我国虚拟农业研究应用简析

张文达，杜建伟

(青岛农业大学 动漫与传媒学院，山东 青岛 266000)

自1996年国家“863”计划“智能化农业信息技术应用示范工程”提出开展虚拟农业研究以来，我国虚拟农业在农业科研、教学、生产、规划、资源配置、商品流通、农机具设计与制造等方面的研究应用已取得较大的发展[1]。如：按计算机虚拟设计培育的真实作物、畜禽鱼等，较虚拟设计产品的品质更佳、产量更高、抗虫害能力更强[2]。虽然我国虚拟农业在虚拟动植物、虚拟农业生产、虚拟农业教学等研究应用方面取得了较大的进步，但相较于美国、法国等发达国家，我国虚拟农业的研究应用总体还相对落后，仍处于探索阶段[3]。因此，了解我国虚拟农业研究应用现状，分析发展所面临的问题，提出推动发展的对策，对助力数字农业与乡村信息化建设、加快农业农村现代化实现有一定意义。

1 虚拟现实技术与虚拟农业

1.1 虚拟现实技术

虚拟现实技术，即VR技术，也被称为灵境技术，是一种利用计算机创建虚拟世界的仿真体系[4]。虚拟现实技术的思想源于20世纪50年代、形成于20世纪80年代初期、发展于20世纪90年代，是依托计算机科学、数学、力学、声学、光学、机械学、生物学、美学等多学科，在计算机图形学、图像处理与模式识别、语音处理与音响技术、人工智能技术、网络技术、并行处理技术和高性能计算机系统等信息技术的基础上发展起来[5]，是融合多源信息，生成模拟环境，使用户能够体验交互式的三维动态视景和实体行为。虚拟现实技术具有较强的多感知性、存在感、交互性以及自主性[6]。除了具备基础的视觉感知外，还具有听觉、触觉、运动等感知，甚至还包括味觉、嗅觉的感知等，能够给予用户身临其境、虚拟且真实的体验。目前，其应用领域已涉及科学研究、教育培训、工程设计、影视娱乐、社会管理等众多领域，被公认为是21世纪能促使社会发生巨大变化的几大技术之一[7]。

1.2 虚拟农业

虚拟农业，即VA，由虚拟现实延伸而来，是虚拟现实技术农业领域应用的一个分支，其实质是对农业信息关联和流动过程进行计算机模拟和多维空间仿真,从而把一个真实的农业领域的空间实体,形象地搬到计算机系统中去,以便人们能进入一个多维信息空间,实现对农业开发研究、生产管理等的完全计算机化[8]。虚拟农业的过程是一个相当复杂的过程，是信息化农业发展的前沿技术，具有令人振奋的应用前景。用虚拟现实技术、可视化技术等技术模拟动植物[9]，能在几秒钟内完成模拟动植物的生长过程，不仅最大程度上缩短了生长年限，还能系统地描述农作物生长发育以及产量形成等生理生态过程与环境因素之间相互作用的数量关系，其创新了传统的教学方式和科研方式，使农业科普教学更加形象、直观化。虚拟农业可为提高农业生产效率和提高农业科技持续创新能力提供技术支撑，是助力我国实现农业现代化、农业农村信息化的重要技术手段之一。

2 我国虚拟农业研究态势

通过对中国知网2008—2020年收录的“虚拟农业”篇文摘检索分析显示：

2.1 虚拟农业研究呈缓慢发展趋势

从2008—2020年中国知网收录的虚拟农业文献数量变化看(图1)，期间我国虚拟农业研究总体呈波动缓慢上升趋势。其中，2008—2010年、2013—2015年、2016—2018年呈阶段性大幅增长，随后呈现小幅减少。这一方面说明我国虚拟农业研究在2008—2010年、2013—2015年、2016—2018年的人、财等投入增长幅度较大，而2010—2013年、2015—2016年、2018—2020年的人、财等投入增长幅度较小，致论文产出有所减少。

图1 2008-2020年中国知网收录的“虚拟农业”文献数量

2.2 虚拟农业研究主要集中在高校

从2008—2020年中国知网收录的虚拟农业文献来源机构看(表1)，期间我国虚拟农业研究总体集中在高等院校。其中，中国农业大学发文数量在众多研究机构中占据的比重最大，其次是华南农业大学、南京农业大学、山东农业大学。说明，高等院校拥有雄厚的科研力量和更高的科研水平，对虚拟农业研究更加专注，是我国虚拟农业研究的引领者和推动者。

表1 2008-2020年中国知网收录的“虚拟农业”文献发表机构分布

3 虚拟农业主要应用领域

目前，我国虚拟农业主要集中应用于虚拟动植物、虚拟农业生产、虚拟农业教学推广3个方面。

3.1 虚拟动植物

虚拟动植物是通过设备采集动植物生长发育，以及环境因素等相关数据，进一步整合量化，分析研究其自身生长规律和与环境之间的相互作用规律，采用虚拟现实技术对动植物个体或群体进行建模，打造一个三维数据库，使动植物的生长发育过程能够在三维虚拟空间内呈现的过程。其能将动植物的整个生长周期形态变化和空间规律在几秒钟内进行完整的模拟重现，大大缩短了动植物的“生长周期”，能够帮助用户在短时间内观察分析动植物生长规律，三维空间模拟场景帮助用户更加直观的研究分析，进行育种试验，探索动植物生长的规律和奥秘[10,11]。目前，中国农业科学院科技文献信息中心多媒体设计研究室已开展虚拟苹果的研究，中国农业大学已开展虚拟小麦、玉米、棉花的研究。在作物生长模拟生产管理模型方面，我国已研制出水稻栽培计算机模拟优化决策系统、棉花生产管理模拟与决策系统、土壤-植物-大气中的水气传输模型、谷物储藏干燥模拟模型。

