文/朱煥煥 本刊編輯

隨著信息時(shí)代的到來(lái)，科技高速發(fā)展，作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)的農(nóng)業(yè)也步入突飛猛進(jìn)發(fā)展的浪潮中，正經(jīng)歷著變革性的發(fā)展，“現(xiàn)代科學(xué)＋農(nóng)業(yè)”的管理模式已成為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要手段，“VR技術(shù)＋農(nóng)業(yè)”也將成為21世紀(jì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的“寵兒”。對(duì)于大多數(shù)用戶而言，VR技術(shù)既熟悉又陌生。早在1963年以前，VR技術(shù)就已經(jīng)進(jìn)入有聲形動(dòng)態(tài)的模擬初級(jí)階段，經(jīng)過(guò)幾十年的演變發(fā)展和不斷完善，VR技術(shù)已經(jīng)在醫(yī)學(xué)、航天、軍事、城市規(guī)劃、室內(nèi)設(shè)計(jì)、橋梁道路設(shè)計(jì)、房地產(chǎn)銷(xiāo)售、旅游教學(xué)、娛樂(lè)等眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域上應(yīng)用研究還較少[2]。下面我們將了解一下，究竟VR技術(shù)在農(nóng)業(yè)中能夠充當(dāng)怎樣的角色。

VR技術(shù)概述

VR（Virtual Reality，即虛擬現(xiàn)實(shí)，簡(jiǎn)稱(chēng)VR），是由美國(guó)VPL公司創(chuàng)建人拉尼爾（Jaron Lanier）在20世紀(jì)80年代初提出的。具體內(nèi)涵是：綜合利用計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)和各種現(xiàn)實(shí)及控制等接口設(shè)備，在計(jì)算機(jī)上生成的、可交互的三維環(huán)境中提供沉浸感覺(jué)的技術(shù)。其中，計(jì)算機(jī)生成的、可交互的三維環(huán)境稱(chēng)為虛擬環(huán)境（即Virtual Environment，簡(jiǎn)稱(chēng)VE）。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的載體是虛擬現(xiàn)實(shí)仿真平臺(tái)（即Virtual Reality Platform，簡(jiǎn)稱(chēng)VRP）[3]。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，VR技術(shù)是人機(jī)交互系統(tǒng)構(gòu)成的一個(gè)可感知的虛擬環(huán)境，以計(jì)算機(jī)為核心，利用現(xiàn)代高科技生成逼真的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)一體化的特定虛擬環(huán)境，賦予“沉浸性”“想象性”“交互性”特征，用戶可借助必要的設(shè)備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互作用并相互影響，從而產(chǎn)生身臨其境的感受和體驗(yàn)。其改變了傳統(tǒng)生硬、枯燥和被動(dòng)的人機(jī)交互模式，增強(qiáng)了人的感知和理性認(rèn)識(shí)，決定了VR技術(shù)在21世紀(jì)發(fā)展科學(xué)中的重要性。

VR的主要技術(shù)包括動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)、實(shí)時(shí)三維圖形生成和顯示技術(shù)、新型交互設(shè)備的研制、智能化語(yǔ)音虛擬現(xiàn)實(shí)建模、大型網(wǎng)絡(luò)分布式虛擬現(xiàn)實(shí)（Distributed Virtual Reality，簡(jiǎn)稱(chēng)DVR）等。VR技術(shù)的研究要遵循“低成本，高性能”這一主線，從軟件、硬件上分別展開(kāi)深入研究[4]。

