新一代互聯(lián)網(wǎng)技術
——VR技術打開農業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的新思路

文/朱煥煥 本刊編輯

隨著信息時代的到來，科技高速發(fā)展，作為國民經濟基礎的農業(yè)也步入突飛猛進發(fā)展的浪潮中，正經歷著變革性的發(fā)展，“現(xiàn)代科學＋農業(yè)”的管理模式已成為傳統(tǒng)農業(yè)轉型升級的重要手段，“VR技術＋農業(yè)”也將成為21世紀現(xiàn)代農業(yè)發(fā)展的“寵兒”。對于大多數(shù)用戶而言，VR技術既熟悉又陌生。早在1963年以前，VR技術就已經進入有聲形動態(tài)的模擬初級階段，經過幾十年的演變發(fā)展和不斷完善，VR技術已經在醫(yī)學、航天、軍事、城市規(guī)劃、室內設計、橋梁道路設計、房地產銷售、旅游教學、娛樂等眾多領域得到廣泛應用，但在農業(yè)領域上應用研究還較少[2]。下面我們將了解一下，究竟VR技術在農業(yè)中能夠充當怎樣的角色。

VR技術概述

VR（Virtual Reality，即虛擬現(xiàn)實，簡稱VR），是由美國VPL公司創(chuàng)建人拉尼爾（Jaron Lanier）在20世紀80年代初提出的。具體內涵是：綜合利用計算機圖形系統(tǒng)和各種現(xiàn)實及控制等接口設備，在計算機上生成的、可交互的三維環(huán)境中提供沉浸感覺的技術。其中，計算機生成的、可交互的三維環(huán)境稱為虛擬環(huán)境（即Virtual Environment，簡稱VE）。虛擬現(xiàn)實技術實現(xiàn)的載體是虛擬現(xiàn)實仿真平臺（即Virtual Reality Platform，簡稱VRP）[3]。簡單來說，VR技術是人機交互系統(tǒng)構成的一個可感知的虛擬環(huán)境，以計算機為核心，利用現(xiàn)代高科技生成逼真的視覺、聽覺和觸覺一體化的特定虛擬環(huán)境，賦予“沉浸性”“想象性”“交互性”特征，用戶可借助必要的設備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對象進行交互作用并相互影響，從而產生身臨其境的感受和體驗。其改變了傳統(tǒng)生硬、枯燥和被動的人機交互模式，增強了人的感知和理性認識，決定了VR技術在21世紀發(fā)展科學中的重要性。

VR的主要技術包括動態(tài)環(huán)境建模技術、實時三維圖形生成和顯示技術、新型交互設備的研制、智能化語音虛擬現(xiàn)實建模、大型網(wǎng)絡分布式虛擬現(xiàn)實（Distributed Virtual Reality，簡稱DVR）等。VR技術的研究要遵循“低成本，高性能”這一主線，從軟件、硬件上分別展開深入研究[4]。

科研領域的開拓者

虛擬植物

在傳統(tǒng)農業(yè)研究中，由于自然條件的限制，研究周期較長，實驗環(huán)境復雜，致使農業(yè)技術研究費時、費力。而隨著計算機圖形圖像技術的快速發(fā)展，信息科學中的虛擬現(xiàn)實技術逐漸應用到農業(yè)方面，產生了虛擬農業(yè)的概念，并且在一段時間內取得了重要的成果。所謂虛擬農業(yè)是指建立在計算機可視化技術和虛擬現(xiàn)實技術基礎上的一種仿真農業(yè)技術，它是通過計算機相關技術，將農業(yè)中土壤的變化、動植物的生長等過程轉變?yōu)橛嬎銠C中虛擬的現(xiàn)實，以此來研究各種自然條件、人工干預條件對這些過程的影響，虛擬農業(yè)技術具有真實感強、可交互重復操作等特點[5]。虛擬農業(yè)技術的影響是十分巨大的，它可以將農業(yè)上極為復雜而又周期漫長的研究過程在虛擬現(xiàn)實的環(huán)境中實現(xiàn)，在虛擬環(huán)境中定量的時空坐標系中進行分析，既可以極大地縮短研究周期，又可以獲得精確的定量試驗數(shù)據(jù)，從而為農業(yè)生產的研究提供可控的、可重復利用的研究平臺，為精準農業(yè)的研究提供合理的試驗依據(jù)，同時也加強了人們對農業(yè)生產過程的深入理解。

