農(nóng)作物生產(chǎn)三維可視化仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用
——以懷地黃為例

趙 迪，楊 陽，陳立偉

（1. 河南開放大學(xué)，河南 鄭州 453000；2. 鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 453000；3. 鄭州大學(xué)，河南 鄭州 453000）

懷地黃是馳名國內(nèi)外的河南地方特色栽培植物之一，具有優(yōu)良品質(zhì)和獨(dú)特藥用價(jià)值。長(zhǎng)期以來，農(nóng)民需要多年大田種植經(jīng)驗(yàn)積累才能掌握懷地黃生產(chǎn)技術(shù)。懷地黃生長(zhǎng)周期較長(zhǎng)，生產(chǎn)技術(shù)復(fù)雜[1-2]，成本高，經(jīng)濟(jì)效益較差，以致種植農(nóng)戶越來越少，技術(shù)經(jīng)驗(yàn)失傳。如何提高種植戶的生產(chǎn)技能，以實(shí)現(xiàn)懷地黃的降本增產(chǎn)來維持其產(chǎn)業(yè)鏈的持續(xù)發(fā)展，成為亟待解決的生產(chǎn)難題。近年來，虛擬現(xiàn)實(shí)等新一代信息技術(shù)蓬勃發(fā)展，為虛擬植物生產(chǎn)建模、過程模擬等提供了技術(shù)支撐。

有研究人員通過植物結(jié)構(gòu)功能反饋機(jī)制，開發(fā)了GreenLab 模型[3]，模擬植物的生長(zhǎng)過程。KEATING 等[4]研發(fā)的APSIM 模型框架可以模擬農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中的生物技術(shù)過程；陳洪等[5]采用Unity3D 技術(shù)搭建了交互式虛擬農(nóng)業(yè)仿真平臺(tái)，為作物品種試驗(yàn)研究提供了一種新的思路；秦洪等[6]通過虛擬現(xiàn)實(shí)和仿真理念，提出了通過設(shè)計(jì)物理模型和仿真方法，實(shí)現(xiàn)在虛擬場(chǎng)景中體驗(yàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的目的；蘭翼等[7]利用VRML 技術(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)交互式農(nóng)田虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景平臺(tái)，使用戶在虛擬空間中得到與現(xiàn)實(shí)大田中同樣的體驗(yàn)。之前的研究更多關(guān)注的是糧食作物種植生產(chǎn)技術(shù)的信息化組織和傳播[8-13]，而對(duì)懷地黃等地方特色作物生產(chǎn)的信息化建設(shè)關(guān)注較少，目前還未見把三維虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于懷地黃生產(chǎn)的研究。因此，以虛擬現(xiàn)實(shí)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)為依托，采集整理懷地黃前期栽培種植、中期田間管理和后期采收加工全過程的關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)了懷地黃生產(chǎn)三維可視化仿真系統(tǒng)，以提高農(nóng)戶種植生產(chǎn)技能，實(shí)現(xiàn)懷地黃種植降本增產(chǎn)，提高其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

懷地黃生產(chǎn)仿真系統(tǒng)的架構(gòu)分為3 層，分別為數(shù)據(jù)層、支撐層和應(yīng)用層（圖1），各層之間相對(duì)獨(dú)立，每一層都為其上層提供服務(wù)，以完成整體系統(tǒng)環(huán)境的構(gòu)建。

圖1 懷地黃生產(chǎn)仿真系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Rehmannia glutinosa production simulation system architecture

數(shù)據(jù)層：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與訪問，為系統(tǒng)整體運(yùn)行提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，涉及栽培流程、技術(shù)要求等各類數(shù)據(jù)，是對(duì)懷地黃生產(chǎn)虛擬化及可視化所需數(shù)據(jù)的分類匯集。

支撐層：負(fù)責(zé)具體業(yè)務(wù)邏輯處理，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行、維護(hù)和管理，是系統(tǒng)的核心框架。包括安全管理、服務(wù)容器等6個(gè)子系統(tǒng)。