科研領(lǐng)域的開(kāi)拓者

虛擬植物

在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)研究中，由于自然條件的限制，研究周期較長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)環(huán)境復(fù)雜，致使農(nóng)業(yè)技術(shù)研究費(fèi)時(shí)、費(fèi)力。而隨著計(jì)算機(jī)圖形圖像技術(shù)的快速發(fā)展，信息科學(xué)中的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)逐漸應(yīng)用到農(nóng)業(yè)方面，產(chǎn)生了虛擬農(nóng)業(yè)的概念，并且在一段時(shí)間內(nèi)取得了重要的成果。所謂虛擬農(nóng)業(yè)是指建立在計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)上的一種仿真農(nóng)業(yè)技術(shù)，它是通過(guò)計(jì)算機(jī)相關(guān)技術(shù)，將農(nóng)業(yè)中土壤的變化、動(dòng)植物的生長(zhǎng)等過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)中虛擬的現(xiàn)實(shí)，以此來(lái)研究各種自然條件、人工干預(yù)條件對(duì)這些過(guò)程的影響，虛擬農(nóng)業(yè)技術(shù)具有真實(shí)感強(qiáng)、可交互重復(fù)操作等特點(diǎn)[5]。虛擬農(nóng)業(yè)技術(shù)的影響是十分巨大的，它可以將農(nóng)業(yè)上極為復(fù)雜而又周期漫長(zhǎng)的研究過(guò)程在虛擬現(xiàn)實(shí)的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)，在虛擬環(huán)境中定量的時(shí)空坐標(biāo)系中進(jìn)行分析，既可以極大地縮短研究周期，又可以獲得精確的定量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的研究提供可控的、可重復(fù)利用的研究平臺(tái)，為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的研究提供合理的試驗(yàn)依據(jù)，同時(shí)也加強(qiáng)了人們對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的深入理解。

虛擬植物技術(shù)是虛擬農(nóng)業(yè)技術(shù)中的一個(gè)非常重要的分支，其主要目標(biāo)是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)三維空間下植物生長(zhǎng)發(fā)育的模擬過(guò)程[6]。虛擬植物技術(shù)的研究對(duì)象是自然界中的植物，其所得到虛擬植物的模擬結(jié)果與影視動(dòng)畫(huà)游戲作品中的三維植物是不一樣的，影視動(dòng)畫(huà)游戲作品的三維植物只是形似現(xiàn)實(shí)中的植物，而虛擬植物技術(shù)要求不僅能真實(shí)地反映植物的三維形態(tài)結(jié)構(gòu)，也需要精確地模擬出植物的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程，并且演示效果要符合真實(shí)情況。因此，就需要將植物的生理生態(tài)模型和形態(tài)結(jié)構(gòu)模型相結(jié)合，建立植物虛擬生長(zhǎng)的模擬模型即植物生長(zhǎng)模型，并以此為基礎(chǔ)，利用計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)可視化虛擬仿真效果[7-8]。

目前，虛擬植物技術(shù)的研究主要是在植物三維形態(tài)建模與生長(zhǎng)虛擬展示2個(gè)方面，通過(guò)研究植物三維形態(tài)結(jié)構(gòu)特征，可對(duì)植物三維形態(tài)進(jìn)行模擬仿真，實(shí)施三維重構(gòu)，進(jìn)行可視化分析。

虛擬植物研究方法——植物建模

虛擬植物研究方法：（1）對(duì)不同生長(zhǎng)條件、不同生育階段的植物進(jìn)行定性觀察，判別其生長(zhǎng)模式，確定描述其形態(tài)結(jié)構(gòu)的總體框架；（2）定量化測(cè)定植物的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、幾何特征、機(jī)械性質(zhì)等；（3）將測(cè)定的數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)、模式識(shí)別等方法，提取作物形態(tài)結(jié)構(gòu)規(guī)則；（4）模型依據(jù)植物生長(zhǎng)的規(guī)則模擬植物生長(zhǎng)，應(yīng)用可視化技術(shù)在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)模擬植物?；谒⒌哪Ｐ?，可進(jìn)行虛擬試驗(yàn)等方面的研究。

