農(nóng)業(yè)技術(shù)論文

　　農(nóng)業(yè)技術(shù)論文篇2

　　淺析虛擬農(nóng)業(yè)技術(shù)及其應(yīng)用

　　引言

　　虛擬農(nóng)業(yè)是由虛擬現(xiàn)實延伸而來的，虛擬農(nóng)業(yè)技術(shù)是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展趨勢與客觀要求，是計算機技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的更高境界。在計算機輔助下，將現(xiàn)代化信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)科學(xué)相結(jié)合，開辟了農(nóng)業(yè)技術(shù)研究的新途徑，是虛擬技術(shù)研究的一個重要領(lǐng)域。

　　隨著農(nóng)業(yè)問題研究的進展與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的廣泛興起，虛擬農(nóng)業(yè)技術(shù)的應(yīng)用已成為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)信息的重要手段，也是提高農(nóng)業(yè)資源管理和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力水平的最有效工具。作為農(nóng)業(yè)大國，虛擬農(nóng)業(yè)技術(shù)的應(yīng)用與研究具有重大的意義，它將極大地推動著中國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、新產(chǎn)品研發(fā)、病蟲害研究以及農(nóng)業(yè)科研、教學(xué)等領(lǐng)域。

　　1 虛擬農(nóng)業(yè)技術(shù)概念

　　1.1 虛擬現(xiàn)實

　　1989年美國的J.Lanier最早提出虛擬現(xiàn)實技術(shù)(Virtual Reality，縮寫為VR)又稱靈境技術(shù)或幻境技術(shù)。是一種高新的人—機界面形式。它依托于數(shù)學(xué)﹑計算機科學(xué)﹑機械學(xué)、聲學(xué)、力學(xué)、生物學(xué)﹑光學(xué)乃至社會科學(xué)和美學(xué)等多種學(xué)科，在計算機圖形學(xué)﹑智能接口技術(shù)﹑圖像處理與模式識別、多傳感技術(shù)、人工智能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、語音處理與音響技術(shù)、高性能計算機系統(tǒng)和并行處理技術(shù)等基礎(chǔ)上迅速發(fā)展起來的信息技術(shù)[1]。目前，該應(yīng)用已涉及教育培訓(xùn)、科研、軍事、工程設(shè)計、影視、醫(yī)學(xué)、商業(yè)等眾多領(lǐng)域，是專家學(xué)者們公認的能促使21世紀社會發(fā)展巨大變化的幾大技術(shù)之一[2]。

　　在期刊《國際虛擬現(xiàn)實》上，虛擬現(xiàn)實的含義為：使人可以操縱其內(nèi)的物體，猶如身臨其境，它是一個虛擬世界的計算機系統(tǒng)[3]。

　　1.2 虛擬農(nóng)業(yè)的概念

　　虛擬農(nóng)業(yè)(Virtual Agriculture) 是從虛擬現(xiàn)實、虛擬植物建立，用虛擬現(xiàn)實技術(shù)與可視化技術(shù)模擬植物，在計算機上土壤物質(zhì)的吸附，遷移，排放的成長過程中表達的遺傳物質(zhì)異化、同化的計算機虛擬現(xiàn)實，采取人為干預(yù)，對這些過程中各種應(yīng)激作用條件下的研究[4]。具有交互操作、易現(xiàn)實的特點，它是農(nóng)業(yè)信息化重要研究領(lǐng)域之一。

　　1.3 虛擬農(nóng)業(yè)的優(yōu)勢

　　虛擬農(nóng)業(yè)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在3個方面：一是模擬農(nóng)藥從噴霧器中噴出后的空間運行軌跡以確定農(nóng)藥的最佳噴施方法;二是判別植物群體精確定量化研究利于計算植物群體空間中光通量精確值;三是通過改變植物形狀與葉子形態(tài)讓害蟲無處藏身、覓食，以此減少害蟲侵害從中找到最佳栽培方式。虛擬農(nóng)業(yè)技術(shù)甚至能直觀地研究復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，如農(nóng)田、森林等，從中發(fā)現(xiàn)難以觀察到的規(guī)律。結(jié)合生物學(xué)技術(shù)，為植物基因改良以及植物株型設(shè)計提供依據(jù)，加強人們對植物生命和植物生理的了解。