應(yīng)用層：為用戶提供可復(fù)制的服務(wù)，實(shí)現(xiàn)懷地黃生產(chǎn)技能和操作方法指導(dǎo)等。

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

1.2.1 栽培過程功能設(shè)計(jì) 懷地黃栽培過程主要包括選地、整地、播種時(shí)期選擇、種栽處理、播種、田間管理和病蟲害防治等。

如圖2所示，栽培過程功能模塊中，各個(gè)子模塊如選地、整地、地黃播種時(shí)期等相互之間有時(shí)間上和空間上的邏輯關(guān)系，因此做成串聯(lián)設(shè)計(jì)。但為增強(qiáng)實(shí)用性，也添加了并聯(lián)設(shè)計(jì)，以便用戶在某個(gè)栽培階段跳躍性選擇自己需要的功能模塊尋求指導(dǎo)方案。

圖2 懷地黃栽培過程功能模塊設(shè)計(jì)Fig.2 Functional module design of Rehmannia glutinosa cultivation process

在子功能模塊中，如第1個(gè)功能選地，是非操作功能，會(huì)給出選地土壤要求、前茬作物、輪作期限等參數(shù)和要點(diǎn)。而操作功能如整地，則會(huì)給出相應(yīng)指導(dǎo)操作規(guī)范，如施肥、耕地、打梗作畦等，這些操作最大化模擬田間地頭的實(shí)際環(huán)境，并提供360°環(huán)繞、可局部放縮的全景示范和交互操作。1.2.2 采收功能設(shè)計(jì) 采收功能可分為人工采收和機(jī)器采收，前者需要人工判斷采收時(shí)間、植株?duì)顟B(tài)和采收工作時(shí)的注意要點(diǎn)。機(jī)器采收則分為機(jī)械去秧、機(jī)械采挖和人工撿拾3步，每一步有相應(yīng)的判斷參數(shù)和操作要點(diǎn)。模塊設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 懷地黃采收功能模塊設(shè)計(jì)Fig.3 Functional module design of Rehmannia glutinosa harvesting

1.2.3 加工功能設(shè)計(jì) 懷地黃加工功能可分為產(chǎn)地傳統(tǒng)加工方法和現(xiàn)代烘箱加工方法2 個(gè)子功能。分別有各自的加工流程和標(biāo)準(zhǔn)，在流程每一步都指出相應(yīng)的操作參數(shù)、要點(diǎn)和技術(shù)規(guī)范（圖4）。

圖4 懷地黃加工功能模塊設(shè)計(jì)Fig.4 Functional module design of Rehmannia glutinosa processing

1.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)部分是系統(tǒng)開發(fā)工作的基礎(chǔ)和重點(diǎn)。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)考慮到有2 種數(shù)據(jù)：懷地黃生產(chǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)和用戶使用該系統(tǒng)所產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)。兩者均含有結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的部分。如懷地黃生產(chǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)包含懷地黃生產(chǎn)過程中各種參數(shù)、指標(biāo)如溫濕度、肥藥比、加工溫控操作參數(shù)等結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，同時(shí)包含有不可簡(jiǎn)單描述的專家指導(dǎo)意見、農(nóng)戶反饋情況、長(zhǎng)勢(shì)描述以及收集的懷地黃生產(chǎn)方法圖像、視頻等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。各個(gè)實(shí)體及其屬性可做結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，如懷地黃實(shí)體，含有生命周期、溫濕度、肥藥參數(shù)等屬性。而實(shí)體間的關(guān)系如農(nóng)戶對(duì)懷地黃的種植/管理/加工關(guān)系數(shù)據(jù)是用戶在使用系統(tǒng)時(shí)產(chǎn)生的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。

