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虚拟现实技术对虚拟农业的影响

农业是一个国家国民经济的基础，农业现代化程度是国家现代化水平高低的重要标志之一。21世纪人类跨入了信息时代，信息农业将成为合理开发利用农业资源、提高农作物产量、降低成本、减少环境污染、提高农产品国际竞争力的前沿研究领域。在世界人口急剧增加、生态环境日益恶化、自然灾害日趋频繁、耕地面积严重减少的今天，如何去满足人们的基本生存需要直至现代化，已成为人们关注的焦点。农业现代化是以科学技术现代化为基础的，这就决定了农业信息技术尤其是多媒体技术和虚拟现实技术在农业领域及实现农业现代化中将扮演着重要角色。我国自50年代计算机应用于农业科研开始，到80年代已基本形成了一定规模的农业信息网络，对农业管理决策和宏观调控及农业部门工作，起到了积极作用。随着计算机技术的飞速发展和虚拟现实技术的广泛兴起，虚拟现实技术的农业应用及虚拟农业研究，对我们这个拥有13亿人口的农业大国来说，是一项具有巨大深远意义的战略措施，它将对我国农业生产、科研、教学起到极大的推动作用。
一、 虚拟现实技术的兴起
20世纪60年代中期，开始有虚拟现实（Virtual Reality,简称VR）的研究思想，而虚拟现实技术的兴起是在80年代，并具有十分广泛的应用领域。虚拟现实技术是计算机软硬件技术、传感器技术、机器人技术、人工智能、人机工程学及心理学高度集成的综合技术，是未来最重要的技术之一。利用虚拟现实技术，人们可以逼真地模拟现实世界中那些具有高风险、高代价和具有不可逆性的现象或事物。在虚拟环境中，人机交互所使用的工具不再是传统的键盘和鼠标，取而代之的有立体头盔显示器、数据手套、数据衣、三维鼠标等。虚拟现实通过给使用者同时提供视觉、听觉、触觉等各种直观、自然和实时的感知交互手段，实现了基于人类自然技能的人机交互，使人在虚拟环境中有如身临其境。展望未来，虚拟现实技术将像因特网一样，改变并影响着人类的生产、生活方式。美国从20实际80年代起，陆续将虚拟现实应用于虚拟战场环境、单兵模拟训练和军兵种联合演习等军事领域。90年代，又在“哈勃太空望远镜的修复和维护”计划、波音777的设计中成功地应用了虚拟现实技术。德国从1991年起，开始将虚拟现实应用于建筑设计中，2000年汉诺威世界博览会德国馆的设计就应用了虚拟现实技术。最近英国科学家利用虚拟现实技术帮助治疗妄想症。我国在虚拟现实的研究和应用上虽然起步略晚，但在近年来也取得了显著的成绩。如北京航空航天大学牵头研制的“分布式虚拟战场环境”、“虚拟珠峰飞行漫游系统”，浙江大学和日本有关方面合作的“虚拟故宫”等。
目前，虚拟现实技术虽在各个领域的应用已先后取得一定成功，但在农业领域尚属于“明天的技术”，仅仅处于探索阶段。值得庆幸的是，“虚拟农业”的出现，“虚拟植物”、“虚拟农场”、“虚拟果树修剪操作系统”、“农业知识创新虚拟环境体系”及“虚
拟农业实验教学”等的初步设想和实践探索，让我们看到，虚拟现实技术定会在农业领域里得到广泛的应用，将为农业科学研究和农业生产发展带来革新的思路和全新的途径。
二、 虚拟农业的概念、技术体系及结构组成
虚拟农业（Virtual agriculture）是从20世纪80年代中期问世的“虚拟现实”延伸而来。关于虚拟农业的概念，目前国内外有多种提法，主要有：
2.1美国伊利诺斯大学的Holt和Sonka认为：虚拟农业就是在高效的、功能强大且廉价的通讯网络支持下，将农业生产、加工、销售及农业技术研究等各个部门的合作者连接在一起的网络计算机平台，从而实现农业各个环节都在各类专家支持下的增值协作。这个定义将虚拟农业看成是为农业生产、加工、销售及农业技术研究等部门提供的一个平台，强调在这个平台支撑下增值与协作。