研究虛擬植物的關(guān)鍵問(wèn)題之一是植物建模。目前，國(guó)內(nèi)外研究者逐步考慮將植物生理、形態(tài)結(jié)構(gòu)、環(huán)境影響三者結(jié)合建模，以提高植物生長(zhǎng)過(guò)程模擬的精確度。Prusinkiewicz提出能夠感知環(huán)境的L-system模型，用以模擬局部環(huán)境（如不同涂層的溫度、土壤體抗力、枝條修剪）對(duì)植物生長(zhǎng)的影響。基于 L-system 模型， Mech和 Prusinkiewicz 提出了改進(jìn)的 Open L-system模型，在模型中引入交流模塊，模擬信息在植物與環(huán)境中的雙向傳遞，該模型模擬精確度較高，但過(guò)于復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)特定種類(lèi)植物生長(zhǎng)規(guī)則的提取和定義[9]。

虛擬植物技術(shù)的重要基礎(chǔ)是植物生長(zhǎng)模擬模型，如果根據(jù)功能和模擬的過(guò)程來(lái)劃分，那么可以將植物生長(zhǎng)模擬模型分為2大類(lèi)：一類(lèi)是生長(zhǎng)機(jī)模型[10-11]，也就是根據(jù)已知的植物形體的初始化信息及環(huán)境因素來(lái)確定植物生長(zhǎng)過(guò)程的各種參數(shù)或數(shù)據(jù)；另一類(lèi)是可視化模型，是指利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)，采用二維或三維圖形來(lái)模擬仿真植物個(gè)體的生長(zhǎng)過(guò)程。在農(nóng)業(yè)技術(shù)研究中利用虛擬植物技術(shù)，可在虛擬農(nóng)田系統(tǒng)環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)，可部分代替在現(xiàn)實(shí)中難以進(jìn)行或費(fèi)時(shí)、費(fèi)力而又昂貴的農(nóng)田試驗(yàn)，并以此建立虛擬試驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)，通過(guò)與智能化計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，使用戶可以在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行虛擬植物生長(zhǎng)的管理，有利于農(nóng)業(yè)技術(shù)的普及和推廣，從而使農(nóng)業(yè)技術(shù)研究跨越到數(shù)字化和可視化階段[12]。生長(zhǎng)機(jī)模型又包括生理生態(tài)模型和形態(tài)發(fā)生模型。由于虛擬植物、分支矩陣、粒子系統(tǒng)等為代表的方法，側(cè)重于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，只注重視覺(jué)效果的逼真性，主要研究如何用最少的植物學(xué)知識(shí)，方便快捷地生成單純外觀上的植物圖形，這類(lèi)模型普遍應(yīng)用于園林規(guī)劃、景觀設(shè)計(jì)等領(lǐng)域；另一類(lèi)是以L系統(tǒng)、自動(dòng)機(jī)模型為代表，應(yīng)用于農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)和研究的模型，該類(lèi)型可以通過(guò)對(duì)植物實(shí)際生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程進(jìn)行研究，根據(jù)所測(cè)得的大量數(shù)據(jù)提取植物的生長(zhǎng)規(guī)則，用以模擬植物生長(zhǎng)的真實(shí)過(guò)程。喻曉莉[13]以玉米為載體，初步研究了生理生態(tài)模型與形態(tài)發(fā)生模型有機(jī)結(jié)合的方式，重點(diǎn)解決生理生態(tài)模型和形態(tài)發(fā)生模型的接口，并同時(shí)兼顧生長(zhǎng)機(jī)模型構(gòu)建的普遍適用性。首先描述了玉米的生長(zhǎng)狀態(tài)：植株的生長(zhǎng)速度、葉片的生長(zhǎng)位置及葉片的數(shù)量、葉片形態(tài)的變化及總體生長(zhǎng)狀態(tài)。通過(guò)該描述，提出利用環(huán)境因子氣溫和日長(zhǎng)對(duì)玉米生理生態(tài)模型產(chǎn)生影響，從而影響雙尺庫(kù)自動(dòng)機(jī)模型中狀態(tài)參數(shù)表參數(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)生理生態(tài)模型與形態(tài)發(fā)生模型有機(jī)結(jié)合，并設(shè)計(jì)了2種模型接口部分的算法，即雙尺度自動(dòng)機(jī)模型中循環(huán)次數(shù)求解算法和葉形態(tài)求解算法，該算法能夠很好地將2種模型進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，使玉米形態(tài)結(jié)構(gòu)的生成具有與外界環(huán)境的交互性和動(dòng)態(tài)性。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證達(dá)到了預(yù)期效果，說(shuō)明文中所提出的生長(zhǎng)機(jī)模型構(gòu)建方法具有一定的參考價(jià)值及可行性。

