新一代互联网技术——VR技术打开农业创新发展的新思路

文/朱焕焕 本刊编辑

随着信息时代的到来，科技高速发展，作为国民经济基础的农业也步入突飞猛进发展的浪潮中，正经历着变革性的发展，“现代科学＋农业”的管理模式已成为传统农业转型升级的重要手段，“VR技术＋农业”也将成为21世纪现代农业发展的“宠儿”。对于大多数用户而言，VR技术既熟悉又陌生。早在1963年以前，VR技术就已经进入有声形动态的模拟初级阶段，经过几十年的演变发展和不断完善，VR技术已经在医学、航天、军事、城市规划、室内设计、桥梁道路设计、房地产销售、旅游教学、娱乐等众多领域得到广泛应用，但在农业领域上应用研究还较少[2]。下面我们将了解一下，究竟VR技术在农业中能够充当怎样的角色。

VR技术概述

VR（Virtual Reality，即虚拟现实，简称VR），是由美国VPL公司创建人拉尼尔（Jaron Lanier）在20世纪80年代初提出的。具体内涵是：综合利用计算机图形系统和各种现实及控制等接口设备，在计算机上生成的、可交互的三维环境中提供沉浸感觉的技术。其中，计算机生成的、可交互的三维环境称为虚拟环境（即Virtual Environment，简称VE）。虚拟现实技术实现的载体是虚拟现实仿真平台（即Virtual Reality Platform，简称VRP）[3]。简单来说，VR技术是人机交互系统构成的一个可感知的虚拟环境，以计算机为核心，利用现代高科技生成逼真的视觉、听觉和触觉一体化的特定虚拟环境，赋予“沉浸性”“想象性”“交互性”特征，用户可借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用并相互影响，从而产生身临其境的感受和体验。其改变了传统生硬、枯燥和被动的人机交互模式，增强了人的感知和理性认识，决定了VR技术在21世纪发展科学中的重要性。

VR的主要技术包括动态环境建模技术、实时三维图形生成和显示技术、新型交互设备的研制、智能化语音虚拟现实建模、大型网络分布式虚拟现实（Distributed Virtual Reality，简称DVR）等。VR技术的研究要遵循“低成本，高性能”这一主线，从软件、硬件上分别展开深入研究[4]。

科研领域的开拓者

虚拟植物

在传统农业研究中，由于自然条件的限制，研究周期较长，实验环境复杂，致使农业技术研究费时、费力。而随着计算机图形图像技术的快速发展，信息科学中的虚拟现实技术逐渐应用到农业方面，产生了虚拟农业的概念，并且在一段时间内取得了重要的成果。所谓虚拟农业是指建立在计算机可视化技术和虚拟现实技术基础上的一种仿真农业技术，它是通过计算机相关技术，将农业中土壤的变化、动植物的生长等过程转变为计算机中虚拟的现实，以此来研究各种自然条件、人工干预条件对这些过程的影响，虚拟农业技术具有真实感强、可交互重复操作等特点[5]。虚拟农业技术的影响是十分巨大的，它可以将农业上极为复杂而又周期漫长的研究过程在虚拟现实的环境中实现，在虚拟环境中定量的时空坐标系中进行分析，既可以极大地缩短研究周期，又可以获得精确的定量试验数据，从而为农业生产的研究提供可控的、可重复利用的研究平台，为精准农业的研究提供合理的试验依据，同时也加强了人们对农业生产过程的深入理解。

虚拟植物技术是虚拟农业技术中的一个非常重要的分支，其主要目标是利用虚拟现实技术在计算机中实现三维空间下植物生长发育的模拟过程[6]。虚拟植物技术的研究对象是自然界中的植物，其所得到虚拟植物的模拟结果与影视动画游戏作品中的三维植物是不一样的，影视动画游戏作品的三维植物只是形似现实中的植物，而虚拟植物技术要求不仅能真实地反映植物的三维形态结构，也需要精确地模拟出植物的生长发育过程，并且演示效果要符合真实情况。因此，就需要将植物的生理生态模型和形态结构模型相结合，建立植物虚拟生长的模拟模型即植物生长模型，并以此为基础，利用计算机图形技术和虚拟现实技术设计，实现可视化虚拟仿真效果[7-8]。

