基于虚幻引擎的小麦定向栽培仿真模拟系统

汪 强 郑 光 席 磊 马新明，2

基于虚幻引擎的小麦定向栽培仿真模拟系统

汪 强1郑 光1席 磊1马新明1，2

（1.河南农业大学信息与管理科学学院，河南 郑州 450002；2.河南农业大学农学院，河南 郑州 450002）

针对小麦绿色高产定向栽培的种植技术，收集并整理相关数据资源，建立3D模型库。本文基于虚幻可视化引擎开发了小麦绿色高产定向栽培仿真模拟系统，为小麦绿色高产定向栽培提供了技术支撑。

虚幻引擎；定向栽培；小麦；仿真；模拟系统

1 研究背景

精准农业是在信息技术的支持下，定位、定时、定量地实施一整套现代化农事操作技术与管理规范。精准农业技术能实现按需分配农业生产要素和资源，减少资源浪费，降低农业生产成本，提高生产效率，达到社会、经济、资源、环境协调，最终实现农业的可持续发展。植物的仿真模拟是近年来随着信息技术进步而迅速发展起来的研究领域，在农学、林学、生态学及遥感等诸多领域有着广阔的应用前景［1，2］。计算机和信息技术在农业领域的广泛应用为农业的技术改造和提升注入了巨大活力，也为作物生产管理提供了新的方法和手段［3-5］。近年来，随着作物生理生态理论、试验手段和信息技术的发展，作物生产逐渐向与高科技结合的智能化、数字化生产方式转变［6］。农作物的三维生长过程数字化显示，虚拟作物对农业科研、生产、教学有着极大的应用价值。计算机能以真实感模拟作物三维生长的关键是作物的三维几何形态建模和计算机可视化技术。计算机图形学技术与农业知识的有机结合使对农作物形态结构和生理功能的研究进入数字化、可视化阶段，在计算机上以三维可视的方式来分析、研究和设计农作物的形态结构和生长过程已经成为新的研究方向，数字植物、作物数字化设计等逐渐得到研究者的重视。

近年来，对作物个体生长过程的可视化模拟研究，以及对作物生长的形态虚拟化研究逐渐减少，作物生长的仿真模拟研究也开始向作物生产者需要的栽培知识应用转变，而以栽培技术为知识模型的虚拟现实技术是该转变过程中的一个重要方向。虚拟现实，简称VR，是近年来出现的高新技术，也称灵境技术，主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感设备等，通过计算机模拟出实时动态的三维立体逼真图像，通过计算机来处理与参与者的动作相适应的数据，并对用户的输入作出实时响应。虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向，是仿真技术与计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、传感技术及网络技术等多种技术的集合。

表1 系统一级模块功能设计

基于虚幻可视化引擎进行场景渲染与知识可视化交互，对小麦各个时期的种植知识通过虚拟现实技术进行仿真模拟，构建小麦绿色高产定向栽培仿真模拟系统。以三维虚拟世界为载体，以农业仿真模型为科学计算依据，以任务驱动为特色的虚拟农业仿真模拟互动平台，趣味形象地表达了小麦栽培知识运用的过程。通过小麦八生育期场景漫游和交互操作，为小麦生产经营者提供生产知识的体验性过程，为小麦绿色高产定向栽培提供技术支撑。

2 系统架构设计

运用虚拟现实技术表现形式对小麦的生长周期进行形象化、具象化的教学描述，通过互动视频解说、局部精细展示、声音等表现形式对小麦各生长周期的栽培知识进行仿真模拟表达。针对小麦绿色高产高效种植设计，收集并整理小麦生产定向栽培数据资源，集成小麦高产高效知识模型和生长发育模型，序列化小麦关键生产环节场景，向用户推荐小麦定向栽培方案。基于知识网络与生产场景映射进行生产过程的人机交互设计，使知识融入人机交互的过程中，使用户在使用的过程中掌握小麦定向栽培技术方案。系统总体架构如图1所示。