根據(jù)前述系統(tǒng)功能模塊的設(shè)計(jì)，結(jié)合應(yīng)用的設(shè)計(jì)需求，對(duì)數(shù)據(jù)庫整體結(jié)構(gòu)做如下設(shè)計(jì)（圖5）。懷地黃生產(chǎn)過程主要有“栽培-采收-加工”3 個(gè)階段，不同階段會(huì)關(guān)聯(lián)不同的數(shù)據(jù)。在開發(fā)系統(tǒng)時(shí)，不同開發(fā)階段需要使用不同的數(shù)據(jù)。為此，設(shè)計(jì)了栽培數(shù)據(jù)庫、采收數(shù)據(jù)庫和加工數(shù)據(jù)庫，并且創(chuàng)建了一個(gè)“懷地黃資料知識(shí)庫”，作為系統(tǒng)開發(fā)和模型搭建的基礎(chǔ)參數(shù)庫。這些數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)是從圖書館圖書資料、農(nóng)技推廣站種植專家、懷地黃種植專業(yè)網(wǎng)站以及種植區(qū)有經(jīng)驗(yàn)的農(nóng)民等處以文檔、拍照、視頻錄制等方式收集獲得，經(jīng)種植專家整理后作為生產(chǎn)規(guī)范以及系統(tǒng)開發(fā)的基礎(chǔ)參數(shù)資料。在對(duì)懷地黃不同生長(zhǎng)時(shí)期建模時(shí)，可根據(jù)這些數(shù)據(jù)來設(shè)計(jì)株高、葉片數(shù)、塊莖形態(tài)等。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)多種多樣，包含結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)類型。以栽培數(shù)據(jù)庫中的整地?cái)?shù)據(jù)為例，數(shù)據(jù)包含農(nóng)民在田間施肥時(shí)的配比、打埂時(shí)的坡度、作畦時(shí)的寬度等。又如采收數(shù)據(jù)庫，包含各種機(jī)械操作說明等，可據(jù)此進(jìn)行1∶1、360°全方位、三維仿真的可視化建模，并可實(shí)現(xiàn)全部場(chǎng)景的自由放縮。

圖5 懷地黃生產(chǎn)仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)Fig.5 Database design of Rehmannia glutinosa production simulation system

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 開發(fā)環(huán)境

本系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境包括：安裝有Windows 10 操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)若干臺(tái)，用于協(xié)作開發(fā)平臺(tái)的硬件設(shè)備，可支持觸摸技術(shù)的顯示設(shè)備如安卓手機(jī)和平板用作測(cè)試設(shè)備。其他的設(shè)備主要包括數(shù)據(jù)采集設(shè)備，如圖片和視頻拍攝相機(jī)、手機(jī)，溫濕度、土壤等的參數(shù)測(cè)量傳感器等。選用開發(fā)語言為C#，開發(fā)平臺(tái)為Visul Studio，采用.NET 結(jié)合MySQL 技術(shù)，用3dsMAX 和Unity3D 等三維圖像軟件設(shè)計(jì)制作人、物的模型和動(dòng)作。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 三維建模技術(shù) 懷地黃三維可視化仿真系統(tǒng)的原始三維模型基于圖像檢索技術(shù)進(jìn)行建模，通過構(gòu)建卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和Open pose 模型進(jìn)行訓(xùn)練，最終得到待識(shí)別圖像中對(duì)應(yīng)的懷地黃三維模型。借鑒文獻(xiàn)[14-16]方法，對(duì)懷地黃三維模型進(jìn)行優(yōu)化。過程是將懷地黃三維模型y進(jìn)行投影，得到二維投影模型P（y），P為投影相機(jī)函數(shù)，再構(gòu)建三維投影模型與三維匹配模型之間的絕對(duì)值損失函數(shù)：

求解損失函數(shù)的近似解，即：

其中，m是樣本數(shù)。由此實(shí)現(xiàn)對(duì)懷地黃三維模型的優(yōu)化調(diào)整，最終輸出優(yōu)化后的三維模型。懷地黃三維匹配模型y包括最近似的k個(gè)三維模型B={b1，b2，...，bn}，對(duì)應(yīng)的模型均值為μ，進(jìn)一步得到懷地黃的二維投影姿態(tài):

其中，α為基礎(chǔ)系數(shù)，由模型均值μ計(jì)算得到。通過科學(xué)優(yōu)化三維模型，降低模型中的參數(shù)復(fù)雜度，提高模型反應(yīng)速度。

2.2.2 面向服務(wù)的架構(gòu)（SOA）技術(shù) 在傳統(tǒng)的服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)中，服務(wù)模塊與其服務(wù)對(duì)象之間、各個(gè)服務(wù)模塊之間以及各個(gè)服務(wù)對(duì)象之間的關(guān)系相互依賴，其依賴度關(guān)系表示為：

