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VR在农业上的应用

文章来源:百家号 作者:【*】 点击:次 时间:2018/11/26 10:58:41

VR在农业上的应用

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。

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:

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。

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。

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。


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