图1 小麦绿色高产定向栽培仿真模拟系统架构图

2.1 构建小麦各生育时期知识模型库

根据小麦定向栽培可视化系统需求，构建小麦备播期、播种期、冬前分蘖期、越冬期、返青拔节期、拔节抽穗期、开花成熟期和成熟期八个时期的知识模型。以河南省长葛市为例，构建出小麦八个不同生育时期的知识模型库，包括小麦的栽培措施，水、肥管理，病虫害防治、防倒伏等。

2.2 构建小麦三维模型库

构建小麦高产定向栽培3D模型库，包括小麦植株模型、农机模型、肥料模型、病虫害模型、药剂模型和地块模型等不同时期所需的三维模型。使用3D Max建模软件进行建模，导入虚幻4可视化引擎中。

2.3 构建小麦绿色高产定向栽培仿真模拟场景

根据系统仿真模拟要求，搭建小麦栽培作业的大田场景、播种场景、喷洒场景和收割场景等八个时期所需的生产环节三维场景，为小麦栽培技术展示提供仿真模拟基础。

2.4 构建小麦绿色高产定向栽培知识动画视频库

根据小麦各生育期种植环节的技术要求，对小麦种植主要生育期知识点进行动画视频制作，通过视频解说、Flash动画、图片、声音、文字描述等形式，对实际种植场景进行逼真模拟和再现，使粮食生产经营者如同身临其境，直观快速地学习了解小麦的栽培过程。

2.5 构建小麦绿色高产定向栽培仿真模拟系统

基于虚幻4可视化引擎进行场景渲染与知识可视化交互，开发小麦绿色高产定向栽培仿真系统。为粮食生产经营者提供小麦生产知识体验过程，使小麦栽培技术通过人机交互实现“看动画，学知识，玩游戏，长技能”的效果，为小麦绿色高产定向栽培提供技术支撑。

3 系统功能模块设计

根据小麦绿色高产定向栽培技术的要求，按照小麦栽培的八个时期，对系统功能模块进行详细设计。系统功能模块分为两个层次，一级功能对小麦的生育时期进行模块划分，共划分为八个时期：备播期、播种期、冬前分蘖期、越冬期、返青拔节期、拔节抽穗期、开花成熟期和成熟期八个时期。针对每个时期的栽培管理知识，通过人机互动的交互式方法进行仿真模拟演示，其模块功能设计如表1所示。

二级功能对小麦各生育时期内的栽培技术进行人机交互仿真模拟，包括栽培措施，水、肥管理，病虫害防治、防倒伏等。通过对每个周期知识点的互动视频解说、局部精细展示、声音等形式，展示小麦栽培技术的知识体系，从而为粮食生产经营者提供知识体验过程。根据小麦各生育时期的栽培管理措施，按照系统仿真模拟的展示过程，设计出小麦绿色高产定向栽培仿真模拟系统功能流程，如图2所示。

图2 小麦绿色高产定向栽培仿真模拟系统功能流程图

4 系统技术实现

系统场景可分为静态和动态两大部分，静态部分主要包括地形、地貌、植被、建筑及相应的光照纹理渲染等优化手段；动态部分主要是实现虚拟互动技术，如动态信息展示、虚拟漫游、视听效果、虚拟农作体验和病虫害防治等。通过素材制作、模型构建、搭建场景，在虚幻4可视化引擎中，建立小麦栽培仿真模拟互动平台。

4.1 建立三维模型库

三维模型库的精细建模是小麦绿色高产定向栽培人机交互的基础，集成应用参数化建模、基于点云的三维重建、曲面重构等几何造型技术，建立三维场景模型库，包括小麦植株模型、农机模型、肥料模型、病虫害模型、药剂模型及地块模型等。为了快速、精确地对小麦不同品种各生育时期的三维模型进行建模，采用三维数字化仪在田间对小麦的茎节和叶片进行关键点三维坐标获取；叶片数据的获取规则是获取叶边缘与叶脉上的三维数据关键点。小麦生长建模，参照肖伯祥等的方法，对叶片进行参数化建模，并进行网格简化；参照乔桂新等的方法对植物茎秆进行建模。部分模型如图3、图4所示。