其中，d為依賴度，N為服務(wù)模塊及對(duì)象的個(gè)數(shù)。服務(wù)模塊是相對(duì)固定的，服務(wù)對(duì)象是不確定的。隨著對(duì)象數(shù)量N的增加，系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜性呈n2次冪迅速增加，這使得維護(hù)和管理之間的關(guān)系非常困難。SOA 技術(shù)通過定義獨(dú)立于軟硬件平臺(tái)、操作系統(tǒng)和開發(fā)語言的統(tǒng)一服務(wù)接口，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中不同功能單元的聯(lián)系和數(shù)據(jù)交互[17-20]。本系統(tǒng)通過Web Service方式，設(shè)計(jì)服務(wù)提供者（圖6中服務(wù)器）、服務(wù)請(qǐng)求者（圖6 中客戶端）和服務(wù)注冊(cè)中心3 種工作角色，它們之間的交互和操作構(gòu)成SOA 的實(shí)現(xiàn)架構(gòu)如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)SOA架構(gòu)實(shí)現(xiàn)方式Fig.6 SOA architecture implementation of the system

2.2.3 請(qǐng)求自動(dòng)處理技術(shù) 懷地黃三維可視化仿真系統(tǒng)的請(qǐng)求來源包括手機(jī)端、PC 端、Web 端、API端、協(xié)議第三方、系統(tǒng)內(nèi)部訪問和其他不確定流量來源，設(shè)置上述7 種請(qǐng)求來源的待處理優(yōu)先級(jí)依次降低，則請(qǐng)求來源的降級(jí)優(yōu)先級(jí)位圖可如下設(shè)置，如表1所示。

表1 請(qǐng)求來源的降級(jí)優(yōu)先級(jí)位圖Tab.1 Degraded priority bitmap of the request source

請(qǐng)求自動(dòng)處理技術(shù)首先是初始化請(qǐng)求來源的降級(jí)優(yōu)先級(jí)位圖，并設(shè)置所述請(qǐng)求來源的掩碼。其次，獲取當(dāng)前時(shí)刻等待隊(duì)列的長(zhǎng)度，所述等待隊(duì)列用于存儲(chǔ)尚未被處理的請(qǐng)求，若所述等待隊(duì)列的長(zhǎng)度大于等于預(yù)設(shè)上限閾值，則對(duì)所述降級(jí)優(yōu)先級(jí)位圖執(zhí)行預(yù)設(shè)降級(jí)操作，然后接收請(qǐng)求并確定所述請(qǐng)求的來源，根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻的降級(jí)優(yōu)先級(jí)位圖和所述來源的掩碼判斷所述來源是否已進(jìn)行降級(jí)處理，最后根據(jù)判斷結(jié)果對(duì)所述請(qǐng)求進(jìn)行保留處理或丟棄處理。

通過區(qū)分來源以及對(duì)來源的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行排列，在系統(tǒng)流量高峰來臨時(shí)，通過自動(dòng)判斷降級(jí)非核心流量，釋放服務(wù)器的資源，保證核心來源的流量訪問系統(tǒng)的可用性。通過優(yōu)先級(jí)位圖以及監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)流量進(jìn)行組合判斷，從而達(dá)到自動(dòng)降級(jí)和自動(dòng)恢復(fù)的能力。當(dāng)流量達(dá)到上限閾值時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)持續(xù)自動(dòng)降級(jí)，保證系統(tǒng)的服務(wù)能力；當(dāng)流量低至下限閾值時(shí)，逐個(gè)恢復(fù)非核心流量，降低運(yùn)維成本。通過掩碼與優(yōu)先級(jí)位圖中對(duì)應(yīng)標(biāo)記位進(jìn)行與運(yùn)算和或運(yùn)算，判斷出目前后臺(tái)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行升級(jí)或降級(jí)，判斷過程只占用一個(gè)CPU 指令周期的時(shí)間，小于1 ms。識(shí)別系統(tǒng)降級(jí)的掩碼只用4 個(gè)字節(jié)的int類型即可，無需配置文件。通過掩碼移位操作，在一個(gè)CPU指令的情況下完成新狀態(tài)的切換。