目前，虚拟植物技术的研究主要是在植物三维形态建模与生长虚拟展示2个方面，通过研究植物三维形态结构特征，可对植物三维形态进行模拟仿真，实施三维重构，进行可视化分析。

虚拟植物研究方法——植物建模

虚拟植物研究方法：（1）对不同生长条件、不同生育阶段的植物进行定性观察，判别其生长模式，确定描述其形态结构的总体框架；（2）定量化测定植物的拓扑结构、几何特征、机械性质等；（3）将测定的数据输入数据库，通过数理统计、模式识别等方法，提取作物形态结构规则；（4）模型依据植物生长的规则模拟植物生长，应用可视化技术在计算机上实现模拟植物。基于所建立的模型，可进行虚拟试验等方面的研究。

研究虚拟植物的关键问题之一是植物建模。目前，国内外研究者逐步考虑将植物生理、形态结构、环境影响三者结合建模，以提高植物生长过程模拟的精确度。Prusinkiewicz提出能够感知环境的L-system模型，用以模拟局部环境（如不同涂层的温度、土壤体抗力、枝条修剪）对植物生长的影响。基于 L-system 模型， Mech和 Prusinkiewicz 提出了改进的 Open L-system模型，在模型中引入交流模块，模拟信息在植物与环境中的双向传递，该模型模拟精确度较高，但过于复杂，难以实现特定种类植物生长规则的提取和定义[9]。

虚拟植物技术的重要基础是植物生长模拟模型，如果根据功能和模拟的过程来划分，那么可以将植物生长模拟模型分为2大类：一类是生长机模型[10-11]，也就是根据已知的植物形体的初始化信息及环境因素来确定植物生长过程的各种参数或数据；另一类是可视化模型，是指利用计算机图形学技术，采用二维或三维图形来模拟仿真植物个体的生长过程。在农业技术研究中利用虚拟植物技术，可在虚拟农田系统环境下进行试验，可部分代替在现实中难以进行或费时、费力而又昂贵的农田试验，并以此建立虚拟试验农场，通过与智能化计算机技术相结合，使用户可以在计算机上进行虚拟植物生长的管理，有利于农业技术的普及和推广，从而使农业技术研究跨越到数字化和可视化阶段[12]。生长机模型又包括生理生态模型和形态发生模型。由于虚拟植物、分支矩阵、粒子系统等为代表的方法，侧重于计算机图形学，只注重视觉效果的逼真性，主要研究如何用最少的植物学知识，方便快捷地生成单纯外观上的植物图形，这类模型普遍应用于园林规划、景观设计等领域；另一类是以L系统、自动机模型为代表，应用于农林业生产和研究的模型，该类型可以通过对植物实际生长发育过程进行研究，根据所测得的大量数据提取植物的生长规则，用以模拟植物生长的真实过程。喻晓莉[13]以玉米为载体，初步研究了生理生态模型与形态发生模型有机结合的方式，重点解决生理生态模型和形态发生模型的接口，并同时兼顾生长机模型构建的普遍适用性。首先描述了玉米的生长状态：植株的生长速度、叶片的生长位置及叶片的数量、叶片形态的变化及总体生长状态。通过该描述，提出利用环境因子气温和日长对玉米生理生态模型产生影响，从而影响双尺库自动机模型中状态参数表参数，来实现生理生态模型与形态发生模型有机结合，并设计了2种模型接口部分的算法，即双尺度自动机模型中循环次数求解算法和叶形态求解算法，该算法能够很好地将2种模型进行有机结合，使玉米形态结构的生成具有与外界环境的交互性和动态性。通过试验验证达到了预期效果，说明文中所提出的生长机模型构建方法具有一定的参考价值及可行性。

