張文達(dá)，杜建偉

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 動(dòng)漫與傳媒學(xué)院，山東 青島 266000)

自1996年國家“863”計(jì)劃“智能化農(nóng)業(yè)信息技術(shù)應(yīng)用示范工程”提出開展虛擬農(nóng)業(yè)研究以來，我國虛擬農(nóng)業(yè)在農(nóng)業(yè)科研、教學(xué)、生產(chǎn)、規(guī)劃、資源配置、商品流通、農(nóng)機(jī)具設(shè)計(jì)與制造等方面的研究應(yīng)用已取得較大的發(fā)展[1]。如：按計(jì)算機(jī)虛擬設(shè)計(jì)培育的真實(shí)作物、畜禽魚等，較虛擬設(shè)計(jì)產(chǎn)品的品質(zhì)更佳、產(chǎn)量更高、抗蟲害能力更強(qiáng)[2]。雖然我國虛擬農(nóng)業(yè)在虛擬動(dòng)植物、虛擬農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、虛擬農(nóng)業(yè)教學(xué)等研究應(yīng)用方面取得了較大的進(jìn)步，但相較于美國、法國等發(fā)達(dá)國家，我國虛擬農(nóng)業(yè)的研究應(yīng)用總體還相對(duì)落后，仍處于探索階段[3]。因此，了解我國虛擬農(nóng)業(yè)研究應(yīng)用現(xiàn)狀，分析發(fā)展所面臨的問題，提出推動(dòng)發(fā)展的對(duì)策，對(duì)助力數(shù)字農(nóng)業(yè)與鄉(xiāng)村信息化建設(shè)、加快農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化實(shí)現(xiàn)有一定意義。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與虛擬農(nóng)業(yè)

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，即VR技術(shù)，也被稱為靈境技術(shù)，是一種利用計(jì)算機(jī)創(chuàng)建虛擬世界的仿真體系[4]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的思想源于20世紀(jì)50年代、形成于20世紀(jì)80年代初期、發(fā)展于20世紀(jì)90年代，是依托計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)、力學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、機(jī)械學(xué)、生物學(xué)、美學(xué)等多學(xué)科，在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理與模式識(shí)別、語音處理與音響技術(shù)、人工智能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、并行處理技術(shù)和高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等信息技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來[5]，是融合多源信息，生成模擬環(huán)境，使用戶能夠體驗(yàn)交互式的三維動(dòng)態(tài)視景和實(shí)體行為。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有較強(qiáng)的多感知性、存在感、交互性以及自主性[6]。除了具備基礎(chǔ)的視覺感知外，還具有聽覺、觸覺、運(yùn)動(dòng)等感知，甚至還包括味覺、嗅覺的感知等，能夠給予用戶身臨其境、虛擬且真實(shí)的體驗(yàn)。目前，其應(yīng)用領(lǐng)域已涉及科學(xué)研究、教育培訓(xùn)、工程設(shè)計(jì)、影視娛樂、社會(huì)管理等眾多領(lǐng)域，被公認(rèn)為是21世紀(jì)能促使社會(huì)發(fā)生巨大變化的幾大技術(shù)之一[7]。

1.2 虛擬農(nóng)業(yè)

虛擬農(nóng)業(yè)，即VA，由虛擬現(xiàn)實(shí)延伸而來，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的一個(gè)分支，其實(shí)質(zhì)是對(duì)農(nóng)業(yè)信息關(guān)聯(lián)和流動(dòng)過程進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬和多維空間仿真,從而把一個(gè)真實(shí)的農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的空間實(shí)體,形象地搬到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中去,以便人們能進(jìn)入一個(gè)多維信息空間,實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)開發(fā)研究、生產(chǎn)管理等的完全計(jì)算機(jī)化[8]。虛擬農(nóng)業(yè)的過程是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過程，是信息化農(nóng)業(yè)發(fā)展的前沿技術(shù)，具有令人振奮的應(yīng)用前景。用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、可視化技術(shù)等技術(shù)模擬動(dòng)植物[9]，能在幾秒鐘內(nèi)完成模擬動(dòng)植物的生長過程，不僅最大程度上縮短了生長年限，還能系統(tǒng)地描述農(nóng)作物生長發(fā)育以及產(chǎn)量形成等生理生態(tài)過程與環(huán)境因素之間相互作用的數(shù)量關(guān)系，其創(chuàng)新了傳統(tǒng)的教學(xué)方式和科研方式，使農(nóng)業(yè)科普教學(xué)更加形象、直觀化。虛擬農(nóng)業(yè)可為提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和提高農(nóng)業(yè)科技持續(xù)創(chuàng)新能力提供技術(shù)支撐，是助力我國實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、農(nóng)業(yè)農(nóng)村信息化的重要技術(shù)手段之一。

2 我國虛擬農(nóng)業(yè)研究態(tài)勢(shì)