2.2陈沈斌和孙九林认为：虚拟农业是以农业领域研究对象（农作物、畜
、禽、鱼、农产品市场、资源高效利用等）为核心，采用先进信息技术手段，实现以计算机为平台的研究对象与环境因子交互作用，以品种改良、环境改造、环境适应、增产等为目的的技术系统，其成果应接受实践的检验。这个定义将虚拟农业看成是农业研究方法的革新和先进的技术手段，它将提高农业领域研究的效率，促进农业的发展。
2.3靳润昭和王兆毅指出：虚拟农业是将虚拟现实技术应用于农业科研、教学、生产、管理、规划、农业资源配置、商品流通等农业的各个领域中，从而形成了虚拟现实的一个重要分支，即“虚拟农业”。从广义来说，虚拟农业主要包括：虚拟植物，用以培育水稻、玉米、小麦、大豆、棉花等主要农作物的新品种，虚拟动物，用以培育猪、牛、羊、鸡、鱼等主要畜产品和水产品的新品种。利用虚拟现实技术，提高农业生产设备、设施的利用效率，提高农业资源综合利用效率，对农产品市场和农业生产管理进行模拟，以及科学可视化技术在农业技术教育、培训、科研中的应用等。这个定义强调的是虚拟现实技术在农业各个领域的应用。
2.4杨国才认为：虚拟农业是应用虚拟现实技术和可视化技术，在计算机和Internet的支持下，对农业生产、科研、教学（包括农业技术推广等）、加工、销售等各个环节在计算机上的模拟和再现，以实现农业生产的高效益和可持续发展为目的的技术系统。 认为虚拟农业既是一个系统平台，也是一种研究方法和手段，并应建立起完整的技术理论体系。指出，虚拟农业的技术支撑体系包括计算机应用技术、网络及其基础设施、虚拟现实与可视化技术、农业数据库系统等。
计算机应用技术主要是应用于农业各个领域的计算机技术，包括种植业、畜牧业、水产业、林业的各种过程（生物的、环境的、经济的）全面实现数字化。农作物--环境之间的关系是可计算的，这是虚拟农业的基础。涉及到计算机信息处理、计算机自动控制系统和人工智能技术等应用技术。网络及其基础设施就是高速Internet和相应的支撑环境，以保证虚拟农业环境下各种信息高速准确的传输。可视化技术主要运用计算机图形图像处理技术，将复杂的科学现象和自然景观等图形化，便于理解现象、发现规律和传播知识。虚拟现实技术是一种由计算机生成的高级人机交互系统，构成一个可感知的计算机环境，实现观测、触摸、操作、检测等模拟试验，达到身临其境之感。虚拟农业正是用可视化和虚拟现实技术对农业进行模拟、仿真，实现数字农业的可视化。农业数据库系统包括农业资源数据库、农业生产经营管理信息数据库、农作物生长模型库、农作物生长构形规则库、农作物器官的构件库等。这些数据库为实现虚拟农业的数据基础并利用虚拟植物生长的双尺度自动机模型、L-系统模型等来定量化的研究作物的根、茎、叶和虚拟的环境（光、温、水）以及人类行为（施肥、灌溉等）的相互作用，从而建立专家系统模型，实现对虚拟作物的生长调控。
孙九林院士提出了以作物为例的虚拟农业的一般结构，认为虚拟农业根据研究对象的不同，可以有不同的系统结构。其它系统随虚拟对象及其环境和它们之间相互作用关系而变化。并指出，人是作为外部因子参与并实现虚拟农业的过程，表现为人对作物的期望（果实的品质、产量等）和人对环境的预测、改良和改造。对畜、禽、鱼也有类似的情况。归结起来虚拟农业应由以下几部分组成：（1）农业现实信息采集（科学数据库提供相应的农业环境等方面的数据）；（2）3D作物模型（虚拟对象模型）和3D环境模型；（3）作物（虚拟对象）传感器（根、茎、叶）；（4）虚拟对象与虚拟环境间相互作用—专家系统、模型等；（5）人作为外部因子对虚拟对象的期望、环境的改变、自然变化的预测等来参与虚拟农业。杨国才在总结前人有关虚拟农业研究的基础上，提出了基于网络平台的虚拟农业的体系结构，包括虚拟农业系统构造平台和各类农作物生产、经营管理、病虫害防治及畜、禽、鱼饲养等专家系统，通过虚拟农业这个平台为农业生产者提供咨询服务。围绕这样一个体系结构，虚拟农业研究重点放在农业生产各个环节的数字化方面，为虚拟农业提供相应的数据保证，实现虚拟农业的目标。