唐卫东等[14]以温室黄瓜为例，对试验观测数据进行预处理并采用关联分析法获取植株-环境互作信息，依据作物发育动态理论模型建立了植株-环境的信息响应模型和信息反馈模型，再从植株生长的系统变化过程对相关模型进行耦合。运用规则化处理方法与面向对象技术建立植株拓扑演变模型与器官形态发生模型，并构建虚拟植物动态模型。试验结果表明，模型拟合度均达到95%以上，能较好地虚拟外部环境作用下的植物生长发育，为动态掌握和预测适宜植物生长的温室环境条件提供依据。

虚拟植物技术的应用

经过近40年的发展，虚拟植物的研究已初具规模，一些建模方法也日渐完善。直到目前，国内外学者已经取得了很多研究成果。实践证明，虚拟植物模型的建立对于农业步入现代化高科技领域是一个很好的契机。

● 科研育种

利用虚拟植物技术，在计算机屏幕上设计相应的作物，然后再根据实际培育或利用基因工程、细胞工程等先进的生物技术繁殖出真实的农作物，使农作物新品种具有虚拟植物的理想性状。由于作物育种周期长、试验反复、试验设备及试验本身的可操作性、分子试验的危害性等的限制，在一定程度上阻碍了科研育种的进程。然而，虚拟植物技术应用计算机建立能客观反映现实世界规律的虚拟模型进行虚拟试验，可以部分替代在现实世界难以进行或费时、费力和费资金的试验。因此，虚拟植物技术将成为农作物育种的重要工具。

与传统的植物生长模拟模型相比，虚拟植物具有很大的优势，如植物群体光分布的研究，过去主要依据Beer-Lambert公式来计算，应用该公式需要引入叶片分布的假设，如随机分布，这常常会带来较大的误差，特别是在行播作物的生长前期，而且无法获得植物冠层光分布的空间规律[7]。在现实世界中植物冠层的光分布具有很大的空间变异性，受冠层结构及各器官的几何形状等影响，植物群体对光的截获很难进行精确定量化研究，而利用虚拟植物模型就能判别哪些光线被植物叶片截获，哪些穿过叶间空隙到达冠层更深处，可计算出植物冠层空间中任意位置点的光的通量的精确值。这种对作物冠层光分布的精确模型可为作物株型设计提供理论依据。为大幅度提高作物产量，需培育超级作物品种，如超级杂交水稻。而育种学家注意到，为获得超级品种需优化作物株型，虚拟其生长，模拟其光截获能力与光合产量形成能力，优先选出理想株型，从而明确育种方向，减少盲目性。

● 栽培方式

利用虚拟植物技术设定某种作物在不同种植密度下的虚拟环境，并比较其产量的差异，从而选择适宜的种植密度。另外，由于温室、大棚等特定的生态系统，对环境条件实现自动化控制，运用虚拟模型具有可操作性。通过研究温室土壤水分、养分和盐分及温室植物形态结构的特有规律，应用虚拟模型设计精准灌溉、施肥、施药、采收方案，从而可获取最高的边际产值。而对于大田生产，可根据所在地区的资源状况，应用虚拟模型研究作物个体根冠的关系，选择个体竞争能力适合于当地资源状况的作物品种；可依据高产农田群体结构特征，应用模型优化作物种植和套种方式，从而提高不同地区、不同条件下的作物产量提供指导[7]。因此，可利用虚拟植物找到最佳的栽培方式。

作物从土壤中吸收水分、养分时，由于土壤物理性质的空间不均一性、根系不同位置吸收性能的差异，使土壤水分、养分的分布随作物生长而出现显著的空间不均一性。因此，通过研究根系的可视化，研究土壤水分、养分时空动态规律，从而确定合理的灌溉、施肥方案，以提高水分及肥料的利用率。同时，也可以应用此规律设置合理的株行距。但目前对于根系的可视化研究仍处于初步阶段。

