作物栽培虚拟仿真实验教学系统的设计与实现

廖维华, 郭新宇, 温维亮, 李宗扬, 王 亚

(北京农业信息技术研究中心 数字植物北京重点实验室, 北京 100097)



作物栽培虚拟仿真实验教学系统的设计与实现

廖维华, 郭新宇, 温维亮, 李宗扬, 王 亚

(北京农业信息技术研究中心 数字植物北京重点实验室, 北京 100097)

为解决传统作物栽培实验教学中作物生长周期长、教学成本高、授课方式单一、学生参与实践机会少等问题,利用虚拟仿真技术构建了作物栽培实验的虚拟仿真及互动操作实验系统,用于辅助学生进行作物栽培学习和生产实训。系统内含作物物种与品种遗传特征、单项管理措施、综合管理措施等3部分内容和10项实验。该系统能逼真再现作物的生长发育和栽培管理过程,让学生通过虚拟实验强化作物栽培的相关知识和实验技能,在农学专业作物栽培的实验教学和科学研究中有较好的实用价值。

作物栽培； 虚拟仿真； 实验教学

由于受植物生长时节、地点、属性等多因素限制[1],高等院校传统的作物栽培学实验教学面临许多实际问题。无论是实验室实验,还是野外实习,都会受到作物生长周期长、缺乏合适实验材料的限制,学生不易进行作物全生育期的田间管理；在对不同生育期植物的形态学观察、植株生长管理以及病虫害观察等多个实践环节,费时费力且成本较高[2-3]。

虚拟仿真技术在实验教学中表现出很大的应用价值。虚拟仿真实验室具有利用率高、易维护等诸多优点,并且随着计算机硬件水平的提升和软件技术的发展,三维虚拟仿真实验室的开发难度有所降低,而仿真度和交互性则不断进步[4]。

笔者以虚拟现实引擎工具为技术开发平台,以作物栽培学为基础,结合3D建模、计算机网络、动画模拟、人机交互等技术,以二维和三维相结合的方式开发了作物栽培虚拟仿真实验教学系统,逼真地展示高产栽培技术下玉米、小麦的生长过程。

1 实验系统方案设计

1.1 系统知识储备

实验内容以作物的形态学观察及简单的技能培养为主,涵盖作物生长发育过程与外界环境的关系,环境因素对作物形态结构、生长发育及作物品质的影响作用,并将系统教学内容与农业生产实践相结合[5]。实验系统包括作物物种与品种遗传特征、单项管理措施、综合管理措施等3部分。以玉米栽培实验为例,设置了“玉米形态学观察”等10个实验(见图1)。

图1 玉米虚拟仿真系统结构示意图

玉米在生长过程中会发生不同的变化,主要表现在株型、器官、植株以及群体的生长发育及形态建成过程等方面。本实验以基于玉米各生育期建立的玉米三维模型为基础,通过设定玉米的主要生育时期的时间节点,以及各主要器官的生命过程关键时间节点(如玉米的播种期、出苗期、三叶展、拔节期、小喇叭口、大喇叭口、抽穗期、吐丝期、乳熟期、完熟期等主要生育时期的时间节点),以种植的天数序列为时间轴,建立玉米动态生长过程的数字化表达模型,并通过三维图形技术实现玉米生长过程的动态虚拟展示与仿真。构建的三维模型能够反映玉米生长过程特征,并以玉米的生长发育时间为序,将作物栽培学的实验技能和操作贯穿于玉米的整个生长周期。

1.2 系统界面设计

作物栽培虚拟仿真实验教学系统包含计算机动画和实验操作两部分。实验操作界面包括主界面、实验介绍、实验帮助、实验报告4个部分(见图2)。主界面是实验操作区域,提供仪器设备(左侧)和玉米单株模型、群体模型和特定环境因素模型等。实验介绍、实验帮助和实验报告的页面链接位于主界面的右上方。

实验介绍区域主要是帮助学生复习基础知识、介绍实验原理；实验帮助区域主要是对当前实验的实验工具、操作方法进行说明；实验报告区域提供2种表格供学生完成实验报告。一种表格是学生在实验主界面完成操作、填写等步骤后自动链接形成实验报告；另一种是需要学生自行在实验报告表格中填写实验结果。实验报告提交后,会在报告中显示参考答案。学生提交的实验报告通过后台被教师接收,方便教师掌握学生完成实验的情况。