　　1.4 虛擬農(nóng)業(yè)的意義

　　虛擬農(nóng)業(yè)由于虛擬對象不同，與之相對應(yīng)的系統(tǒng)也不同。但都涉及虛擬對象，虛擬環(huán)境，認知水平以及相互間的作用關(guān)系等，是農(nóng)業(yè)知識與現(xiàn)代化信息技術(shù)的綜合體現(xiàn)。盡管虛擬農(nóng)業(yè)的過程非常復(fù)雜，但它徹底改變了傳統(tǒng)的教學(xué)方式和科研方法，為發(fā)展農(nóng)業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟效益。

　　虛擬農(nóng)業(yè)改變了中國乃至全世界幾千年憑傳統(tǒng)經(jīng)驗的種植模式，它是一個定量化的研究過程。它不僅可以模擬作物滿足最大經(jīng)濟效益產(chǎn)量時的株型，為作物育種工作指明方向。還可以最大程度縮短育種年限，能在幾秒鐘內(nèi)完成模擬作物生長的全過程。

　　虛擬農(nóng)業(yè)可以模擬不同作物和同種作物之間的間作、連作、套作等相互作用、交互影響，為作物合理耕種、合理搭配提供理想的規(guī)劃。虛擬農(nóng)業(yè)的模擬使課堂學(xué)習(xí)形式更形象化、直觀化。從而使學(xué)生們以及各位學(xué)者更好的掌握、理解現(xiàn)代農(nóng)業(yè)知識。

　　經(jīng)濟效益方面，虛擬農(nóng)業(yè)替代了現(xiàn)實生活中難以實現(xiàn)的費力、費時的試驗。在過去的幾十年里，虛擬植物的研究與應(yīng)用已經(jīng)有了長足發(fā)展并取得了相當大的成就。新西蘭Holt開發(fā)出虛擬幾維果樹系統(tǒng)，能幾秒鐘摸擬出植物的發(fā)芽﹑生長﹑抽枝﹑展葉﹑開花﹑結(jié)果﹑果實成長等整個生長周期，不用費長時間實地種植即可觀察分析。還可以計算出蟲咬葉片后所向果實輸送糖量受到的影響。

　　在農(nóng)業(yè)科技推廣和教育教學(xué)領(lǐng)域，與其他智能化農(nóng)業(yè)軟件系統(tǒng)相結(jié)合，可建立虛擬農(nóng)場，可直觀生動的對農(nóng)田﹑森林等復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)研究，從而探索科學(xué)規(guī)律和奧秘。還可以通過改變環(huán)境條件和栽培方式，觀測植物生長過程及最終結(jié)果[5]。從而節(jié)約大量的物力，人力。近年來，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研究越來越重要。從虛擬植物，虛擬環(huán)境的探索和研究可以看出，虛擬現(xiàn)實技術(shù)將被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，并帶來新的理念和技術(shù)，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)科學(xué)的發(fā)展提供新途徑。

　　2 虛擬農(nóng)業(yè)技術(shù)的應(yīng)用

　　2.1 虛擬實驗

　　虛擬實驗是指借助于虛擬現(xiàn)實、多媒體與平臺仿真等技術(shù)，在計算機上營造部分替代、可輔助的，甚至是全部替代的傳統(tǒng)實驗，以及其各種操作環(huán)節(jié)相關(guān)的軟件與硬件操作環(huán)境，使實驗人員猶如在真實環(huán)境中一樣實驗各種項目，將得到的實驗效果完全等價甚至是優(yōu)越于真實環(huán)境中所取得的效果[6]。

　　虛擬實驗注重的是實驗過程的交互與實驗結(jié)果的真實性，它建立在虛擬實驗平臺之上，開展虛擬實驗教學(xué)不僅能夠突破傳統(tǒng)實驗的“時、空”限制，而且能有效緩解大部分高校普遍面臨的實驗器材陳舊、型號落后、設(shè)備不足等方面的困難和壓力。從而使老師和學(xué)生們隨時隨地通過鍵盤鼠標進入虛擬實驗室，進行各種實驗，操作各種儀器，以此提高實驗教學(xué)質(zhì)量[7]。