2.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.3.1 設(shè)計(jì)流程 系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，首先要到懷地黃原產(chǎn)地及種植戶家中采集素材，詳細(xì)了解田間環(huán)境、技術(shù)參數(shù)對(duì)懷地黃栽培采收加工的影響，操作工具的工作原理、使用方法、操作步驟等，然后使用3dsMAX 進(jìn)行模型構(gòu)建，并將建好的模型導(dǎo)入Zbrush 制作紋理、創(chuàng)建表面模型、進(jìn)行貼圖處理和燈光烘焙等，再將該文件導(dǎo)入到Unity3D 中進(jìn)行資源整合，通過C#腳本設(shè)計(jì)交互步驟，最后生成應(yīng)用程序，進(jìn)行跨平臺(tái)發(fā)布，圖7為系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖。

圖7 懷地黃生產(chǎn)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程Fig.7 Design and develop process of Rehmannia glutinosa production simulation system

2.3.2 模塊實(shí)現(xiàn) 在模塊實(shí)現(xiàn)時(shí)結(jié)合軟件開發(fā)流程和技術(shù)要求，將以上所述系統(tǒng)及其功能通過流程模塊、技術(shù)要求模塊和數(shù)據(jù)分析模塊3 個(gè)部分來實(shí)現(xiàn)（圖8）。

圖8 懷地黃生產(chǎn)仿真系統(tǒng)功能模塊Fig.8 Functional modules of Rehmannia glutinosa production simulation system

流程模塊：流程模塊是懷地黃生產(chǎn)仿真系統(tǒng)的主體部分，流程模塊基于DragonBones 進(jìn)行圖像骨骼綁定，對(duì)2D 動(dòng)畫資源進(jìn)行編輯，通過Vray 對(duì)3D模型進(jìn)行渲染，利用LayaAir 引擎對(duì)2D 動(dòng)畫資源、3D 模型進(jìn)行壓縮合并。用戶交互操作通過Actionscript 3 腳本語言控制，保證交互的實(shí)時(shí)性。用戶可根據(jù)流程模塊中的指引和提示，完成懷地黃全生命周期的交互操作，熟悉從選地、整地、播種、田間管理、病蟲害防治、采收、加工的整個(gè)流程。用戶可以通過手勢(shì)交互，使用懷地黃栽培所需的各種工具，如鐵鍬、耙子、開溝器、采收機(jī)等，根據(jù)系統(tǒng)提供的操作指導(dǎo)，完成具體操作，并可反復(fù)操作以加深用戶對(duì)操作方法和加工技術(shù)的掌握。通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)懷地黃真實(shí)生長(zhǎng)環(huán)境、天氣情況、溫濕度情況等進(jìn)行場(chǎng)景再現(xiàn)，縮短時(shí)間跨度。

技術(shù)要求模塊：該模塊以.Net Core 跨平臺(tái)框架、MySQL 數(shù)據(jù)庫、前端Vue 框架為基礎(chǔ)，使用前后端分離的方式開發(fā)，將選地整地、品種準(zhǔn)備、播種、田間管理、采收、加工與貯藏等技術(shù)要求的數(shù)據(jù)進(jìn)行集成匯總（部分?jǐn)?shù)據(jù)見表2）。用戶在生產(chǎn)時(shí)需要查找懷地黃生產(chǎn)不同時(shí)期對(duì)周圍環(huán)境、工作平臺(tái)、工具使用、操作方法等的推薦規(guī)范參數(shù)，如肥料配比推薦參數(shù)、農(nóng)藥使用方法和水藥配比參數(shù)等。系統(tǒng)將這些參數(shù)和方法結(jié)合不同視角的立體感官體驗(yàn)呈現(xiàn)給農(nóng)戶，使農(nóng)戶簡(jiǎn)單直觀獲得生產(chǎn)時(shí)所需的指導(dǎo)方法和數(shù)據(jù)。

表2 懷地黃栽培加工技術(shù)要求Tab.2 Technical requirements for cultivation and processing of Rehmannia glutinosa

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析模塊：該模塊采用B/S 架構(gòu)[21-22]，通過定時(shí)掃描各類數(shù)據(jù)庫，獲取用戶實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并上傳至服務(wù)器。服務(wù)端實(shí)時(shí)采集客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類保存和監(jiān)控，建立接口以對(duì)外提供查詢功能。實(shí)時(shí)采集用戶在線時(shí)長(zhǎng)、操作方法、觀看進(jìn)度以及掌握情況等數(shù)據(jù)，通過語義分析、多維度參數(shù)解析，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)歸納、整理、分析等功能。

