農業大學已開展虛擬小麥、玉米、棉花的研究。在作物生長模擬生產管理模型方面，我國已研制出水稻栽培計算機模擬優化決策系統、棉花生產管理模擬與決策系統、土壤-植物-大氣中的水氣傳輸模型、谷物儲藏干燥模擬模型。

3.2 虛擬農業生產

虛擬農業生產是通過對虛擬作物的數據收集，借助虛擬現實技術等計算機模擬技術模擬農業生產的各生產要素以及生產管理。其可以忽視農業生產與研發過程中的長周期條件，而僅需通過生產內容客觀生理條件與外在環境因素的數據輸入，完成整個農業生產系統的管理與模擬[12]。楊國才[13]將其描述為計算機技術支撐下完成農業生產與加工模擬的視覺再現系統。中國農業大學機械工程學院利用面向對象的虛擬儀器開發工具開發了蘋果自動分選系統—該系統可進行實時圖像采集與分析，根據檢測結果控制不同等級電磁閥門的開閉，實現蘋果等級分選。虛擬農業技術在農業生產領域的應用實現了農業生產自動化，無需自然生物的參與，節省了大量的人力物力[14]，通過生產過程的模擬，用戶可參與體驗整個生產過程的實踐，可以幫助發現生產和管理中存在的問題，進而及時分析處理，有助于農業生產、管理的合理優化，提高農業生產效率，進一步促進農業現代化。

3.3 虛擬農業教學推廣

虛擬農業在教學、推廣上創新了傳統通過視頻、文字記錄、平面展示等單一方式，提供了一種新形式展示教學與技術推廣，有效解決了在教學中存在的教學實驗設備稀缺的問題。目前，有多個有關虛擬現實技術與果樹修剪相結合的研究，旨在幫助果農迅速學習掌握果樹修剪的相關技術操作及注意事項[15]。在農業類高校地教學實驗中，借助虛擬現實的技術特征，突破時間、地點等因素的限制[16-17]，通過運用虛擬動植物生長技術構建虛擬農場，能夠滿足學生在三維立體空間內進行實時互動，多個角度觀測動植物生長狀態、生長過程，系統性的進行虛擬動植物以及虛擬農業生產管理等操作學習，給予學生極強的交互體驗與沉浸感，可進一步提升學生的科研創造力。虛擬農業推廣增強了農業知識以及生產技術示教、推廣的趣味性與智能化，能夠使學者提升學習的主動性和積極性，有效掌握動植物生長與環境之間的內在聯系，幫助學者更加容易的接受和掌握先進農業技術，促進農業知識與技術傳播、繼承與推廣。

4 我國虛擬農業研究的挑戰及對策

4.1 關鍵技術難度較大，需強化科研力量

我國虛擬農業的關鍵技術實驗應用處于初步階段，研究發展及研究利用水平與發達國家相比相對落后。目前對虛擬農業相關技術研究進行力量投入的主要為中國科學院，中國農業大學等頂尖科研院校，而企業等的研究機構力量投入相對較少。需強化科研力量的投入，繼續壯大我國虛擬農業關鍵技術、軟件硬件科研水平，促進技術理論突破，發揮研究院及高校對于虛擬農業相關研究的引領支撐作用，增強相關技術的溝通交流與合作共享。

4.2 涉及的技術內容多，需強化多學科人才培養

虛擬農業涉及的技術內容多，需要研究人員兼具虛擬現實技術等信息技術與農業相關技術知識，而目前既掌握虛擬現實技術又掌握農業技術的復合型研究人才缺乏，需要建立虛擬現實技術與農業技術研究人員結合進行研究的有效機制。同時，需優化人才培養手段，加強跨學科復合型人才培養，以提升虛擬農業技術研究應用水平。

4.3 成果轉化應用較低，需提高成果的適用性

我國虛擬農業研究成果目前大部分仍停留在試驗室階段，真正用于解決生產實際問題的成果還很少。需提高成果的適用性，加強研究成果的應用轉化，使其在提高生產管理、科研效率中真正發揮作用。

4.4 缺乏系統性政策支持，需建立完善的資金支持制度

我國虛擬農業仍處于初步探索階段，研究機構相對分散，水平各不相同，由于缺乏系統化的政策支持和整體規劃布局，連續有效的研究體系未能真正形成。另外，虛擬農業研究所需技術及設備需要巨大的資金投入，在短期內效益較低。因此，需建立完善的政策支持和資金投入保障制度，加大對虛擬農業研究的資金投入，提高研究的系統性和適用性。

5 小結

虛擬農業是農業科技創新的一大戰略任務，是虛擬現實技術與農業領域相融合的產物，其將農業動植物生長周期精煉呈現，提升了農業生產管理研究效率，解決了教學實驗設備短缺的問題。我國要抓住時代發展的機遇，積極應對挑戰，結合我國國情，將虛擬農業應用到農業領域的各個環節，實現新舊動能轉換，推動農業的可持續發展，促進農業現代化建設。