　　2.2 虛擬育種

　　要想獲得高產(chǎn)的農(nóng)作物，必須具有合理的株型。早期的育種工作，技術(shù)人員都是選擇在大田中完成的。而現(xiàn)在的育種工作，是利用虛擬農(nóng)業(yè)技術(shù)結(jié)合生物技術(shù)在實驗室里模擬育種的，并且還可以培育出新品種，最后通過大田實驗做檢驗。

　　以玉米為例，株型對作物的品質(zhì)、產(chǎn)量等影響很大。從已知的品種出發(fā)，找出它們與品質(zhì)、產(chǎn)量等關(guān)系，構(gòu)建合理的數(shù)學(xué)模型。如每畝株數(shù)、每株穗數(shù)、秸稈的高度、穗長等， 按照最佳株型，不僅可以確定育種方向，而且還可以減少資金浪費，節(jié)約大量的時間，從而提高育種效率[8]。

　　2.3 虛擬溫室

　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，虛擬溫室的開發(fā)與研究應(yīng)運而生。虛擬溫室是將模型、數(shù)據(jù)、材料、高級算法與物理屬性整合而成的研究平臺。它是將環(huán)境學(xué)與物理學(xué)相結(jié)合， 進行研究溫室對外界環(huán)境的各種反應(yīng)，并且能夠顯示、觀察與打印其結(jié)果[9]。

　　虛擬溫室與虛擬飛行器、虛擬駕駛器等相類似， 其科研的意義及價值不言而喻。溫室的智能化與動態(tài)研究及虛擬植物的自適應(yīng)研究，都可以應(yīng)用虛擬溫室完成。即真實的溫室由虛擬溫室來再現(xiàn)。需要研究的內(nèi)容非常豐富，實驗教學(xué)也能從虛擬環(huán)境中獲益。使用戶通過改變虛擬環(huán)境規(guī)則，在各種“環(huán)境”中進行實驗和學(xué)習(xí)。

　　虛擬溫室作為綜合的實驗平臺，可以研究和試驗溫室特性及規(guī)律。其優(yōu)勢在于為實際生產(chǎn)提供一種交互的、可靠的、可重復(fù)操作的參考平臺，從而為生產(chǎn)決策服務(wù)。

　　2.4 虛擬農(nóng)場

　　用計算機技術(shù)來模擬農(nóng)作物生長，被知名人士稱作虛擬農(nóng)場。在計算機屏幕上，進行三維模擬植物的構(gòu)造與生長，不僅能顯示出作物所具有的性狀，還可以改變作物的栽培方式。從而直接觀看玉米發(fā)芽、生長、抽枝、展葉、開花、結(jié)果等整個生長周期，無需長時間實地種植就可以觀測分析。作物的生長過程可以分解成這些重復(fù)部件生長過程的總和。

　　在教育、教學(xué)及農(nóng)業(yè)科技推廣領(lǐng)域，用虛擬植物構(gòu)建虛擬農(nóng)場，讓學(xué)者們在計算機屏幕上直接觀測作物的整個生長周期與最終結(jié)果。如虛擬種植作物，虛擬田間管理等，從而使學(xué)者們快速地掌握農(nóng)田管理技術(shù)。

　　2.5 虛擬果樹修剪

　　虛擬果樹修剪技術(shù)為廣大學(xué)者掌握先進的修剪技術(shù)提供了一種新途徑。它是模擬果樹管理措施中的重要技術(shù)[10]。對調(diào)控果品產(chǎn)量以及提高果品質(zhì)量有非常重要的作用。然而，在技術(shù)推廣和實際生產(chǎn)中存在兩大難題：一是果樹修剪技術(shù)人員相對短缺;二是普及修剪技術(shù)有一定難度。再加上錯誤的修剪具有不可逆性，總是帶來不可彌補的損失。以至于嚴重影響到果業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此，普及和推廣果樹修剪技術(shù)是至關(guān)重要的工作。

