虚拟农业技术及其应用

李敏　郭小粉　王应君　陈新林　李磊　陈伟

摘 要：虚拟农业技术是一个新的研究方向，是虚拟现实技术与农业科学相结合的产物，开辟了农业技术研究的新途径。它将改变传统的农业生产、科研及教学方式，其发展前景将会带来巨大的经济效益。通过对虚拟农业技术的概述，深入探讨了虚拟农业技术的应用范围，并对虚拟农业的发展方向进行展望。

关键词：虚拟农业；农业技术；虚拟现实；虚拟实验；农作物

中图分类号：S-3 文献标志码：B 论文编号：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

虚拟农业是由虚拟现实延伸而来的，虚拟农业技术是农业现代化的发展趋势与客观要求，是计算机技术在农业领域应用的更高境界。在计算机辅助下，将现代化信息技术与农业科学相结合，开辟了农业技术研究的新途径，是虚拟技术研究的一个重要领域。

随着农业问题研究的进展与虚拟现实技术的广泛兴起，虚拟农业技术的应用已成为现代化农业信息的重要手段，也是提高农业资源管理和农业生产力水平的最有效工具。作为农业大国，虚拟农业技术的应用与研究具有重大的意义，它将极大地推动着中国的农业生产、新产品研发、病虫害研究以及农业科研、教学等领域。

1 虚拟农业技术概念

1.1 虚拟现实

1989年美国的J.Lanier最早提出虚拟现实技术（Virtual Reality，缩写为VR）又称灵境技术或幻境技术。是一种高新的人—机界面形式。它依托于数学﹑计算机科学﹑机械学、声学、力学、生物学﹑光学乃至社会科学和美学等多种学科，在计算机图形学﹑智能接口技术﹑图像处理与模式识别、多传感技术、人工智能技术、网络技术、语音处理与音响技术、高性能计算机系统和并行处理技术等基础上迅速发展起来的信息技术[1]。目前，该应用已涉及教育培训、科研、军事、工程设计、影视、医学、商业等众多领域，是专家学者们公认的能促使21世纪社会发展巨大变化的几大技术之一[2]。

在期刊《国际虚拟现实》上，虚拟现实的含义为：使人可以操纵其内的物体，犹如身临其境，它是一个虚拟世界的计算机系统[3]。

1.2 虚拟农业的概念

虚拟农业（Virtual Agriculture） 是从虚拟现实、虚拟植物建立，用虚拟现实技术与可视化技术模拟植物，在计算机上土壤物质的吸附，迁移，排放的成长过程中表达的遗传物质异化、同化的计算机虚拟现实，采取人为干预，对这些过程中各种应激作用条件下的研究[4]。具有交互操作、易现实的特点，它是农业信息化重要研究领域之一。

1.3 虚拟农业的优势

虚拟农业的优势主要体现在3个方面：一是模拟农药从喷雾器中喷出后的空间运行轨迹以确定农药的最佳喷施方法；二是判别植物群体精确定量化研究利于计算植物群体空间中光通量精确值；三是通过改变植物形状与叶子形态让害虫无处藏身、觅食，以此减少害虫侵害从中找到最佳栽培方式。虚拟农业技术甚至能直观地研究复杂的生态系统，如农田、森林等，从中发现难以观察到的规律。结合生物学技术，为植物基因改良以及植物株型设计提供依据，加强人们对植物生命和植物生理的了解。

1.4 虚拟农业的意义

虚拟农业由于虚拟对象不同，与之相对应的系统也不同。但都涉及虚拟对象，虚拟环境，认知水平以及相互间的作用关系等，是农业知识与现代化信息技术的综合体现。尽管虚拟农业的过程非常复杂，但它彻底改变了传统的教学方式和科研方法，为发展农业带来了巨大的经济效益。

虚拟农业改变了中国乃至全世界几千年凭传统经验的种植模式，它是一个定量化的研究过程。它不仅可以模拟作物满足最大经济效益产量时的株型，为作物育种工作指明方向。还可以最大程度缩短育种年限，能在几秒钟内完成模拟作物生长的全过程。

虚拟农业可以模拟不同作物和同种作物之间的间作、连作、套作等相互作用、交互影响，为作物合理耕种、合理搭配提供理想的规划。虚拟农业的模拟使课堂学习形式更形象化、直观化。从而使学生们以及各位学者更好的掌握、理解现代农业知识。

