虛擬現(xiàn)實技術(shù)在植物表型研究中的應(yīng)用＊

丁子涵 ， 彭辰晨 ， 崔富榮 ， 焦 祥

（1.無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無錫 214121；2.江蘇大學(xué)無錫機電學(xué)院，江蘇 無錫 214121）

0 引言

植物表型是基因型和環(huán)境因素相互作用所決定的形狀、結(jié)構(gòu)、大小、顏色等植物外在特征，反映了植物細胞、組織器官、植株和群體結(jié)構(gòu)及功能特征的物理、生理和生化性狀，其本質(zhì)是植物基因圖譜的時序三維表達及其地域分異特征和代際演進規(guī)律。傳統(tǒng)的表型檢測主要是通過肉眼觀察、利用量具測量植物表型性狀特征，缺乏規(guī)范化的表征，只能手工記錄大量表型數(shù)據(jù)，無法滿足農(nóng)林生產(chǎn)實踐需求。

隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的飛速發(fā)展并廣泛應(yīng)用于農(nóng)林業(yè)。植物虛擬生長模型能夠在較短的時間內(nèi)模擬植物在不同水、肥、溫度、濕度等環(huán)境條件下的表型變化規(guī)律，直觀地分析各環(huán)境脅迫因子對植物表型的影響。利用植物虛擬生長模型開展試驗研究不受時間季節(jié)、場地、生長周期和不可再重現(xiàn)等因素制約，可為農(nóng)林植物表型研究提供仿真手段和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。相比于傳統(tǒng)植物表型研究，可顯著提高實驗安全性、縮短試驗周期、降低實驗成本。

鑒于目前國內(nèi)外較為廣泛地開展了植物虛擬仿真研究，但不同生長環(huán)境因素脅迫下植物表型虛擬仿真研究相對較少，擬在分析植物表型研究必要性的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)綜述國內(nèi)外開展的植物虛擬生長模型研究，探討分析基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不同環(huán)境脅迫下植物表型虛擬模型，以期促進農(nóng)林植物表型更好地指導(dǎo)不同環(huán)境條件下、不同生長時期農(nóng)林植物的管理作業(yè)。

1 植物表型檢測技術(shù)研究現(xiàn)狀

在全球人口數(shù)量激增而耕地面積逐漸減少導(dǎo)致糧食產(chǎn)量驟減的情況下，研究具有高產(chǎn)、高質(zhì)量、高抗性的植物尤其是農(nóng)林植物有著重要意義。傳統(tǒng)植物表型檢測需要借助人工難以獲得大樣本量的植物表型性狀信息，只能選擇關(guān)鍵生長期記錄相應(yīng)表型數(shù)據(jù)，勞動量大、效率低、無法對大批量樣本進行全生命周期的檢測。并且測量所得數(shù)據(jù)不能直觀地呈現(xiàn)植物生長的動態(tài)變化以及環(huán)境脅迫對其表型的影響。隨著VR虛擬仿真技術(shù)的快速發(fā)展及其在農(nóng)林植物表型研究應(yīng)用中的優(yōu)勢，國內(nèi)外已開展相關(guān)研究并取得了大量研究成果。

1.1 國外研究現(xiàn)狀

植物學(xué)界對基因組學(xué)的研究重點逐漸轉(zhuǎn)向表型組學(xué)，而表型組學(xué)的關(guān)鍵是表型檢測技術(shù)以及高通量植物表型平臺的構(gòu)建，國外許多研究團隊已展開了相關(guān)研究和表型平臺的研制，并應(yīng)用于農(nóng)林植物表型研究[1]。

表型數(shù)據(jù)的獲取是植物栽培與管理的重要支撐。目前，有多種方法來檢測植物表型信息。Mohanty等調(diào)用Plant Village數(shù)據(jù)庫中植物葉片圖像，利用GoogLeNet卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模監(jiān)測作物疾病[2]。Wakholi等利用高光譜成像技術(shù)根據(jù)生存力對玉米種子進行了準(zhǔn)確分類，為開發(fā)快速、無損大規(guī)模高光譜玉米活力測定分選系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)[3]。Hang等開發(fā)了一款全自動玉米幼苗表型分析平臺，實現(xiàn)了對玉米幼苗葉片數(shù)、葉長、莖高等形態(tài)結(jié)構(gòu)特征的三維重建并輸出[4]。Osroosh等開發(fā)了一款高度和寬度可調(diào)的大田高通量表型檢測平臺，可適用于不同大田環(huán)境和植物高度[5]。Furbank等綜述了高通量和高分辨率表型分析工具，并討論了其在植物生物學(xué)、功能基因組學(xué)和作物育種中的應(yīng)用[6]。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