3.2 虚拟农业生产

虚拟农业生产是通过对虚拟作物的数据收集，借助虚拟现实技术等计算机模拟技术模拟农业生产的各生产要素以及生产管理。其可以忽视农业生产与研发过程中的长周期条件，而仅需通过生产内容客观生理条件与外在环境因素的数据输入，完成整个农业生产系统的管理与模拟[12]。杨国才[13]将其描述为计算机技术支撑下完成农业生产与加工模拟的视觉再现系统。中国农业大学机械工程学院利用面向对象的虚拟仪器开发工具开发了苹果自动分选系统—该系统可进行实时图像采集与分析，根据检测结果控制不同等级电磁阀门的开闭，实现苹果等级分选。虚拟农业技术在农业生产领域的应用实现了农业生产自动化，无需自然生物的参与，节省了大量的人力物力[14]，通过生产过程的模拟，用户可参与体验整个生产过程的实践，可以帮助发现生产和管理中存在的问题，进而及时分析处理，有助于农业生产、管理的合理优化，提高农业生产效率，进一步促进农业现代化。

3.3 虚拟农业教学推广

虚拟农业在教学、推广上创新了传统通过视频、文字记录、平面展示等单一方式，提供了一种新形式展示教学与技术推广，有效解决了在教学中存在的教学实验设备稀缺的问题。目前，有多个有关虚拟现实技术与果树修剪相结合的研究，旨在帮助果农迅速学习掌握果树修剪的相关技术操作及注意事项[15]。在农业类高校地教学实验中，借助虚拟现实的技术特征，突破时间、地点等因素的限制[16-17]，通过运用虚拟动植物生长技术构建虚拟农场，能够满足学生在三维立体空间内进行实时互动，多个角度观测动植物生长状态、生长过程，系统性的进行虚拟动植物以及虚拟农业生产管理等操作学习，给予学生极强的交互体验与沉浸感，可进一步提升学生的科研创造力。虚拟农业推广增强了农业知识以及生产技术示教、推广的趣味性与智能化，能够使学者提升学习的主动性和积极性，有效掌握动植物生长与环境之间的内在联系，帮助学者更加容易的接受和掌握先进农业技术，促进农业知识与技术传播、继承与推广。

4 我国虚拟农业研究的挑战及对策

4.1 关键技术难度较大，需强化科研力量

我国虚拟农业的关键技术实验应用处于初步阶段，研究发展及研究利用水平与发达国家相比相对落后。目前对虚拟农业相关技术研究进行力量投入的主要为中国科学院，中国农业大学等顶尖科研院校，而企业等的研究机构力量投入相对较少。需强化科研力量的投入，继续壮大我国虚拟农业关键技术、软件硬件科研水平，促进技术理论突破，发挥研究院及高校对于虚拟农业相关研究的引领支撑作用，增强相关技术的沟通交流与合作共享。

4.2 涉及的技术内容多，需强化多学科人才培养

虚拟农业涉及的技术内容多，需要研究人员兼具虚拟现实技术等信息技术与农业相关技术知识，而目前既掌握虚拟现实技术又掌握农业技术的复合型研究人才缺乏，需要建立虚拟现实技术与农业技术研究人员结合进行研究的有效机制。同时，需优化人才培养手段，加强跨学科复合型人才培养，以提升虚拟农业技术研究应用水平。

4.3 成果转化应用较低，需提高成果的适用性

我国虚拟农业研究成果目前大部分仍停留在试验室阶段，真正用于解决生产实际问题的成果还很少。需提高成果的适用性，加强研究成果的应用转化，使其在提高生产管理、科研效率中真正发挥作用。

4.4 缺乏系统性政策支持，需建立完善的资金支持制度

我国虚拟农业仍处于初步探索阶段，研究机构相对分散，水平各不相同，由于缺乏系统化的政策支持和整体规划布局，连续有效的研究体系未能真正形成。另外，虚拟农业研究所需技术及设备需要巨大的资金投入，在短期内效益较低。因此，需建立完善的政策支持和资金投入保障制度，加大对虚拟农业研究的资金投入，提高研究的系统性和适用性。

5 小结

虚拟农业是农业科技创新的一大战略任务，是虚拟现实技术与农业领域相融合的产物，其将农业动植物生长周期精炼呈现，提升了农业生产管理研究效率，解决了教学实验设备短缺的问题。我国要抓住时代发展的机遇，积极应对挑战，结合我国国情，将虚拟农业应用到农业领域的各个环节，实现新旧动能转换，推动农业的可持续发展，促进农业现代化建设。