虛擬植物技術是虛擬農業(yè)技術中的一個非常重要的分支，其主要目標是利用虛擬現(xiàn)實技術在計算機中實現(xiàn)三維空間下植物生長發(fā)育的模擬過程[6]。虛擬植物技術的研究對象是自然界中的植物，其所得到虛擬植物的模擬結果與影視動畫游戲作品中的三維植物是不一樣的，影視動畫游戲作品的三維植物只是形似現(xiàn)實中的植物，而虛擬植物技術要求不僅能真實地反映植物的三維形態(tài)結構，也需要精確地模擬出植物的生長發(fā)育過程，并且演示效果要符合真實情況。因此，就需要將植物的生理生態(tài)模型和形態(tài)結構模型相結合，建立植物虛擬生長的模擬模型即植物生長模型，并以此為基礎，利用計算機圖形技術和虛擬現(xiàn)實技術設計，實現(xiàn)可視化虛擬仿真效果[7-8]。

目前，虛擬植物技術的研究主要是在植物三維形態(tài)建模與生長虛擬展示2個方面，通過研究植物三維形態(tài)結構特征，可對植物三維形態(tài)進行模擬仿真，實施三維重構，進行可視化分析。

虛擬植物研究方法——植物建模

虛擬植物研究方法：（1）對不同生長條件、不同生育階段的植物進行定性觀察，判別其生長模式，確定描述其形態(tài)結構的總體框架；（2）定量化測定植物的拓撲結構、幾何特征、機械性質等；（3）將測定的數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)庫，通過數(shù)理統(tǒng)計、模式識別等方法，提取作物形態(tài)結構規(guī)則；（4）模型依據(jù)植物生長的規(guī)則模擬植物生長，應用可視化技術在計算機上實現(xiàn)模擬植物?；谒⒌哪Ｐ?，可進行虛擬試驗等方面的研究。

研究虛擬植物的關鍵問題之一是植物建模。目前，國內外研究者逐步考慮將植物生理、形態(tài)結構、環(huán)境影響三者結合建模，以提高植物生長過程模擬的精確度。Prusinkiewicz提出能夠感知環(huán)境的L-system模型，用以模擬局部環(huán)境（如不同涂層的溫度、土壤體抗力、枝條修剪）對植物生長的影響?；?L-system 模型， Mech和 Prusinkiewicz 提出了改進的 Open L-system模型，在模型中引入交流模塊，模擬信息在植物與環(huán)境中的雙向傳遞，該模型模擬精確度較高，但過于復雜，難以實現(xiàn)特定種類植物生長規(guī)則的提取和定義[9]。