　　2.6 虛擬立體農(nóng)業(yè)

　　虛擬立體農(nóng)業(yè)主要是摸擬光資源作物間的套作管理。一方面，在光資源模擬中，葉片分布狀態(tài)對光輻射產(chǎn)生影響，在蒸騰作用與光合功能的共同作用下會產(chǎn)生變異;另一方面，光合產(chǎn)物的分配與生產(chǎn)也決定了各部分的生長速度，以及植株下一時段的形態(tài)結(jié)構(gòu)[11]。因此，利用計算機圖形學(xué)建立植物三維模型，模擬光線在植物冠層內(nèi)反射、傳輸及透射等，并參照光資源量就能精確計算出每一葉片的光截獲值，從而實現(xiàn)對立體農(nóng)業(yè)管理。

　　2.7 虛擬都市農(nóng)業(yè)

　　簡言之，都市農(nóng)業(yè)是把農(nóng)業(yè)的生活、生產(chǎn)、生態(tài)等結(jié)合為一體的產(chǎn)業(yè)。對都市農(nóng)業(yè)的模擬主要體現(xiàn)在三方面：(1)為實現(xiàn)最好景觀，對建筑周邊的田園景觀設(shè)計及整體規(guī)劃;(2)都市農(nóng)業(yè)的結(jié)構(gòu)安排、空間布局，以及農(nóng)業(yè)消費、生產(chǎn)與流通;(3)周邊地帶與都市化地區(qū)農(nóng)業(yè)的合理搭配。從而實現(xiàn)農(nóng)業(yè)發(fā)展與城市需求相互促進、相互依存、相互補充的一體化關(guān)系。

　　2.8 虛擬教學(xué)和農(nóng)業(yè)科技推廣

　　在科普教育、教學(xué)和農(nóng)業(yè)科技推廣領(lǐng)域，與其他智能化系統(tǒng)軟件聯(lián)結(jié)，使學(xué)者在計算機上進行虛擬農(nóng)業(yè)管理和種植虛擬作物，通過改變栽培方式和環(huán)境條件，能多個角度觀測作物動態(tài)生長狀態(tài)、生長過程以及最終結(jié)果[12]。尤其是農(nóng)業(yè)科技推廣領(lǐng)域，這種效果更容易使學(xué)者接受、掌握先進的農(nóng)田管理技術(shù)，從而提高農(nóng)業(yè)科技的現(xiàn)代化進程。

　　3 虛擬農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢

　　3.1 虛擬農(nóng)作物

　　虛擬農(nóng)作物就是利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，以植物個體或群體為研究對象，在計算機上模擬作物在三維空間中的生長發(fā)育過程[13]。是數(shù)學(xué)﹑植物學(xué)﹑計算機圖形學(xué)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)等交叉學(xué)科。它不僅能夠提供作物生長的空間規(guī)律反映植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)，還可以摸擬生產(chǎn)管理以及探索出植物生長的規(guī)律和奧秘。利用虛擬植物技術(shù)，研究者可以在計算機屏幕上設(shè)計農(nóng)作物，并進行農(nóng)作物育種。利用可視化技術(shù)與面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計思想進行作物建模。它對于構(gòu)建植物形態(tài)、探索農(nóng)作物理想模型、虛擬教學(xué)甚至園林設(shè)計等方面有非常重要的應(yīng)用[14]。虛擬農(nóng)業(yè)的研究對象不同，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也不相同。圖l為虛擬農(nóng)作物結(jié)構(gòu)。

　　虛擬現(xiàn)實技術(shù)的“沉浸式交互環(huán)境”給用戶帶來了臨場感與真實感的體驗。運用此技術(shù)，能幾秒鐘摸擬出作物的發(fā)芽﹑生長﹑抽枝﹑展葉﹑開花﹑結(jié)果﹑果實成長等整個生長周期，不用費長時間實地種植即可觀察分析。甚至能直觀地研究復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，如農(nóng)田、森林等，從中發(fā)現(xiàn)難以觀察到的規(guī)律。因其具有便于交互操作、易控制、真實感強等特點，而得到廣泛的應(yīng)用。