经济效益方面，虚拟农业替代了现实生活中难以实现的费力、费时的试验。在过去的几十年里，虚拟植物的研究与应用已经有了长足发展并取得了相当大的成就。新西兰Holt开发出虚拟几维果树系统，能几秒钟摸拟出植物的发芽﹑生长﹑抽枝﹑展叶﹑开花﹑结果﹑果实成长等整个生长周期，不用费长时间实地种植即可观察分析。还可以计算出虫咬叶片后所向果实输送糖量受到的影响。

在农业科技推广和教育教学领域，与其他智能化农业软件系统相结合，可建立虚拟农场，可直观生动的对农田﹑森林等复杂的生态系统研究，从而探索科学规律和奥秘。还可以通过改变环境条件和栽培方式，观测植物生长过程及最终结果[5]。从而节约大量的物力，人力。近年来，虚拟现实技术在农业领域的研究越来越重要。从虚拟植物，虚拟环境的探索和研究可以看出，虚拟现实技术将被广泛应用于农业领域，并带来新的理念和技术，为农业生产和农业科学的发展提供新途径。

2 虚拟农业技术的应用

2.1 虚拟实验

虚拟实验是指借助于虚拟现实、多媒体与平台仿真等技术，在计算机上营造部分替代、可辅助的，甚至是全部替代的传统实验，以及其各种操作环节相关的软件与硬件操作环境，使实验人员犹如在真实环境中一样实验各种项目，将得到的实验效果完全等价甚至是优越于真实环境中所取得的效果[6]。

虚拟实验注重的是实验过程的交互与实验结果的真实性，它建立在虚拟实验平台之上，开展虚拟实验教学不仅能够突破传统实验的“时、空”限制，而且能有效缓解大部分高校普遍面临的实验器材陈旧、型号落后、设备不足等方面的困难和压力。从而使老师和学生们随时随地通过键盘鼠标进入虚拟实验室，进行各种实验，操作各种仪器，以此提高实验教学质量[7]。

2.2 虚拟育种

要想获得高产的农作物，必须具有合理的株型。早期的育种工作，技术人员都是选择在大田中完成的。而现在的育种工作，是利用虚拟农业技术结合生物技术在实验室里模拟育种的，并且还可以培育出新品种，最后通过大田实验做检验。

以玉米为例，株型对作物的品质、产量等影响很大。从已知的品种出发，找出它们与品质、产量等关系，构建合理的数学模型。如每亩株数、每株穗数、秸秆的高度、穗长等， 按照最佳株型，不仅可以确定育种方向，而且还可以减少资金浪费，节约大量的时间，从而提高育种效率[8]。

2.3 虚拟温室

随着科学技术的发展，虚拟温室的开发与研究应运而生。虚拟温室是将模型、数据、材料、高级算法与物理属性整合而成的研究平台。它是将环境学与物理学相结合， 进行研究温室对外界环境的各种反应，并且能够显示、观察与打印其结果[9]。

虚拟温室与虚拟飞行器、虚拟驾驶器等相类似， 其科研的意义及价值不言而喻。温室的智能化与动态研究及虚拟植物的自适应研究，都可以应用虚拟温室完成。即真实的温室由虚拟温室来再现。需要研究的内容非常丰富，实验教学也能从虚拟环境中获益。使用户通过改变虚拟环境规则，在各种“环境”中进行实验和学习。

虚拟温室作为综合的实验平台，可以研究和试验温室特性及规律。其优势在于为实际生产提供一种交互的、可靠的、可重复操作的参考平台，从而为生产决策服务。

2.4 虚拟农场

用计算机技术来模拟农作物生长，被知名人士称作虚拟农场。在计算机屏幕上，进行三维模拟植物的构造与生长，不仅能显示出作物所具有的性状，还可以改变作物的栽培方式。从而直接观看玉米发芽、生长、抽枝、展叶、开花、结果等整个生长周期，无需长时间实地种植就可以观测分析。作物的生长过程可以分解成这些重复部件生长过程的总和。