虛擬植物技術的重要基礎是植物生長模擬模型，如果根據(jù)功能和模擬的過程來劃分，那么可以將植物生長模擬模型分為2大類：一類是生長機模型[10-11]，也就是根據(jù)已知的植物形體的初始化信息及環(huán)境因素來確定植物生長過程的各種參數(shù)或數(shù)據(jù)；另一類是可視化模型，是指利用計算機圖形學技術，采用二維或三維圖形來模擬仿真植物個體的生長過程。在農業(yè)技術研究中利用虛擬植物技術，可在虛擬農田系統(tǒng)環(huán)境下進行試驗，可部分代替在現(xiàn)實中難以進行或費時、費力而又昂貴的農田試驗，并以此建立虛擬試驗農場，通過與智能化計算機技術相結合，使用戶可以在計算機上進行虛擬植物生長的管理，有利于農業(yè)技術的普及和推廣，從而使農業(yè)技術研究跨越到數(shù)字化和可視化階段[12]。生長機模型又包括生理生態(tài)模型和形態(tài)發(fā)生模型。由于虛擬植物、分支矩陣、粒子系統(tǒng)等為代表的方法，側重于計算機圖形學，只注重視覺效果的逼真性，主要研究如何用最少的植物學知識，方便快捷地生成單純外觀上的植物圖形，這類模型普遍應用于園林規(guī)劃、景觀設計等領域；另一類是以L系統(tǒng)、自動機模型為代表，應用于農林業(yè)生產和研究的模型，該類型可以通過對植物實際生長發(fā)育過程進行研究，根據(jù)所測得的大量數(shù)據(jù)提取植物的生長規(guī)則，用以模擬植物生長的真實過程。喻曉莉[13]以玉米為載體，初步研究了生理生態(tài)模型與形態(tài)發(fā)生模型有機結合的方式，重點解決生理生態(tài)模型和形態(tài)發(fā)生模型的接口，并同時兼顧生長機模型構建的普遍適用性。首先描述了玉米的生長狀態(tài)：植株的生長速度、葉片的生長位置及葉片的數(shù)量、葉片形態(tài)的變化及總體生長狀態(tài)。通過該描述，提出利用環(huán)境因子氣溫和日長對玉米生理生態(tài)模型產生影響，從而影響雙尺庫自動機模型中狀態(tài)參數(shù)表參數(shù)，來實現(xiàn)生理生態(tài)模型與形態(tài)發(fā)生模型有機結合，并設計了2種模型接口部分的算法，即雙尺度自動機模型中循環(huán)次數(shù)求解算法和葉形態(tài)求解算法，該算法能夠很好地將2種模型進行有機結合，使玉米形態(tài)結構的生成具有與外界環(huán)境的交互性和動態(tài)性。通過試驗驗證達到了預期效果，說明文中所提出的生長機模型構建方法具有一定的參考價值及可行性。

唐衛(wèi)東等[14]以溫室黃瓜為例，對試驗觀測數(shù)據(jù)進行預處理并采用關聯(lián)分析法獲取植株-環(huán)境互作信息，依據(jù)作物發(fā)育動態(tài)理論模型建立了植株-環(huán)境的信息響應模型和信息反饋模型，再從植株生長的系統(tǒng)變化過程對相關模型進行耦合。運用規(guī)則化處理方法與面向對象技術建立植株拓撲演變模型與器官形態(tài)發(fā)生模型，并構建虛擬植物動態(tài)模型。試驗結果表明，模型擬合度均達到95%以上，能較好地虛擬外部環(huán)境作用下的植物生長發(fā)育，為動態(tài)掌握和預測適宜植物生長的溫室環(huán)境條件提供依據(jù)。

虛擬植物技術的應用

經過近40年的發(fā)展，虛擬植物的研究已初具規(guī)模，一些建模方法也日漸完善。直到目前，國內外學者已經取得了很多研究成果。實踐證明，虛擬植物模型的建立對于農業(yè)步入現(xiàn)代化高科技領域是一個很好的契機。

● 科研育種

利用虛擬植物技術，在計算機屏幕上設計相應的作物，然后再根據(jù)實際培育或利用基因工程、細胞工程等先進的生物技術繁殖出真實的農作物，使農作物新品種具有虛擬植物的理想性狀。由于作物育種周期長、試驗反復、試驗設備及試驗本身的可操作性、分子試驗的危害性等的限制，在一定程度上阻礙了科研育種的進程。然而，虛擬植物技術應用計算機建立能客觀反映現(xiàn)實世界規(guī)律的虛擬模型進行虛擬試驗，可以部分替代在現(xiàn)實世界難以進行或費時、費力和費資金的試驗。因此，虛擬植物技術將成為農作物育種的重要工具。