● 植物保护

利用虚拟植物模拟农药从喷雾器中喷出后的空间运行轨迹，直观地观察农药在植物群体中的空间分布与害虫的位置关系，从而可确定农药的最佳喷施方法。另外，利用虚拟植物，还可以找寻一种既能对付害虫又不污染环境的方法，例如通过改变农作物株型或叶片形状而使害虫无法藏身或无法觅食，以此途径来减少害虫侵袭。

新时代的教育者

实验教学

VR技术可部分替代一些受设备等条件限制的一些试验，缩短试验进程，同时减少不必要的资源浪费。VR技术与科研试验结合，提供了高仿真的仪器和试验环境，并允许使用者通过声控和手持设备与环境互动，逼真还原真实的试验流程，有效提高实验员的观察和动手能力，解决了农业科研实验室教学资源紧张的难题，同时调动科研工作者的创新思维。另外，开发虚拟农场可以实现网上种田，让学生更快地掌握农业知识和体验农事活动。

科普互动体验教育

通过运用VR技术，进行科普互动体验教育，来满足民众对农业产品的认知能力。例如，在北京市农林科学院农业科技示范推广项目的支持下，郭新宇等利用自主知识产权的农林植物三维数字化、三维互动展示技术体系开发了基于VR 3D眼镜的“草莓的一天”互动体验系统。一是可以让民众在虚拟的草莓种植园中漫游、观看草莓的形态结构，了解光合作用、同化物运输、品质形成等知识；二是开发了基于磁感枪的“草莓保卫战”互动体验系统，让民众了解草莓植保知识；三是为阳光兴红农业种植园定制了“北京市大兴区阳光兴红农业种植园虚拟互动展示宣传系统”和“有机黄瓜虚拟科普宣传片”，让民众了解园区历史、特色和有机食品等相关知识[15]。

新农民职业教育培训

面向“互联网+”农业职业教育的时代潮流，针对中国农业从业人员认知特点，将农业知识、三维可视互动技术、数字娱乐形式和网络等新媒体传播渠道紧密结合，以视觉体验和三维交互作为知识转化方式和技术传播载体，辅助农业技术推广、农业职业教育部门设计开发农业职业教育三维可视互动在线培训系统，通过电视、平板电脑和手机等终端进行高效、快速、便捷传播，创新和丰富了农村科技推广、职业教育和农民培训的手段。虚拟现实系统让广大的文化素质相对较低的农民能较容易地理解和接受，并付诸农业生产实践，这样可促进越来越多的农民真正实现科学种田，加快我国农业现代化的步伐。

虚拟农场的创新者

虚拟农场最早主要是一种针对普通大众的创新型农场经营模式，是由“偷菜游戏”延伸而来。如今，虚拟农场是一种特殊的农产品认购形式，由农场主在网上向普通民众销售成长中的作物，而被购买的作物将会继续留在农场中管理，用户只要通过登录自己的账号，直接在互联网上查看自己购买的作物的实时影像，同时可以在网上联系农场工作人员进行浇水或采摘等操作。

作物收获后，通过物流及时运送至用户家中。这类虚拟农场大多以休闲农业为主题，用户可以随时来实地参观自己购买的作物和农场全貌，这种既利用网络监控来确保食品安全，又结合参观体验做到了寓教于乐的农场经营模式备受推崇。人们可以从任意角度甚至在作物的冠层内漫游，观察作物生长状况的动态过程，还可以通过改变环境条件和栽培措施，直观地观察作物生长过程及最终结果。利用虚拟仪器，如自动化秧苗分析系统、自动化施肥系统或自动化灌溉系统等，对农场实行全天时、全天候地自动化监测和管理，可大幅度提高农业生产的效率和效益，并带动农业生产的转型升级。