唐衛(wèi)東等[14]以溫室黃瓜為例，對(duì)試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理并采用關(guān)聯(lián)分析法獲取植株-環(huán)境互作信息，依據(jù)作物發(fā)育動(dòng)態(tài)理論模型建立了植株-環(huán)境的信息響應(yīng)模型和信息反饋模型，再?gòu)闹仓晟L(zhǎng)的系統(tǒng)變化過(guò)程對(duì)相關(guān)模型進(jìn)行耦合。運(yùn)用規(guī)則化處理方法與面向?qū)ο蠹夹g(shù)建立植株拓?fù)溲葑兡Ｐ团c器官形態(tài)發(fā)生模型，并構(gòu)建虛擬植物動(dòng)態(tài)模型。試驗(yàn)結(jié)果表明，模型擬合度均達(dá)到95%以上，能較好地虛擬外部環(huán)境作用下的植物生長(zhǎng)發(fā)育，為動(dòng)態(tài)掌握和預(yù)測(cè)適宜植物生長(zhǎng)的溫室環(huán)境條件提供依據(jù)。

虛擬植物技術(shù)的應(yīng)用

經(jīng)過(guò)近40年的發(fā)展，虛擬植物的研究已初具規(guī)模，一些建模方法也日漸完善。直到目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)取得了很多研究成果。實(shí)踐證明，虛擬植物模型的建立對(duì)于農(nóng)業(yè)步入現(xiàn)代化高科技領(lǐng)域是一個(gè)很好的契機(jī)。

● 科研育種

利用虛擬植物技術(shù)，在計(jì)算機(jī)屏幕上設(shè)計(jì)相應(yīng)的作物，然后再根據(jù)實(shí)際培育或利用基因工程、細(xì)胞工程等先進(jìn)的生物技術(shù)繁殖出真實(shí)的農(nóng)作物，使農(nóng)作物新品種具有虛擬植物的理想性狀。由于作物育種周期長(zhǎng)、試驗(yàn)反復(fù)、試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)本身的可操作性、分子試驗(yàn)的危害性等的限制，在一定程度上阻礙了科研育種的進(jìn)程。然而，虛擬植物技術(shù)應(yīng)用計(jì)算機(jī)建立能客觀反映現(xiàn)實(shí)世界規(guī)律的虛擬模型進(jìn)行虛擬試驗(yàn)，可以部分替代在現(xiàn)實(shí)世界難以進(jìn)行或費(fèi)時(shí)、費(fèi)力和費(fèi)資金的試驗(yàn)。因此，虛擬植物技術(shù)將成為農(nóng)作物育種的重要工具。

與傳統(tǒng)的植物生長(zhǎng)模擬模型相比，虛擬植物具有很大的優(yōu)勢(shì)，如植物群體光分布的研究，過(guò)去主要依據(jù)Beer-Lambert公式來(lái)計(jì)算，應(yīng)用該公式需要引入葉片分布的假設(shè)，如隨機(jī)分布，這常常會(huì)帶來(lái)較大的誤差，特別是在行播作物的生長(zhǎng)前期，而且無(wú)法獲得植物冠層光分布的空間規(guī)律[7]。在現(xiàn)實(shí)世界中植物冠層的光分布具有很大的空間變異性，受冠層結(jié)構(gòu)及各器官的幾何形狀等影響，植物群體對(duì)光的截獲很難進(jìn)行精確定量化研究，而利用虛擬植物模型就能判別哪些光線被植物葉片截獲，哪些穿過(guò)葉間空隙到達(dá)冠層更深處，可計(jì)算出植物冠層空間中任意位置點(diǎn)的光的通量的精確值。這種對(duì)作物冠層光分布的精確模型可為作物株型設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。為大幅度提高作物產(chǎn)量，需培育超級(jí)作物品種，如超級(jí)雜交水稻。而育種學(xué)家注意到，為獲得超級(jí)品種需優(yōu)化作物株型，虛擬其生長(zhǎng)，模擬其光截獲能力與光合產(chǎn)量形成能力，優(yōu)先選出理想株型，從而明確育種方向，減少盲目性。