三、 虚拟农业的国内外研究概况
对虚拟农业的研究始于虚拟植物，虚拟植物是应用计算机模拟三维空间中植物的生长发育状况，其主要特征是以植物个体为研究中心，以植物形态结构为研究重点，所建立的模型是三维的、可视化的。模型的建立主要有三种方法：第一是直接使用编程的方法，第二是使用现有软件如3D MAX，实地考察测量，获取资料，设计参数形成模型，第三是通过传感器、摄像机等采集数据，然后输人电脑进行整理。其中作物形态结构的模拟研究发展比较快，有代表性的是1968年丹麦植物学家Lindenmayer提出的L—系统。美国的Clausnitzer和Hopmans利用有限元的方法进行了三维根的生长和瞬时土壤水流的模拟建模，并编程实现了其模型。法国农业开发国际研究中心（CIRAD）研制了AMAP（Advanced Modeling of Architecture of Plant）模型。但这些模型缺乏生物学特性，忽视了环境方面的问题，不适合在农业中应用。因此，农业科研人员已把重点放在生理生态和形态结构相结合的模型研究上，并把作物同周围环境结合起来进行模拟，这才是真正意义上的虚拟农业。在我国，1996年11月国家863计划提出了虚拟农业的概念，并将虚拟农业列为863先期启动计划。国家“十五”计划关于“农业信息化重点发展领域”一章中第4条就建议利用现代信息技术建立“国家虚拟农业重点实验室”开展虚拟农业研究。
世界上仅有少数几个研究机构的研究小组在开展虚拟农业方面的研究，我国在这方面的研究方法思路都还是探索性的，目前研究还面临许多难题。如虚拟农业研究涉及的学科很多，需要投人大量的人力、财力，包括高水平的计算机三维开发人才、程序设计人才、农业专家，还要求性能很高的计算机软硬件设备。目前，完全具备这些条件从事虚拟研究的几乎没有。还有像三维制图软件功能还不完善，不足以表达完整的模型，计算机运算能力不够，各地研究的方法、手段不一。所有这些问题都需继续研究解决，但毫无疑问，虚拟农业的发展将给农业科研带来勃勃生机。我国将尽快建立虚拟农业信息专题跟踪，条件初步具备时筹建虚拟农业重点实验室，农业科研及农业现代化推向世界领先水平。
四、虚拟农业在现代农业中的应用及前景
20世纪80年代以来，计算机和信息技术在农业中的应用已大大促进了农业的发展。虚拟农业是对传统农业的革新，是以农业领域为对象、先进技术为手段、计算机为平台的一种全新农业研究方法，它可以充分发挥农业科技人员的智慧和想象力，使农业科学家可以在虚拟环境下开展农业研究，从而大大降低实验成本，缩短实验周期，提高农业领域研究的效率。用它可以模拟作物和环境因子，还可以进行科学实验和教学，且在植物生长状况遥感监测、园林设计、生产经营管理等众多领域也有重要应用，对提高农产品产量、改善品质及增加农业生产效率，并最终极大地促进农业现代化等方面有广阔的应用前景。
虚拟农业是一种技术手段，将会像虚拟现实一样得到很大的发展。在初期阶段，不需要虚拟农业都保持很高的真实性，实际上完美真实性对于目前的认知水平也不现实。但对虚拟农业对象研究的目的进行认知分析，并作为虚拟的基础，采用由粗到细、由浅人深的方式逐步完善，将改变传统的科研、教学和生产方式，在现代农业中，这是一项富有挑战性的研究课题。主要因为：
4.1虚拟农业过程是一个很有实践意义的过程。传统的农学、畜牧兽医学做一个实验，往往要观察测试动植物的一个生育期。对作物，需1年，对动物，则要多年。而虚拟农业用计算机可视化地模拟动植物在各种水肥、营养胁迫条件下的发展过程，用户操作计算机，不但可以了解动植物生长全过程中各种鲜、干物质积累的性状，还可以从不同视角了解动植物的逼真形态。在计算机支持下，几秒内就能模拟动植物的整个生长周期，不必用很长时间实地种或养动植物，一次模拟实验只需几分钟，即可得到实验结果，大大加快了实验的速度，减少了实验的投人，而且还可以完成在自然条件下难以实现的实验研究。在进行观察分析时，可以获得动植物生长过程中各参数的动态数据，一改传统农业中难于定量化研究的局面，为精确农业提供依据。