在教育、教学及农业科技推广领域，用虚拟植物构建虚拟农场，让学者们在计算机屏幕上直接观测作物的整个生长周期与最终结果。如虚拟种植作物，虚拟田间管理等，从而使学者们快速地掌握农田管理技术。

2.5 虚拟果树修剪

虚拟果树修剪技术为广大学者掌握先进的修剪技术提供了一种新途径。它是模拟果树管理措施中的重要技术[10]。对调控果品产量以及提高果品质量有非常重要的作用。然而，在技术推广和实际生产中存在两大难题：一是果树修剪技术人员相对短缺；二是普及修剪技术有一定难度。再加上错误的修剪具有不可逆性，总是带来不可弥补的损失。以至于严重影响到果业的可持续发展。因此，普及和推广果树修剪技术是至关重要的工作。

2.6 虚拟立体农业

虚拟立体农业主要是摸拟光资源作物间的套作管理。一方面，在光资源模拟中，叶片分布状态对光辐射产生影响，在蒸腾作用与光合功能的共同作用下会产生变异；另一方面，光合产物的分配与生产也决定了各部分的生长速度，以及植株下一时段的形态结构[11]。因此，利用计算机图形学建立植物三维模型，模拟光线在植物冠层内反射、传输及透射等，并参照光资源量就能精确计算出每一叶片的光截获值，从而实现对立体农业管理。

2.7 虚拟都市农业

简言之，都市农业是把农业的生活、生产、生态等结合为一体的产业。对都市农业的模拟主要体现在三方面：（1）为实现最好景观，对建筑周边的田园景观设计及整体规划；（2）都市农业的结构安排、空间布局，以及农业消费、生产与流通；（3）周边地带与都市化地区农业的合理搭配。从而实现农业发展与城市需求相互促进、相互依存、相互补充的一体化关系。

2.8 虚拟教学和农业科技推广

在科普教育、教学和农业科技推广领域，与其他智能化系统软件联结，使学者在计算机上进行虚拟农业管理和种植虚拟作物，通过改变栽培方式和环境条件，能多个角度观测作物动态生长状态、生长过程以及最终结果[12]。尤其是农业科技推广领域，这种效果更容易使学者接受、掌握先进的农田管理技术，从而提高农业科技的现代化进程。

3 虚拟农业的发展趋势

3.1 虚拟农作物

虚拟农作物就是利用虚拟现实技术，以植物个体或群体为研究对象，在计算机上模拟作物在三维空间中的生长发育过程[13]。是数学﹑植物学﹑计算机图形学和虚拟现实技术等交叉学科。它不仅能够提供作物生长的空间规律反映植物的形态结构，还可以摸拟生产管理以及探索出植物生长的规律和奥秘。利用虚拟植物技术，研究者可以在计算机屏幕上设计农作物，并进行农作物育种。利用可视化技术与面向对象程序设计思想进行作物建模。它对于构建植物形态、探索农作物理想模型、虚拟教学甚至园林设计等方面有非常重要的应用[14]。虚拟农业的研究对象不同，系统结构也不相同。图l为虚拟农作物结构。

虚拟现实技术的“沉浸式交互环境”给用户带来了临场感与真实感的体验。运用此技术，能几秒钟摸拟出作物的发芽﹑生长﹑抽枝﹑展叶﹑开花﹑结果﹑果实成长等整个生长周期，不用费长时间实地种植即可观察分析。甚至能直观地研究复杂的生态系统，如农田、森林等，从中发现难以观察到的规律。因其具有便于交互操作、易控制、真实感强等特点，而得到广泛的应用。

3.2 虚拟农作物的模型研究

虚拟农作物建模的目的是通过模拟研究对象的发生、发展过程，为发现规律，解释现象，揭示机理，预测未来等提供有用工具[15]。以作物为研究对象的几何模型是作物建模，它是用来构建能直接反映现实世界中实物对象的数学模型。