● 栽培方式

利用虛擬植物技術(shù)設(shè)定某種作物在不同種植密度下的虛擬環(huán)境，并比較其產(chǎn)量的差異，從而選擇適宜的種植密度。另外，由于溫室、大棚等特定的生態(tài)系統(tǒng)，對(duì)環(huán)境條件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，運(yùn)用虛擬模型具有可操作性。通過(guò)研究溫室土壤水分、養(yǎng)分和鹽分及溫室植物形態(tài)結(jié)構(gòu)的特有規(guī)律，應(yīng)用虛擬模型設(shè)計(jì)精準(zhǔn)灌溉、施肥、施藥、采收方案，從而可獲取最高的邊際產(chǎn)值。而對(duì)于大田生產(chǎn)，可根據(jù)所在地區(qū)的資源狀況，應(yīng)用虛擬模型研究作物個(gè)體根冠的關(guān)系，選擇個(gè)體競(jìng)爭(zhēng)能力適合于當(dāng)?shù)刭Y源狀況的作物品種；可依據(jù)高產(chǎn)農(nóng)田群體結(jié)構(gòu)特征，應(yīng)用模型優(yōu)化作物種植和套種方式，從而提高不同地區(qū)、不同條件下的作物產(chǎn)量提供指導(dǎo)[7]。因此，可利用虛擬植物找到最佳的栽培方式。

作物從土壤中吸收水分、養(yǎng)分時(shí)，由于土壤物理性質(zhì)的空間不均一性、根系不同位置吸收性能的差異，使土壤水分、養(yǎng)分的分布隨作物生長(zhǎng)而出現(xiàn)顯著的空間不均一性。因此，通過(guò)研究根系的可視化，研究土壤水分、養(yǎng)分時(shí)空動(dòng)態(tài)規(guī)律，從而確定合理的灌溉、施肥方案，以提高水分及肥料的利用率。同時(shí)，也可以應(yīng)用此規(guī)律設(shè)置合理的株行距。但目前對(duì)于根系的可視化研究仍處于初步階段。

● 植物保護(hù)

利用虛擬植物模擬農(nóng)藥從噴霧器中噴出后的空間運(yùn)行軌跡，直觀地觀察農(nóng)藥在植物群體中的空間分布與害蟲(chóng)的位置關(guān)系，從而可確定農(nóng)藥的最佳噴施方法。另外，利用虛擬植物，還可以找尋一種既能對(duì)付害蟲(chóng)又不污染環(huán)境的方法，例如通過(guò)改變農(nóng)作物株型或葉片形狀而使害蟲(chóng)無(wú)法藏身或無(wú)法覓食，以此途徑來(lái)減少害蟲(chóng)侵襲。

新時(shí)代的教育者

實(shí)驗(yàn)教學(xué)

VR技術(shù)可部分替代一些受設(shè)備等條件限制的一些試驗(yàn)，縮短試驗(yàn)進(jìn)程，同時(shí)減少不必要的資源浪費(fèi)。VR技術(shù)與科研試驗(yàn)結(jié)合，提供了高仿真的儀器和試驗(yàn)環(huán)境，并允許使用者通過(guò)聲控和手持設(shè)備與環(huán)境互動(dòng)，逼真還原真實(shí)的試驗(yàn)流程，有效提高實(shí)驗(yàn)員的觀察和動(dòng)手能力，解決了農(nóng)業(yè)科研實(shí)驗(yàn)室教學(xué)資源緊張的難題，同時(shí)調(diào)動(dòng)科研工作者的創(chuàng)新思維。另外，開(kāi)發(fā)虛擬農(nóng)場(chǎng)可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上種田，讓學(xué)生更快地掌握農(nóng)業(yè)知識(shí)和體驗(yàn)農(nóng)事活動(dòng)。