4.2虚拟农业研究是一项很有价值的技术手段，可以缩短农业领域重大项目研究的时间，节约经费。可以促进农业领域的基本理论研究，更强调实践检验，反过来推动虚拟农业技术的发展，进而推动农业科研进展。结合现代生物技术，为模型设计、基因型改良等提供指导。比如，为大幅度提高作物产量，需培育超级作物品种，为获得超级品种需优化作物株型，使人们进一步加深对作物生理的研究和对作物生命的理解。依据育种新理论，获得超级品种除杂交优势外还需要改进作物株型，可以建立超高产作物品种株型设计的虚拟育种系统，通过计算机设计出不同株型，虚拟其生长，精确地定量化地模拟其光截获能力与光合产量形成能力，优选出理想株型，这样就能为育种指明方向，从而减少盲目性。通过虚拟分析害虫在作物群体三维空间中的藏匿和觅食规律，确定最佳的喷药时间和方式，降低成本、减少环境污染。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。利用虚拟农业技术，可以非常直观地对农田、森林等复杂的生态系统进行研究，发现传统研究方法和技术手段难以观察到的规律。还可以寻找一种既能对付虫害又不污染环境的方法，例如通过改变农作物形状或叶子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。此外，还可以利用虚拟作物来寻找最佳栽培方式。
4.3虚拟农业是建立在可视化技术和虚拟现实技术基础上的一种仿真农业，在以虚拟作物为研究基础的农作物生产系统中，虚拟作物主要是采用高效的数据采集系统来监测农业环境因素变化与相应的作物生长发育动态，研究作物形态与环境关系的量化作用规律。虚拟作物系统对于探索作物理想模型、优化生长调控措施、构建植物形态及园林设计和虚拟实验教学等很有应用价值。利用虚拟作物生长技术，在虚拟农田环境系统中进行虚拟实验，可部分替代在现实世界中难以进行或虽能进行但费时、费力、昂贵的试验。在教学、科普教育和农业科技推广领域，可建立虚拟农场，与其他智能化农业软件系统（如专家系统）联结，使学生或农民在计算机上种植虚拟作物和进行虚拟农田管理，有利于教学和农业科技的推广。学习者可以从任意角度甚至在作物冠层内漫游，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。这种效果是传统方式无法达到的，对文化基础较低的农民特别有利，使他们更易于掌握先进的农田管理技术。由此可见，虚拟农业技术是一项很有效的技术，具有很好的推广应用前景。
总之，随着计算机技术的进一步发展及网络通信水平的不断提高，信息技术在农业领域的作用将会更加突出，多媒体远程咨询系统、多媒体远程诊断系统将会更加完善，农民可以足不出户就能获得各种各样的信息，农业科技工作者也可以在任何地方为农民提供服务，计算机技术将在农业发展中发挥越来越重要的作用。特别是随着虚拟农业研究的不断深人，将会涌现出一批利用虚拟农业技术设计的虚拟作物、畜禽鱼等产品，利用各种传感设备，农业科研人员或农户可以在计算机模拟的农业环境中进行虚拟实践。信息技术的应用是农业现代化的客观要求和发展趋势，尤其虚拟农业是计算机技术农业应用的更高境界，农业信息产品将会成为今后服务“三农”的新产品。加快计算机技术的农业应用开展虚拟农业研究，构建农业知识创新体系，推进农业现代化进程，已是国际上正在兴起的农业技术前沿。
参考文献
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