3 系統(tǒng)測(cè)試及應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)功能

通過各功能模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)懷地黃全生命周期流程的交互操作、對(duì)技術(shù)要求的生動(dòng)呈現(xiàn)和對(duì)用戶數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，系統(tǒng)運(yùn)行部分界面如圖9所示。圖9中，a 是進(jìn)入系統(tǒng)后的主要菜單，在此界面可以看到系統(tǒng)的4 個(gè)部分，即懷地黃生產(chǎn)經(jīng)歷的4 個(gè)階段：一、懷地黃介紹；二、地黃栽培過程；三、懷地黃采收；四、生懷地黃加工。用戶了解這4 個(gè)部分內(nèi)容后，可以由此界面跳過部分內(nèi)容直接進(jìn)入下一個(gè)需要了解的板塊；b 是進(jìn)入上述4 個(gè)板塊之后的菜單界面。在菜單界面詳細(xì)列出了懷地黃生產(chǎn)4個(gè)過程中的具體內(nèi)容，如地黃栽培過程的菜單：選地、整地、地黃播種時(shí)期、地黃種栽處理、播種、田間管理、病蟲害防治。每一個(gè)菜單下包含了進(jìn)一步細(xì)分的內(nèi)容。c 是“地黃栽培過程”菜單下的“整地”菜單中“打埂作畦”內(nèi)容，在界面中指出了農(nóng)具操作參數(shù)、方法和注意點(diǎn)。d 是“生懷地黃加工”菜單下的“烘焙干燥法”中烘焙24 h 前后地黃的顏色、形態(tài)的變化對(duì)比，以及三維人像的烘焙操作示范。

圖9 懷地黃生產(chǎn)仿真系統(tǒng)部分界面Fig.9 Interfaces of Rehmannia glutinosa production simulation system

3.2 對(duì)比試驗(yàn)

為了展示系統(tǒng)推薦方法和傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)方法的差別，在懷地黃植株生長(zhǎng)前期開花前階段設(shè)計(jì)了灌溉方法差異對(duì)比試驗(yàn)，以直觀立體呈現(xiàn)種植效果的差異。結(jié)果表明，使用現(xiàn)代科學(xué)指導(dǎo)的方法進(jìn)行灌溉達(dá)到的種植效果更理想。設(shè)計(jì)方案和效果如表3和圖10所示。

圖10 不同灌溉方式下種苗長(zhǎng)勢(shì)對(duì)比Fig.10 Comparison of seedling growth under different irrigation methods

表3 灌溉方法差異對(duì)比模擬試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)Tab.3 Design of simulation experiment scheme for comparison of irrigation method differences

系統(tǒng)開發(fā)完成后進(jìn)行流暢度測(cè)試。通過實(shí)際交互操作，記錄三維畫面的幀率，選取15 個(gè)流程步驟，共采集20 組數(shù)據(jù)（表4），性能測(cè)試結(jié)果為，幀率平均值為64.4 幀/s，樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.49 幀/s，幀率較流暢。

表4 系統(tǒng)三維畫面幀率Tab.4 3D picture frame rate of the system

對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的多表聯(lián)合查詢測(cè)試并返回前200 條數(shù)據(jù)，如圖11 所示。1 000 并發(fā)用戶持續(xù)3 min的平均響應(yīng)時(shí)間為0.019 s，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.088 s，事務(wù)成功率為100%，穩(wěn)定性較好。

圖11 系統(tǒng)用戶并發(fā)數(shù)據(jù)庫查詢結(jié)果Fig.11 System user concurrent database query result