图2左侧的仪器设备包括知识规则和实验工具两部分。知识规则提供可选的场景、模型切换，例如在“玉米株型与合理密植”的实验中,学生测量茎叶夹角、叶向值、叶面积指数等参数时,在知识规则选单中可以选择紧凑型、半紧凑型、平展型的玉米单株和群体模型进行测量；在“玉米的矿质营养与施肥管理”实验中,点击知识规则中的“缺素症”下拉选单,则可以选择缺N/P/K/Zn/B的玉米单株模型。该实验教学系统的操作界面简洁,却包含了丰富、全面的操作步骤。

图2 玉米株型与合理密植(实验产量)虚拟仿真实验界面

1.3 预期实验效果

本系统提供了玉米生长过程的动态三维虚拟仿真实验操作功能,实现了针对作物器官、单株个体、群体等的三维动态过程建模与仿真,使学生了解作物器官、个体和群体的生长发育过程,并结合作物产量的形成机理,加深对作物品种、株型等知识的认知,完全解决了真实实验无法在短时间内认知作物整个生命周期的问题。本系统通过友好的用户操作界面和互动体验环节,让学生多角度自由观测，具有良好的人机交互性,有助于学生加强基础知识的学习、提高实验技能。

2 典型实验——玉米栽培

玉米栽培虚拟仿真实验围绕玉米物种和品种遗传特征、对环境的适应特点、栽培技术措施的效果和生产管理流程的共性知识,共涉及10项实验(见图1)。

“玉米形态学观察”实验主要包括玉米器官、植株形态结构观察和特征测量等内容；

“玉米的一生”实验主要包括玉米植株形态建成过程的观察、主要生育时期形态学观察及主要形态特征参数测量；

“玉米株型与合理密植”实验主要包括玉米株型划分、不同株型的密度设计及其对产量的影响；

“玉米矿质营养与施肥管理”实验主要包括玉米对矿质营养的要求、需肥规律和施肥技术、施肥方法；

“玉米水分生理与水分管理”实验主要包括玉米对水分的要求、需水规律和灌溉技术；

“玉米病虫害观察”实验包括玉米主要病虫害的症状和危害级别识别；

“玉米整地与播种”实验包括玉米种子处理、整地和播种等生产技能；

“玉米苗期管理”“玉米穗期管理”和“玉米花粒期管理”3项实验都包括针对特定时期的植株观察、除草、水肥、病虫害管理等内容。

以“玉米株型与合理密植”虚拟仿真实验为例。玉米高产栽培必须做到合理密植,即根据当地自然条件、生产条件和品种特性,建立一种高产的玉米群体结构,从而达到高产、优质、高效的目的,其中品种特性更是玉米种植过程中需要考虑的重要因素。

本实验以紧凑型、半紧凑型、平展型等3种株型的玉米单株和群体为实验对象,进行玉米单株茎叶夹角、叶向值的测量和叶姿观察,通过参数的测量值反映3种株型玉米植株的外形结构特点。同时,进行群体叶面积指数、消光系数的测量,探索不同株型玉米群体光截获的特点。此外,本实验还将玉米株型与合理密植结合起来,对不同株型的种植密度对产量的影响进行探索。

知识规则中提供3种株型的玉米群体,在仪器设备中提供虚拟的产量计算器(符号:P)工具,该工具提供3种种植密度:45 000 株/hm2、60 000 株/hm2和75 000 株/hm2供选择。在特定的株型群体条件下,使用产量计算器能够计算出某一密度条件下的产量值,获得最高产量的种植密度是该株型玉米群体的最适种植密度。例如,在知识规则中选取“玉米地1”模型,用产量计算器分别计算出3种种植密度对应的产量值分别为7 500～8 500 kg/hm2、8 500～9 500 kg/hm2和9 500～10 000 kg/hm2,因此得出“玉米地1”的最适种植密度为75 000株/hm2。

实验交互过程让学生直观地了解3种不同株型玉米植株的外形特点。通过虚拟仿真的三维场景实现玉米单株株型判断、参数测量、最适种植密度计算等实验过程。学生可以通过识别、测量、拖拽和填写等交互过程完成实验操作[6]。此外,学生还可以对模型进行旋转、缩放、移动等操作,允许进行多角度的模型动态展示。所构建的三维场景能够反映实际的玉米生长过程。通过虚拟实验,学生能够加深对于玉米的不同株型分类标准(茎叶夹角、叶向值、叶姿)的认识,同时掌握不同株型光截获的特点(叶面积指数、消光系数),并将不同株型的种植密度与实际量结合起来,在保证科学性的同时,又具有很大的趣味性。