图3 收割机模型

图4 肥料配比操作台模型

4.2 制作小麦种植视频动画

根据小麦各生育期种植环节的技术要求，对小麦种植主要生育期的栽培知识进行视频动画制作，通过对实际种植场景的逼真模拟和再现，使粮食生产经营者如同身临其境。采用Flash动画制作软件进行视频动画制作，通过对实际种植场景的动画模拟，对小麦栽培技术及小麦的生长过程进行快速展示。

4.3 场景搭建与系统实现

将制作好的三维模型、动画、声音等素材导入虚幻4可视化引擎中，基于虚幻4可视化引擎实现小麦备播期、播种期、冬前分蘖期、越冬期、返青拔节期、拔节抽穗期、开花成熟期和成熟期八个时期的生产三维场景搭建，并实现场景的渲染，以及小麦栽培技术的可视化展示与人机交互。系统三维模拟逼真，UI设计新颖，易于用户操作和学习。系统场景及部分操作界面如图5至图8所示。

图5 小麦仿真模拟时期选择大厅

图6 大田作业模拟场景

图7 田间喷灌模拟场景

图8 小麦收割模拟展示场景

5 结语

运用虚拟现实技术表现形式对小麦的生长周期进行形象化、具象化的教学描述，通过各种互动表现形式有序地呈现小麦八个生长周期的栽培技术，同时对每个周期的知识点采用互动视频解说、局部精细展示、声音等表现形式，从而为粮食生产经营者提供生产知识体验过程，实现“看动画，学知识，玩游戏，长技能”的效果，为小麦绿色高产定向栽培提供技术支撑。

针对小麦绿色高产定向栽培仿真模拟系统的要求，重点研究了基于数字交互技术，以三维虚拟世界为载体，以农业仿真模型为科学计算依据，以任务驱动为特色的虚拟农业仿真模拟系统。通过模型构建、搭建场景、素材制作，基于虚幻4可视化引擎实现了小麦各生育期三维生产场景渲染与栽培知识可视化交互过程，构建了小麦绿色高产定向栽培仿真模拟系统。通过小麦不同生育期场景漫游和交互操作，趣味形象地展现了小麦栽培知识运用过程，为小麦生产经营者提供小麦生产知识的体验性过程，达到学习知识，增长技能的效果，为小麦绿色高产定向栽培提供技术支撑。

［1］陈国庆，朱艳，曹卫星.小麦叶鞘和节间生长过程的模拟研究［J］.麦类作物学报，2005（1）：71-74.

［2］陈国庆，朱艳，曹卫星.冬小麦叶片生长特征的动态模拟［J］.作物学报，2005（11）：1524-1527.

［3］张怀志，曹卫星.基于知识模型的棉花管理决策支持系统的研究［D］.南京：南京农业大学，2003.

［4］廖桂平.作物智能化栽培管理系统的现状和发展［J］.中国农学通通报，2000（5）：34-37.

［5］刘海波，董银山.黑龙江省玉米生产管理信息咨询系统［J］.东北农业大学学报，1997（3）：243-249.

［6］郭银巧，郭新宇，赵春江，等.小麦栽培管理知识模型系统的设计与实现［J］.小麦科学，2005（2）：112-115.

Simulation Simulation System of Wheat Oriented Cultivation Based on Unreal Engine

Wang Qiang1Zheng Guang1Xi Lei1Ma Xinming1,2
（1.College of Information and Management Science,Henan Agricultural University，Zhengzhou Henan 450002；2.College of Agronomy,Henan Agricultural University，Zhengzhou Henan 450002）

Aiming at the planting technology of wheat green high-yield directional cultivation,collecting and collating related data resources and establishing 3D model library.Based on unreal visualization en⁃gine,a simulation system for directional breeding of wheat with high green yield was developed,which pro⁃vided technical support for Directional Cultivation of green and high yield of wheat.

unreal engine；oriented cultivation；wheat；simulation；simulation system

TP391.9；S513

A

1003-5168（2017）10-0047-04

2017-09-01

河南省重大科技专项（131100110400）；河南省现代农业产业技术体系项目（S2010-01-G04）。

汪强（1979-），男，讲师，研究方向：计算机仿真及物联网技术。

郑光（1980-），男，讲师，研究方向：农业信息化技术及物联网技术。