與傳統(tǒng)的植物生長模擬模型相比，虛擬植物具有很大的優(yōu)勢，如植物群體光分布的研究，過去主要依據(jù)Beer-Lambert公式來計算，應用該公式需要引入葉片分布的假設，如隨機分布，這常常會帶來較大的誤差，特別是在行播作物的生長前期，而且無法獲得植物冠層光分布的空間規(guī)律[7]。在現(xiàn)實世界中植物冠層的光分布具有很大的空間變異性，受冠層結構及各器官的幾何形狀等影響，植物群體對光的截獲很難進行精確定量化研究，而利用虛擬植物模型就能判別哪些光線被植物葉片截獲，哪些穿過葉間空隙到達冠層更深處，可計算出植物冠層空間中任意位置點的光的通量的精確值。這種對作物冠層光分布的精確模型可為作物株型設計提供理論依據(jù)。為大幅度提高作物產量，需培育超級作物品種，如超級雜交水稻。而育種學家注意到，為獲得超級品種需優(yōu)化作物株型，虛擬其生長，模擬其光截獲能力與光合產量形成能力，優(yōu)先選出理想株型，從而明確育種方向，減少盲目性。

● 栽培方式

利用虛擬植物技術設定某種作物在不同種植密度下的虛擬環(huán)境，并比較其產量的差異，從而選擇適宜的種植密度。另外，由于溫室、大棚等特定的生態(tài)系統(tǒng)，對環(huán)境條件實現(xiàn)自動化控制，運用虛擬模型具有可操作性。通過研究溫室土壤水分、養(yǎng)分和鹽分及溫室植物形態(tài)結構的特有規(guī)律，應用虛擬模型設計精準灌溉、施肥、施藥、采收方案，從而可獲取最高的邊際產值。而對于大田生產，可根據(jù)所在地區(qū)的資源狀況，應用虛擬模型研究作物個體根冠的關系，選擇個體競爭能力適合于當?shù)刭Y源狀況的作物品種；可依據(jù)高產農田群體結構特征，應用模型優(yōu)化作物種植和套種方式，從而提高不同地區(qū)、不同條件下的作物產量提供指導[7]。因此，可利用虛擬植物找到最佳的栽培方式。

作物從土壤中吸收水分、養(yǎng)分時，由于土壤物理性質的空間不均一性、根系不同位置吸收性能的差異，使土壤水分、養(yǎng)分的分布隨作物生長而出現(xiàn)顯著的空間不均一性。因此，通過研究根系的可視化，研究土壤水分、養(yǎng)分時空動態(tài)規(guī)律，從而確定合理的灌溉、施肥方案，以提高水分及肥料的利用率。同時，也可以應用此規(guī)律設置合理的株行距。但目前對于根系的可視化研究仍處于初步階段。

● 植物保護

利用虛擬植物模擬農藥從噴霧器中噴出后的空間運行軌跡，直觀地觀察農藥在植物群體中的空間分布與害蟲的位置關系，從而可確定農藥的最佳噴施方法。另外，利用虛擬植物，還可以找尋一種既能對付害蟲又不污染環(huán)境的方法，例如通過改變農作物株型或葉片形狀而使害蟲無法藏身或無法覓食，以此途徑來減少害蟲侵襲。

新時代的教育者

實驗教學

VR技術可部分替代一些受設備等條件限制的一些試驗，縮短試驗進程，同時減少不必要的資源浪費。VR技術與科研試驗結合，提供了高仿真的儀器和試驗環(huán)境，并允許使用者通過聲控和手持設備與環(huán)境互動，逼真還原真實的試驗流程，有效提高實驗員的觀察和動手能力，解決了農業(yè)科研實驗室教學資源緊張的難題，同時調動科研工作者的創(chuàng)新思維。另外，開發(fā)虛擬農場可以實現(xiàn)網(wǎng)上種田，讓學生更快地掌握農業(yè)知識和體驗農事活動。