另外，虚拟农场的推广将助力农产品生产的标准化和全程可追溯化。同时，有利于农产品市场的秩序性和产品的安全性，从而保障食品的安全和质量。

虚拟都市农业的开创者

虚拟都市农业是以绿色农业为主旨，利用现代化信息手段，通过直产直销的农产品网上交易模式，减少流通成本，提供食品溯源，保证食品安全。与传统的电商型都市农业相比，搭载VR实景平台的虚拟都市农业能将产品规格信息图像化，用人手触碰代替鼠标键盘进行操作，使不擅长使用电脑的市民也能足不出户轻松购买，带来更好的消费体验，提升市民的生活品质[16]。

虚拟设施农业的引领者

虚拟设施农业主要是使用数字化的环境控制模块对温室进行远程智能管理，并利用VR技术的视觉系统，将采集的数据输出为图像识别效果，对原有的设施农业进行改进，改变了复杂且专业性强的操作流程，加强了信息实时采集和处理技术，最终建立高效集成的研究和工作环境，提高设施农业的利用率。

VR技术需要解决的问题

虚拟现实是一项复杂的综合集成技术，其产业覆盖面广、开发商多，所涉及到的硬件模块、系统平台和开发工具等，目前尚未有统一的行业标准，对不同接口间的兼容性问题还在逐步完善中。另外，民用的VR设备目前仍受硬件环境的限制，对大批量数据的处理仍存在计算速度不足、传输速率较慢和续航能力有限等影响，因此进行大规模投入应用仍需一段时间。

（1）VR虚拟现实呈现的数据模型多为三维数据，但还很难通过工具自动化采集数据，并转化为三维模型，尤其是结构比较复杂、生命周期变化较大的植物。

（2）国内外在植物结构功能模型方面研究较多，能够实现植物生长过程的动态模拟，但是模型对植物的结构进行了简化，很难实现真实感建模模拟，只能说是在逼近植物真实的生长过程，仍有误差。

（3）近几年，表型组学和基因组学是研究热点，二者之间相互关联的研究处于起步阶段。

（4）大多集中在对植物地上部分的模拟研究，而根系是植物与环境进行物质与能量交换的重要界面，要增强模拟水、肥等环境因子对植物生长影响的机制，必须加强对根系的研究。目前，我国对虚拟根系（植物地下部分）研究极少。因为虚拟根系数据采集困难，其研究还处于如何能够获得根系生长构型阶段。

（5）VR技术难以在农业科研试验领域推广，主要是科学试验难以定量化表达，且仪器使用成本较高，且目前缺乏适宜的系统。

（6）目前，对VR技术在农业上应用的研究主要集中在大田作物，尤以小麦、玉米居多，而对于蔬菜的虚拟技术研究较少。

小结

信息技术在农业领域中不仅具有高效收集处理数据的能力，还带来了更多创新型农业研究方法。虚拟农业作为一种全新的农业理念，利用先进的科学技术，为传统农业带来了勃勃生机。在农业现代化发展转型的当下，虚拟农业成为了体现一个国家农业现代化水平的标志之一[1]，而VR技术具有高交互性、沉浸式体验及真实自主性等特点，不仅能很好地融入到现有的虚拟农业应用中，还可以延伸出更多出色的研究方向。VR的前景很好，将从高端用户向消费级用户发展[16]。

虚拟现实技术的应用符合现代农业发展趋势的要求，在蔬菜育种、种植培训、品种推广、高端电商、科普等方面具有很重要的应用价值。在2016年柯城创客孵化园举办的VR体验会上，衢州目前拥有一台工程机VR体验设备，有望实现将菜种到VR上，让消费者能够身临其境地感受到生态蔬菜生产、销售的各个环节。但作为一项新的技术，VR正处于发展阶段，必须有科学的方法做指导，要与其他先进的科学技术融会贯通，才能更好地促进中国现代农业发展。

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