科普互動(dòng)體驗(yàn)教育

通過(guò)運(yùn)用VR技術(shù)，進(jìn)行科普互動(dòng)體驗(yàn)教育，來(lái)滿足民眾對(duì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的認(rèn)知能力。例如，在北京市農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技示范推廣項(xiàng)目的支持下，郭新宇等利用自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的農(nóng)林植物三維數(shù)字化、三維互動(dòng)展示技術(shù)體系開(kāi)發(fā)了基于VR 3D眼鏡的“草莓的一天”互動(dòng)體驗(yàn)系統(tǒng)。一是可以讓民眾在虛擬的草莓種植園中漫游、觀看草莓的形態(tài)結(jié)構(gòu)，了解光合作用、同化物運(yùn)輸、品質(zhì)形成等知識(shí)；二是開(kāi)發(fā)了基于磁感槍的“草莓保衛(wèi)戰(zhàn)”互動(dòng)體驗(yàn)系統(tǒng)，讓民眾了解草莓植保知識(shí)；三是為陽(yáng)光興紅農(nóng)業(yè)種植園定制了“北京市大興區(qū)陽(yáng)光興紅農(nóng)業(yè)種植園虛擬互動(dòng)展示宣傳系統(tǒng)”和“有機(jī)黃瓜虛擬科普宣傳片”，讓民眾了解園區(qū)歷史、特色和有機(jī)食品等相關(guān)知識(shí)[15]。

新農(nóng)民職業(yè)教育培訓(xùn)

面向“互聯(lián)網(wǎng)+”農(nóng)業(yè)職業(yè)教育的時(shí)代潮流，針對(duì)中國(guó)農(nóng)業(yè)從業(yè)人員認(rèn)知特點(diǎn)，將農(nóng)業(yè)知識(shí)、三維可視互動(dòng)技術(shù)、數(shù)字娛樂(lè)形式和網(wǎng)絡(luò)等新媒體傳播渠道緊密結(jié)合，以視覺(jué)體驗(yàn)和三維交互作為知識(shí)轉(zhuǎn)化方式和技術(shù)傳播載體，輔助農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣、農(nóng)業(yè)職業(yè)教育部門(mén)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)農(nóng)業(yè)職業(yè)教育三維可視互動(dòng)在線培訓(xùn)系統(tǒng)，通過(guò)電視、平板電腦和手機(jī)等終端進(jìn)行高效、快速、便捷傳播，創(chuàng)新和豐富了農(nóng)村科技推廣、職業(yè)教育和農(nóng)民培訓(xùn)的手段。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)讓廣大的文化素質(zhì)相對(duì)較低的農(nóng)民能較容易地理解和接受，并付諸農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐，這樣可促進(jìn)越來(lái)越多的農(nóng)民真正實(shí)現(xiàn)科學(xué)種田，加快我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的步伐。

虛擬農(nóng)場(chǎng)的創(chuàng)新者

虛擬農(nóng)場(chǎng)最早主要是一種針對(duì)普通大眾的創(chuàng)新型農(nóng)場(chǎng)經(jīng)營(yíng)模式，是由“偷菜游戲”延伸而來(lái)。如今，虛擬農(nóng)場(chǎng)是一種特殊的農(nóng)產(chǎn)品認(rèn)購(gòu)形式，由農(nóng)場(chǎng)主在網(wǎng)上向普通民眾銷(xiāo)售成長(zhǎng)中的作物，而被購(gòu)買(mǎi)的作物將會(huì)繼續(xù)留在農(nóng)場(chǎng)中管理，用戶只要通過(guò)登錄自己的賬號(hào)，直接在互聯(lián)網(wǎng)上查看自己購(gòu)買(mǎi)的作物的實(shí)時(shí)影像，同時(shí)可以在網(wǎng)上聯(lián)系農(nóng)場(chǎng)工作人員進(jìn)行澆水或采摘等操作。