科普互動體驗教育

通過運用VR技術，進行科普互動體驗教育，來滿足民眾對農業(yè)產品的認知能力。例如，在北京市農林科學院農業(yè)科技示范推廣項目的支持下，郭新宇等利用自主知識產權的農林植物三維數(shù)字化、三維互動展示技術體系開發(fā)了基于VR 3D眼鏡的“草莓的一天”互動體驗系統(tǒng)。一是可以讓民眾在虛擬的草莓種植園中漫游、觀看草莓的形態(tài)結構，了解光合作用、同化物運輸、品質形成等知識；二是開發(fā)了基于磁感槍的“草莓保衛(wèi)戰(zhàn)”互動體驗系統(tǒng)，讓民眾了解草莓植保知識；三是為陽光興紅農業(yè)種植園定制了“北京市大興區(qū)陽光興紅農業(yè)種植園虛擬互動展示宣傳系統(tǒng)”和“有機黃瓜虛擬科普宣傳片”，讓民眾了解園區(qū)歷史、特色和有機食品等相關知識[15]。

新農民職業(yè)教育培訓

面向“互聯(lián)網(wǎng)+”農業(yè)職業(yè)教育的時代潮流，針對中國農業(yè)從業(yè)人員認知特點，將農業(yè)知識、三維可視互動技術、數(shù)字娛樂形式和網(wǎng)絡等新媒體傳播渠道緊密結合，以視覺體驗和三維交互作為知識轉化方式和技術傳播載體，輔助農業(yè)技術推廣、農業(yè)職業(yè)教育部門設計開發(fā)農業(yè)職業(yè)教育三維可視互動在線培訓系統(tǒng)，通過電視、平板電腦和手機等終端進行高效、快速、便捷傳播，創(chuàng)新和豐富了農村科技推廣、職業(yè)教育和農民培訓的手段。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)讓廣大的文化素質相對較低的農民能較容易地理解和接受，并付諸農業(yè)生產實踐，這樣可促進越來越多的農民真正實現(xiàn)科學種田，加快我國農業(yè)現(xiàn)代化的步伐。

虛擬農場的創(chuàng)新者

虛擬農場最早主要是一種針對普通大眾的創(chuàng)新型農場經營模式，是由“偷菜游戲”延伸而來。如今，虛擬農場是一種特殊的農產品認購形式，由農場主在網(wǎng)上向普通民眾銷售成長中的作物，而被購買的作物將會繼續(xù)留在農場中管理，用戶只要通過登錄自己的賬號，直接在互聯(lián)網(wǎng)上查看自己購買的作物的實時影像，同時可以在網(wǎng)上聯(lián)系農場工作人員進行澆水或采摘等操作。

作物收獲后，通過物流及時運送至用戶家中。這類虛擬農場大多以休閑農業(yè)為主題，用戶可以隨時來實地參觀自己購買的作物和農場全貌，這種既利用網(wǎng)絡監(jiān)控來確保食品安全，又結合參觀體驗做到了寓教于樂的農場經營模式備受推崇。人們可以從任意角度甚至在作物的冠層內漫游，觀察作物生長狀況的動態(tài)過程，還可以通過改變環(huán)境條件和栽培措施，直觀地觀察作物生長過程及最終結果。利用虛擬儀器，如自動化秧苗分析系統(tǒng)、自動化施肥系統(tǒng)或自動化灌溉系統(tǒng)等，對農場實行全天時、全天候地自動化監(jiān)測和管理，可大幅度提高農業(yè)生產的效率和效益，并帶動農業(yè)生產的轉型升級。

另外，虛擬農場的推廣將助力農產品生產的標準化和全程可追溯化。同時，有利于農產品市場的秩序性和產品的安全性，從而保障食品的安全和質量。

虛擬都市農業(yè)的開創(chuàng)者

虛擬都市農業(yè)是以綠色農業(yè)為主旨，利用現(xiàn)代化信息手段，通過直產直銷的農產品網(wǎng)上交易模式，減少流通成本，提供食品溯源，保證食品安全。與傳統(tǒng)的電商型都市農業(yè)相比，搭載VR實景平臺的虛擬都市農業(yè)能將產品規(guī)格信息圖像化，用人手觸碰代替鼠標鍵盤進行操作，使不擅長使用電腦的市民也能足不出戶輕松購買，帶來更好的消費體驗，提升市民的生活品質[16]。