建模的最终目的是使科研人员的研究手段、方法更准确、快捷。进行作物仿真，研究其形态变化特征以及进行三维形态模型的数据分析。

三维重构法对作物建模是先采用仪器收集作物空间数据，再通过编写程序调用一些数据，以此实现农作物的三维模拟。随着仪器精度的不断完善，模拟的农作物逼真性也越来越高。

农作物个体的生长都具有持续、自主、主动的属性，与环境的交互则具有应激性。通常是由地上部分和地下部分构成。地上部分的根、茎、叶、花及果实与空间环境交互；地下部分的根与土壤环境之间交互[16]。作物器官间交互、协作生长：相同作物个体间是竞争关系，不同作物个体间则竞争与协作关系。人作为外部调控机制，把作物体与器官以及环境间的关系抽象为模型库和知识库，通过修改环境因素参数，观察虚拟农作物的生长过程，从而达到教育教学、科研等目的。图 2为虚拟农作物系统模型结构。

从天气数据库中提取环境因素中的天气参数；用灌溉、施肥专家数据库实施调控水分与养分参数。其中，模拟农作物生长的必需参数是每日气象要素（如温度、湿度、太阳辐射、风速以及降雨量）。

4 结束语

虚拟农业技术开辟了农业研究的新途径，它是农业科学与虚拟现实技术、信息技术相结合的产物。这种研究方法为农学科研人员提供一种便于交互、易操作、易控制的平台，解决了现实中农业上异常复杂的各种问题。农业信息以可视化的方式在计算机上实现：直接得到定量的实验结果和可视化的过程，不仅缩短了研究周期，降低了实验成本，还提高了农业科研的效率。

在农业研究上，农作物根系、农作物与环境交互的虚拟，是2个有待于完善和深化的重要问题。虚拟农作物的发展有着广阔的应用前景，同时对精确农业研究具有重要的指导意义。随着农业问题研究的进展，开展虚拟农业研究，推进农业现代化进程，加快计算机技术的农业应用，构建农业知识创新体系必将是农业技术前沿。尤其是对文化基础较低的农民非常实用，便于他们掌握先进的农田管理技术，这种效果是传统方法达不到的。事实证明：虚拟农业技术是计算机技术在农业领域应用的更高境界，它具有很好的应用推广前景。

参考文献

[1] 李锦涛，刘国香.虚拟现实技术及其应用[C].计算机工程，中国计算机学会全国第八届CAD/Graphics94学术年会议专刊.

[2] Manetta C and BladeR.Glossary of Virtual RealitTerminology[J].International Journal of Virtual Reality，1995，1.

[3] Chin-Hung Teng et a1.Constructing a 3D Trunk model from two images[J].Graphical Models，2007， 69：33-56.

[4] Prusinkiewicz P W， Remphrey W R，Davidson C Get a1. Modeling thearchitecture of expanding Fraxinus pennsylvanica shoots using L-systems[J]. Can J Bot， 1994，72：701-714.

[5] Long Quail，Ping Tan et a1.Image-based plant modeling[J].Computer Graphics，2006：599-604.

[6] 秦研.走进虚拟世界[J].中国信息技术教育，2010（11）：94-106.

[7] 谢爱娣，李从军，郭高丽，等.虚拟实验在《生物分离工程》教学中的初探[J].中国科教创新导刊，2011（10）：374-381.

[8] 马韫韬，郭焱，李保国.应用三维数字化仪对玉米植株叶片方位分布的研究[J].作物学报，2006，32（6）：791-798.

[9] 卢章平，张楠，李铁骑，等.虚拟植物整体生长研究现状与展望[J].计算机仿真，2011，28（8）：295-296.

[10] Andrieu B， Invanov N，Roissard P，Simulation of light interception form a maize canopy model constructed by stereo plotting[J]. Agric for Meteorol，1995，75：103-119.

[11] 刘宏伟，吴斌，朱玉颖，等.虚拟水稻的可视化研究[J].安徽农业科学，2008，36（34）：15261-15262.

[12] 李敏，郭小粉，王红娟，等.虚拟现实技术在农业职业教育中的应用[J].河南农业，2012（7）：34-36.

[13] 刘兴龙，张立国，刘永福.虚拟植物模型及可视化的研究[J].农机化研究，2008（10）：248-249.

[14] 李刚.化学虚拟实验的人机交互设计与研究[D].兰州：西北师范大学，2012，4.

[15] 郭焱，李保国.虚拟植物的研究进展[J].科学通报.2001，46（1）：1-5.

[16] 杨沛.虚拟现实技术及其在农业中的应用[J].安徽农学通报，2008，14（23）：4063-4075.