3.3 系統(tǒng)應(yīng)用效果調(diào)查分析

該系統(tǒng)自2020 年推廣到河南省焦作懷地黃種植區(qū)縣以來，指導(dǎo)當(dāng)?shù)亟? 000 戶種植農(nóng)戶用于實(shí)際生產(chǎn)。農(nóng)戶在系統(tǒng)的指導(dǎo)下，栽種時(shí)參考系統(tǒng)提出的技術(shù)要點(diǎn)。也可在出現(xiàn)不清楚的田間管理情況時(shí)查找相應(yīng)步驟從系統(tǒng)中獲得推薦治理方法。采收時(shí)可依據(jù)系統(tǒng)指導(dǎo)選擇人工采收或者機(jī)械采收，并查看相應(yīng)方法與要點(diǎn)。加工時(shí)可選擇產(chǎn)地傳統(tǒng)加工方法或者現(xiàn)代烘焙加工法，產(chǎn)地傳統(tǒng)加工方法繁瑣，對(duì)地黃品質(zhì)的判斷和溫度及時(shí)間的掌控更復(fù)雜，更需要系統(tǒng)指導(dǎo)每一步所應(yīng)采取的操作方法。系統(tǒng)將每一步驟中操作之后的地黃品質(zhì)立體呈現(xiàn)給農(nóng)戶，并附有判斷參數(shù)說明。系統(tǒng)應(yīng)用以來收到了農(nóng)戶的積極反饋。為驗(yàn)證懷地黃生產(chǎn)仿真系統(tǒng)的實(shí)際效用，2021 年4—10 月，在武陟縣大虹橋鄉(xiāng)選取592 戶懷地黃種植戶進(jìn)行驗(yàn)證分析，其中選取300 戶一般種植戶（傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)生產(chǎn)）、292 戶使用該系統(tǒng)的種植戶進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。如表5 所示，通過對(duì)比可知，懷地黃生產(chǎn)仿真系統(tǒng)的使用可以節(jié)約肥料7.36%，節(jié)約用水23.38%，提高產(chǎn)量13.74%，表明本系統(tǒng)對(duì)于懷地黃種植降本增產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益較明顯。

表5 系統(tǒng)應(yīng)用效果對(duì)比試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及結(jié)果Tab.5 Experimental scheme design and result of system application effect contrast

4 結(jié)論與討論

本研究從生產(chǎn)實(shí)際需求出發(fā)，提出并設(shè)計(jì)研發(fā)了基于虛擬現(xiàn)實(shí)的懷地黃生產(chǎn)三維可視化仿真系統(tǒng)。將懷地黃的種植及其田間管理和采收加工等生產(chǎn)勞作過程及相關(guān)的操作虛擬化、可視化，用來指導(dǎo)實(shí)際大田生產(chǎn)活動(dòng)。系統(tǒng)開發(fā)過程中參考了多位地方農(nóng)業(yè)科技推廣站專家和學(xué)者提出的科學(xué)、高產(chǎn)的栽培管理技術(shù)[12-13，23-26]。用戶在系統(tǒng)的指導(dǎo)下，可脫離以前只靠經(jīng)驗(yàn)生產(chǎn)的方法，而采用現(xiàn)代高產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行懷地黃的栽培、采收和加工等生產(chǎn)活動(dòng)。對(duì)比試驗(yàn)顯示，系統(tǒng)的指導(dǎo)作用可使農(nóng)戶提高農(nóng)藝技能，從而節(jié)約用水用肥成本的同時(shí)提高產(chǎn)量13.74%。表明該系統(tǒng)達(dá)到了提升用戶生產(chǎn)技能和降本增產(chǎn)的目的，有助于推動(dòng)懷地黃產(chǎn)業(yè)鏈的可持續(xù)發(fā)展。

系統(tǒng)雖經(jīng)過多個(gè)版本的更新改進(jìn)，目前仍存在一些問題，如運(yùn)行時(shí)占用內(nèi)存較多，沒有考慮到農(nóng)村地區(qū)可穿戴智能設(shè)備普及率較低等問題。今后的優(yōu)化將考慮更貼近農(nóng)村地區(qū)實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境，以及降低系統(tǒng)對(duì)運(yùn)行設(shè)備的配置要求等，以期更好地服務(wù)于廣大懷地黃種植農(nóng)戶的生產(chǎn)活動(dòng)。同時(shí)該系統(tǒng)的相應(yīng)技術(shù)也可應(yīng)用于其他農(nóng)作物的仿真系統(tǒng)中，以求其科學(xué)種植、降本增收。