虛擬設施農業(yè)的引領者

虛擬設施農業(yè)主要是使用數(shù)字化的環(huán)境控制模塊對溫室進行遠程智能管理，并利用VR技術的視覺系統(tǒng)，將采集的數(shù)據(jù)輸出為圖像識別效果，對原有的設施農業(yè)進行改進，改變了復雜且專業(yè)性強的操作流程，加強了信息實時采集和處理技術，最終建立高效集成的研究和工作環(huán)境，提高設施農業(yè)的利用率。

VR技術需要解決的問題

虛擬現(xiàn)實是一項復雜的綜合集成技術，其產業(yè)覆蓋面廣、開發(fā)商多，所涉及到的硬件模塊、系統(tǒng)平臺和開發(fā)工具等，目前尚未有統(tǒng)一的行業(yè)標準，對不同接口間的兼容性問題還在逐步完善中。另外，民用的VR設備目前仍受硬件環(huán)境的限制，對大批量數(shù)據(jù)的處理仍存在計算速度不足、傳輸速率較慢和續(xù)航能力有限等影響，因此進行大規(guī)模投入應用仍需一段時間。

（1）VR虛擬現(xiàn)實呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)模型多為三維數(shù)據(jù)，但還很難通過工具自動化采集數(shù)據(jù)，并轉化為三維模型，尤其是結構比較復雜、生命周期變化較大的植物。

（2）國內外在植物結構功能模型方面研究較多，能夠實現(xiàn)植物生長過程的動態(tài)模擬，但是模型對植物的結構進行了簡化，很難實現(xiàn)真實感建模模擬，只能說是在逼近植物真實的生長過程，仍有誤差。

（3）近幾年，表型組學和基因組學是研究熱點，二者之間相互關聯(lián)的研究處于起步階段。

（4）大多集中在對植物地上部分的模擬研究，而根系是植物與環(huán)境進行物質與能量交換的重要界面，要增強模擬水、肥等環(huán)境因子對植物生長影響的機制，必須加強對根系的研究。目前，我國對虛擬根系（植物地下部分）研究極少。因為虛擬根系數(shù)據(jù)采集困難，其研究還處于如何能夠獲得根系生長構型階段。

（5）VR技術難以在農業(yè)科研試驗領域推廣，主要是科學試驗難以定量化表達，且儀器使用成本較高，且目前缺乏適宜的系統(tǒng)。

（6）目前，對VR技術在農業(yè)上應用的研究主要集中在大田作物，尤以小麥、玉米居多，而對于蔬菜的虛擬技術研究較少。

小結

信息技術在農業(yè)領域中不僅具有高效收集處理數(shù)據(jù)的能力，還帶來了更多創(chuàng)新型農業(yè)研究方法。虛擬農業(yè)作為一種全新的農業(yè)理念，利用先進的科學技術，為傳統(tǒng)農業(yè)帶來了勃勃生機。在農業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展轉型的當下，虛擬農業(yè)成為了體現(xiàn)一個國家農業(yè)現(xiàn)代化水平的標志之一[1]，而VR技術具有高交互性、沉浸式體驗及真實自主性等特點，不僅能很好地融入到現(xiàn)有的虛擬農業(yè)應用中，還可以延伸出更多出色的研究方向。VR的前景很好，將從高端用戶向消費級用戶發(fā)展[16]。

虛擬現(xiàn)實技術的應用符合現(xiàn)代農業(yè)發(fā)展趨勢的要求，在蔬菜育種、種植培訓、品種推廣、高端電商、科普等方面具有很重要的應用價值。在2016年柯城創(chuàng)客孵化園舉辦的VR體驗會上，衢州目前擁有一臺工程機VR體驗設備，有望實現(xiàn)將菜種到VR上，讓消費者能夠身臨其境地感受到生態(tài)蔬菜生產、銷售的各個環(huán)節(jié)。但作為一項新的技術，VR正處于發(fā)展階段，必須有科學的方法做指導，要與其他先進的科學技術融會貫通，才能更好地促進中國現(xiàn)代農業(yè)發(fā)展。

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