作物收獲后，通過(guò)物流及時(shí)運(yùn)送至用戶家中。這類(lèi)虛擬農(nóng)場(chǎng)大多以休閑農(nóng)業(yè)為主題，用戶可以隨時(shí)來(lái)實(shí)地參觀自己購(gòu)買(mǎi)的作物和農(nóng)場(chǎng)全貌，這種既利用網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控來(lái)確保食品安全，又結(jié)合參觀體驗(yàn)做到了寓教于樂(lè)的農(nóng)場(chǎng)經(jīng)營(yíng)模式備受推崇。人們可以從任意角度甚至在作物的冠層內(nèi)漫游，觀察作物生長(zhǎng)狀況的動(dòng)態(tài)過(guò)程，還可以通過(guò)改變環(huán)境條件和栽培措施，直觀地觀察作物生長(zhǎng)過(guò)程及最終結(jié)果。利用虛擬儀器，如自動(dòng)化秧苗分析系統(tǒng)、自動(dòng)化施肥系統(tǒng)或自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)等，對(duì)農(nóng)場(chǎng)實(shí)行全天時(shí)、全天候地自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和管理，可大幅度提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和效益，并帶動(dòng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。

另外，虛擬農(nóng)場(chǎng)的推廣將助力農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化和全程可追溯化。同時(shí)，有利于農(nóng)產(chǎn)品市場(chǎng)的秩序性和產(chǎn)品的安全性，從而保障食品的安全和質(zhì)量。

虛擬都市農(nóng)業(yè)的開(kāi)創(chuàng)者

虛擬都市農(nóng)業(yè)是以綠色農(nóng)業(yè)為主旨，利用現(xiàn)代化信息手段，通過(guò)直產(chǎn)直銷(xiāo)的農(nóng)產(chǎn)品網(wǎng)上交易模式，減少流通成本，提供食品溯源，保證食品安全。與傳統(tǒng)的電商型都市農(nóng)業(yè)相比，搭載VR實(shí)景平臺(tái)的虛擬都市農(nóng)業(yè)能將產(chǎn)品規(guī)格信息圖像化，用人手觸碰代替鼠標(biāo)鍵盤(pán)進(jìn)行操作，使不擅長(zhǎng)使用電腦的市民也能足不出戶輕松購(gòu)買(mǎi)，帶來(lái)更好的消費(fèi)體驗(yàn)，提升市民的生活品質(zhì)[16]。

虛擬設(shè)施農(nóng)業(yè)的引領(lǐng)者

虛擬設(shè)施農(nóng)業(yè)主要是使用數(shù)字化的環(huán)境控制模塊對(duì)溫室進(jìn)行遠(yuǎn)程智能管理，并利用VR技術(shù)的視覺(jué)系統(tǒng)，將采集的數(shù)據(jù)輸出為圖像識(shí)別效果，對(duì)原有的設(shè)施農(nóng)業(yè)進(jìn)行改進(jìn)，改變了復(fù)雜且專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)的操作流程，加強(qiáng)了信息實(shí)時(shí)采集和處理技術(shù)，最終建立高效集成的研究和工作環(huán)境，提高設(shè)施農(nóng)業(yè)的利用率。

VR技術(shù)需要解決的問(wèn)題

虛擬現(xiàn)實(shí)是一項(xiàng)復(fù)雜的綜合集成技術(shù)，其產(chǎn)業(yè)覆蓋面廣、開(kāi)發(fā)商多，所涉及到的硬件模塊、系統(tǒng)平臺(tái)和開(kāi)發(fā)工具等，目前尚未有統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)不同接口間的兼容性問(wèn)題還在逐步完善中。另外，民用的VR設(shè)備目前仍受硬件環(huán)境的限制，對(duì)大批量數(shù)據(jù)的處理仍存在計(jì)算速度不足、傳輸速率較慢和續(xù)航能力有限等影響，因此進(jìn)行大規(guī)模投入應(yīng)用仍需一段時(shí)間。