3 讨论

作物栽培虚拟仿真实验教学系统是作物栽培实验虚拟化的初步探索,也是在数字农业、虚拟农业应用中的尝试。该系统所建模型、场景真实感强，符合实际的实验操作情形,可以用于作物栽培实践教学综合训练。通过虚拟仿真实验，实现长时程实验的短时化,增加学生对作物全生育管理技能的培养；通过虚拟仿真实验,有利于增加交互的趣味性,帮助学生快速掌握作物栽培实验的基本实验技能。

但是,由于作物生长周期长,经历的环境因素是可变和不确定的,所以在模拟综合生长条件下,水、肥、温度等因素对于农作物产量的影响仍需要进一步探索,以丰富本系统的知识框架和交互形式。

近年来,大量更自然、速度更快、精度更高的虚拟交互技术和设备相继出现,如可穿戴设备数据手套、头盔、智能眼镜[7]等设备以及Kinect[8]、LEAP Motion[9]等虚拟体感技术。如果能将这些虚拟交互技术产品应用于作物栽培实验中,必然会增加虚拟仿真实验的沉浸感、交互性与趣味性。虚拟仿真实验系统的运用开创出新的教学方法,让学生的创新能力和实践能力得到了很大提高,这也是下一步研究的方向。

References)

[1] 陈洪,马钦,朱德海.基于unity3d的交互式虚拟农业仿真平台研究[J].农机化研究,2012,34(3):184-186.

[2] 海江波,索学芳,高金锋.作物栽培学实验课程教学体系的探索与思考[J].中国农业教育,2000(2):39-40.

[3] 蒋艳娜,郭新宇,杨宝祝,等.基于Unity3D的大棚西瓜实训系统[J].江苏农业科学,2015(8):416-418.

[4] 汪昭,魏江,徐文娟.Unity3D在虚拟物理实验设计中的应用[J].常熟理工学院学报,2015(6):112-115.

[5] 吴小平,齐立森,邓旭阳.虚拟玉米植株三维动态建模[J].计算机仿真,2011,28(4):304-307.

[6] 吕萌萌,郭新宇,陆声链,等.基于Unity3D果树交互虚拟修剪技术及其实现[J].农机化研究,2015(4):7-11.

[7] 吴亚东,赵思蕊,杨文超.让人机交互更加真实[J].高科技与产业化,2015,11(11):50-51.

[8] 李知菲,何林知,洪震.体感交互技术在”虚拟现实技术”课程教学中的应用[J].中国信息技术教育,2014(5):115-117.

[9] 胡弘,晁建刚,林万洪,等.基于虚拟手交互的航天员虚拟装配训练仿真方法[J].计算机应用,2015(增刊2):200-203.

Design and realization of virtual simulation experimental teaching system for crop cultivation

Liao Weihua, Guo Xinyu, Wen Weiliang, Li Zongyang, Wang Ya

(Beijing Key Laboratory of Digital Plant, Beijing Research Center for Information Technology in Agriculture, Beijing 100097, China)

The conventional crop cultivation experimental teaching is faced with some problems such as a long growing cycle of crop, high teaching cost，boring teaching methods and a few practice opportunities, etc. For this reason, an experimental teaching system of the virtual simulation and interactive operation for crop cultivation is established by using the virtual simulation technology so as to assist the students in the study of crop cultivation and production practice. The system contains the following three sections: the crop species and genetic characteristics, single management measures, and comprehensive management measures, and ten experiments. The system can vividly represent the growth and development of crop cultivation and management process, helping the students to enhance their knowledge and experimental skills of crop cultivation through virtual experiments. It is of a good practical value for experimental teaching of crop cultivation for Agronomy majors and scientific research.

crop cultivation; virtual simulation; experimental teaching

10.16791/j.cnki.sjg.2016.11.037

2016-05-30

国家863计划课题(2013AA102305)资助；北京市农林科学院科技创新团队项目(JNKYT201604)资助

廖维华(1990—),女,四川达州,硕士研究生,主要研究方向为作物模型与应用

E-mail：liaoweihua1990@163.com

郭新宇(1973—),男,内蒙古赤峰,研究员,主要从事数字植物理论技术研究.

E-mail：guoxy@nercita.org.cn

S31-4；TP391.9

A

1002-4956(2016)11-0150-03