　　3.2 虛擬農(nóng)作物的模型研究

　　虛擬農(nóng)作物建模的目的是通過模擬研究對象的發(fā)生、 發(fā)展過程，為發(fā)現(xiàn)規(guī)律，解釋現(xiàn)象，揭示機理，預(yù)測未來等提供有用工具[15]。以作物為研究對象的幾何模型是作物建模，它是用來構(gòu)建能直接反映現(xiàn)實世界中實物對象的數(shù)學(xué)模型。

　　建模的最終目的是使科研人員的研究手段、方法更準確、快捷。進行作物仿真，研究其形態(tài)變化特征以及進行三維形態(tài)模型的數(shù)據(jù)分析。

　　三維重構(gòu)法對作物建模是先采用儀器收集作物空間數(shù)據(jù)，再通過編寫程序調(diào)用一些數(shù)據(jù)，以此實現(xiàn)農(nóng)作物的三維模擬。隨著儀器精度的不斷完善，模擬的農(nóng)作物逼真性也越來越高。

　　農(nóng)作物個體的生長都具有持續(xù)、自主、主動的屬性，與 環(huán)境的交互則具有應(yīng)激性。通常是由地上部分和地下部分構(gòu)成。地上部分的根、莖、葉、花及果實與空間環(huán)境交互;地下部分的根與土壤環(huán)境之間交互[16]。作物器官間交互、協(xié)作生長：相同作物個體間是競爭關(guān)系，不同作物個體間則競爭與協(xié)作關(guān)系。人作為外部調(diào)控機制，把作物體與器官以及環(huán)境間的關(guān)系抽象為模型庫和知識庫，通過修改環(huán)境因素參數(shù)，觀察虛擬農(nóng)作物的生長過程，從而達到 教育教學(xué)、科研等目的。圖 2為虛擬農(nóng)作物系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)。

　　從天氣數(shù)據(jù)庫中提取環(huán)境因素中的天氣參數(shù);用灌溉、施肥專家數(shù)據(jù)庫實施調(diào)控水分與養(yǎng)分參數(shù)。其中，模擬農(nóng)作物生長的必需參數(shù)是每日氣象要素(如溫度、濕度、太陽輻射、風(fēng)速以及降雨量)。

　　4 結(jié)束語

　　虛擬 農(nóng)業(yè)技術(shù)開辟了農(nóng)業(yè)研究的新途徑，它是農(nóng)業(yè)科學(xué)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)、信息技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。這種研究方法為農(nóng)學(xué)科研人員提供一種便于交互、易操作、易控制的平臺，解決了現(xiàn)實中農(nóng)業(yè)上異常復(fù)雜的各種問題。農(nóng)業(yè)信息以可視化的方式在 計算機上實現(xiàn)：直接得到定量的實驗結(jié)果和可視化的過程，不僅縮短了研究周期，降低了實驗成本，還提高了農(nóng)業(yè)科研的效率。

　　在農(nóng)業(yè)研究上，農(nóng)作物根系、農(nóng)作物與環(huán)境交互的虛擬，是2個有待于完善和深化的重要問題。虛擬農(nóng)作物的發(fā)展有著廣闊的 應(yīng)用前景，同時對精確農(nóng)業(yè)研究具有重要的指導(dǎo)意義。隨著農(nóng)業(yè)問題研究的進展，開展虛擬農(nóng)業(yè)研究，推進農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程，加快計算機技術(shù)的農(nóng)業(yè)應(yīng)用，構(gòu)建農(nóng)業(yè)知識創(chuàng)新體系必將是農(nóng)業(yè)技術(shù)前沿。尤其是對 文化基礎(chǔ)較低的農(nóng)民非常實用，便于他們掌握先進的農(nóng)田 管理技術(shù)，這種效果是傳統(tǒng)方法達不到的。事實證明：虛擬農(nóng)業(yè)技術(shù)是計算機技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的更高境界，它具有很好的應(yīng)用推廣前景。