（1）VR虛擬現(xiàn)實(shí)呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)模型多為三維數(shù)據(jù)，但還很難通過(guò)工具自動(dòng)化采集數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)化為三維模型，尤其是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、生命周期變化較大的植物。

（2）國(guó)內(nèi)外在植物結(jié)構(gòu)功能模型方面研究較多，能夠?qū)崿F(xiàn)植物生長(zhǎng)過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬，但是模型對(duì)植物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，很難實(shí)現(xiàn)真實(shí)感建模模擬，只能說(shuō)是在逼近植物真實(shí)的生長(zhǎng)過(guò)程，仍有誤差。

（3）近幾年，表型組學(xué)和基因組學(xué)是研究熱點(diǎn)，二者之間相互關(guān)聯(lián)的研究處于起步階段。

（4）大多集中在對(duì)植物地上部分的模擬研究，而根系是植物與環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)與能量交換的重要界面，要增強(qiáng)模擬水、肥等環(huán)境因子對(duì)植物生長(zhǎng)影響的機(jī)制，必須加強(qiáng)對(duì)根系的研究。目前，我國(guó)對(duì)虛擬根系（植物地下部分）研究極少。因?yàn)樘摂M根系數(shù)據(jù)采集困難，其研究還處于如何能夠獲得根系生長(zhǎng)構(gòu)型階段。

（5）VR技術(shù)難以在農(nóng)業(yè)科研試驗(yàn)領(lǐng)域推廣，主要是科學(xué)試驗(yàn)難以定量化表達(dá)，且儀器使用成本較高，且目前缺乏適宜的系統(tǒng)。

（6）目前，對(duì)VR技術(shù)在農(nóng)業(yè)上應(yīng)用的研究主要集中在大田作物，尤以小麥、玉米居多，而對(duì)于蔬菜的虛擬技術(shù)研究較少。

小結(jié)

信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中不僅具有高效收集處理數(shù)據(jù)的能力，還帶來(lái)了更多創(chuàng)新型農(nóng)業(yè)研究方法。虛擬農(nóng)業(yè)作為一種全新的農(nóng)業(yè)理念，利用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)帶來(lái)了勃勃生機(jī)。在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展轉(zhuǎn)型的當(dāng)下，虛擬農(nóng)業(yè)成為了體現(xiàn)一個(gè)國(guó)家農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平的標(biāo)志之一[1]，而VR技術(shù)具有高交互性、沉浸式體驗(yàn)及真實(shí)自主性等特點(diǎn)，不僅能很好地融入到現(xiàn)有的虛擬農(nóng)業(yè)應(yīng)用中，還可以延伸出更多出色的研究方向。VR的前景很好，將從高端用戶向消費(fèi)級(jí)用戶發(fā)展[16]。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用符合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)的要求，在蔬菜育種、種植培訓(xùn)、品種推廣、高端電商、科普等方面具有很重要的應(yīng)用價(jià)值。在2016年柯城創(chuàng)客孵化園舉辦的VR體驗(yàn)會(huì)上，衢州目前擁有一臺(tái)工程機(jī)VR體驗(yàn)設(shè)備，有望實(shí)現(xiàn)將菜種到VR上，讓消費(fèi)者能夠身臨其境地感受到生態(tài)蔬菜生產(chǎn)、銷(xiāo)售的各個(gè)環(huán)節(jié)。但作為一項(xiàng)新的技術(shù)，VR正處于發(fā)展階段，必須有科學(xué)的方法做指導(dǎo)，要與其他先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)融會(huì)貫通，才能更好地促進(jìn)中國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展。

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