相比于國外，我國植物表型組學(xué)起步較晚，但發(fā)展較迅速，取得了大量研究成果。高宇設(shè)計開發(fā)了一款溫室條件下基于機器視覺的作物表型監(jiān)測系統(tǒng)，并對算法進行優(yōu)化，可更加準(zhǔn)確地診斷作物水分脅迫狀態(tài)[7]。張慧春等構(gòu)建了經(jīng)濟實用、面向模式植物擬南芥生長過程的形態(tài)表型測量機器視覺系統(tǒng)[8]。翟鵬設(shè)計開發(fā)了一款適用于溫室栽培環(huán)境下的葡萄表型特征視覺檢測系統(tǒng)，并通過實驗驗證了其可行性和有效性[9]。吳婷榮等利用圖像處理技術(shù)對籽棉含雜率進行檢測，解決了籽棉含雜率檢測繁雜的難題[10]。馮雷等利用多光譜成像技術(shù)檢測水稻葉瘟病，為科學(xué)防治稻葉瘟提供了決策支持[11]。

目前，我國對植物表型研究越發(fā)重視，并將植物表型研究成果應(yīng)用于植物育種、農(nóng)林植物栽培管理。如，根據(jù)植物表型信息指導(dǎo)噴藥、施肥、灌溉等，乃至指導(dǎo)農(nóng)林植保機械設(shè)計，取得了顯著進展。

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在植物表型研究中的應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著計算機信息水平的不斷提高以及信息科學(xué)和農(nóng)林科學(xué)的不斷融合，可在計算機上模擬植物在三維空間的生長情況，從三維可視化的角度研究植物表型參數(shù)隨時間推移的變化規(guī)律，使傳統(tǒng)大田實驗不受場地、時間季節(jié)、試驗成本、危險性以及不可再重現(xiàn)等因素的制約。目前，國內(nèi)外開展了大量研究，并取得了豐碩成果。

2.1 國外研究現(xiàn)狀

1968年美國生物學(xué)家Lindenmeyer提出了L-系統(tǒng)理論基礎(chǔ)，為植物表型可視化奠定了基礎(chǔ)。澳大利亞學(xué)者在L-系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計了虛擬植物生長軟件 Virtual Plants，并利用其對水稻、小麥、玉米等農(nóng)作物進行了生長模擬。2016年Schnepf等利用L-系統(tǒng)建立根與菌絲生長三維模型，對生態(tài)系統(tǒng)功能和商業(yè)接種有重要的意義[12]。2005年Lars Mündermann等提出了擬南芥生長發(fā)育模型，可更好地理解植物在遺傳、生理、生態(tài)和進化等方面的發(fā)育狀況[13]。

國外許多學(xué)者一直投身于虛擬植物研究，并形成了有名的研究組織，如法國農(nóng)業(yè)發(fā)展國際合作研究中心(CIRAD)、德國哥廷根大學(xué)、英國Westminster大學(xué)和荷蘭Wageningen大學(xué)等。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國在農(nóng)林植物虛擬研究方面起步較晚，但近年來取得了大量研究成果。唐衛(wèi)東等構(gòu)建反映植株—環(huán)境交互作用的虛擬植物動態(tài)模型[14]。羅燕等利用L-系統(tǒng)實現(xiàn)了“竹”的三維建模，并對原有粒子系統(tǒng)模型的隨機分布算法進行改進，提出了模擬“竹”群分布形態(tài)仿真算法[15]。唐麗玉在自主研發(fā)的ParaTree系統(tǒng)上擴展杉木動態(tài)生長模擬模塊，實現(xiàn)了杉木的生長發(fā)育模擬[16]。李東陽利用Visual C + +的軟件平臺創(chuàng)建了三維果園、倉房場景、漫游小車及附屬設(shè)施，可以根據(jù)不同應(yīng)用進行改善，從而實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實技術(shù)在農(nóng)業(yè)方面的相應(yīng)應(yīng)用[17]。雷文等設(shè)計開發(fā)了“農(nóng)業(yè)機械學(xué)”仿真教學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可模擬農(nóng)機設(shè)備生產(chǎn)作業(yè),并虛擬拆裝主要農(nóng)機設(shè)備等，具有一定的實用性和教學(xué)價值[18]。

我國在虛擬植物表型研究方面取得了大量成果，通過對不同生長環(huán)境、不同生長時期植物表型進行虛擬可視化，可直觀地研究不同環(huán)境因子（光照、溫度、濕度等）、不同管理措施（藥、肥、水等）對植物表型的影響，為農(nóng)林生產(chǎn)實踐提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3 結(jié)語

虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠很好地構(gòu)建植物生長發(fā)育的三維模型，模擬植物在不同生長階段的表型特征，但在農(nóng)林生產(chǎn)實踐中應(yīng)用較少，主要是由于植物表型受基因、環(huán)境等因素的影響，而大田環(huán)境等因素不可控，無法精準(zhǔn)地量化分析各因素對植物表型的影響，進而無法還原植物全生命周期表型變化規(guī)律。因此，如何準(zhǔn)確模擬大田環(huán)境下植物三維生長模型、指導(dǎo)農(nóng)林生產(chǎn)實踐，將是虛擬農(nóng)林植物研究的重點。