通過對(duì)中國知網(wǎng)2008—2020年收錄的“虛擬農(nóng)業(yè)”篇文摘檢索分析顯示：

2.1 虛擬農(nóng)業(yè)研究呈緩慢發(fā)展趨勢(shì)

從2008—2020年中國知網(wǎng)收錄的虛擬農(nóng)業(yè)文獻(xiàn)數(shù)量變化看(圖1)，期間我國虛擬農(nóng)業(yè)研究總體呈波動(dòng)緩慢上升趨勢(shì)。其中，2008—2010年、2013—2015年、2016—2018年呈階段性大幅增長，隨后呈現(xiàn)小幅減少。這一方面說明我國虛擬農(nóng)業(yè)研究在2008—2010年、2013—2015年、2016—2018年的人、財(cái)?shù)韧度朐鲩L幅度較大，而2010—2013年、2015—2016年、2018—2020年的人、財(cái)?shù)韧度朐鲩L幅度較小，致論文產(chǎn)出有所減少。

圖1 2008-2020年中國知網(wǎng)收錄的“虛擬農(nóng)業(yè)”文獻(xiàn)數(shù)量

2.2 虛擬農(nóng)業(yè)研究主要集中在高校

從2008—2020年中國知網(wǎng)收錄的虛擬農(nóng)業(yè)文獻(xiàn)來源機(jī)構(gòu)看(表1)，期間我國虛擬農(nóng)業(yè)研究總體集中在高等院校。其中，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)發(fā)文數(shù)量在眾多研究機(jī)構(gòu)中占據(jù)的比重最大，其次是華南農(nóng)業(yè)大學(xué)、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)、山東農(nóng)業(yè)大學(xué)。說明，高等院校擁有雄厚的科研力量和更高的科研水平，對(duì)虛擬農(nóng)業(yè)研究更加專注，是我國虛擬農(nóng)業(yè)研究的引領(lǐng)者和推動(dòng)者。

表1 2008-2020年中國知網(wǎng)收錄的“虛擬農(nóng)業(yè)”文獻(xiàn)發(fā)表機(jī)構(gòu)分布

3 虛擬農(nóng)業(yè)主要應(yīng)用領(lǐng)域

目前，我國虛擬農(nóng)業(yè)主要集中應(yīng)用于虛擬動(dòng)植物、虛擬農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、虛擬農(nóng)業(yè)教學(xué)推廣3個(gè)方面。

3.1 虛擬動(dòng)植物

虛擬動(dòng)植物是通過設(shè)備采集動(dòng)植物生長發(fā)育，以及環(huán)境因素等相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步整合量化，分析研究其自身生長規(guī)律和與環(huán)境之間的相互作用規(guī)律，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)動(dòng)植物個(gè)體或群體進(jìn)行建模，打造一個(gè)三維數(shù)據(jù)庫，使動(dòng)植物的生長發(fā)育過程能夠在三維虛擬空間內(nèi)呈現(xiàn)的過程。其能將動(dòng)植物的整個(gè)生長周期形態(tài)變化和空間規(guī)律在幾秒鐘內(nèi)進(jìn)行完整的模擬重現(xiàn)，大大縮短了動(dòng)植物的“生長周期”，能夠幫助用戶在短時(shí)間內(nèi)觀察分析動(dòng)植物生長規(guī)律，三維空間模擬場(chǎng)景幫助用戶更加直觀的研究分析，進(jìn)行育種試驗(yàn)，探索動(dòng)植物生長的規(guī)律和奧秘[10,11]。目前，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技文獻(xiàn)信息中心多媒體設(shè)計(jì)研究室已開展虛擬蘋果的研究，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)已開展虛擬小麥、玉米、棉花的研究。在作物生長模擬生產(chǎn)管理模型方面，我國已研制出水稻栽培計(jì)算機(jī)模擬優(yōu)化決策系統(tǒng)、棉花生產(chǎn)管理模擬與決策系統(tǒng)、土壤-植物-大氣中的水氣傳輸模型、谷物儲(chǔ)藏干燥模擬模型。

3.2 虛擬農(nóng)業(yè)生產(chǎn)

虛擬農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是通過對(duì)虛擬作物的數(shù)據(jù)收集，借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)模擬農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各生產(chǎn)要素以及生產(chǎn)管理。其可以忽視農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與研發(fā)過程中的長周期條件，而僅需通過生產(chǎn)內(nèi)容客觀生理?xiàng)l件與外在環(huán)境因素的數(shù)據(jù)輸入，完成整個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的管理與模擬[12]。楊國才[13]將其描述為計(jì)算機(jī)技術(shù)支撐下完成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與加工模擬的視覺再現(xiàn)系統(tǒng)。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院利用面向?qū)ο蟮奶摂M儀器開發(fā)工具開發(fā)了蘋果自動(dòng)分選系統(tǒng)—該系統(tǒng)可進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像采集與分析，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果控制不同等級(jí)電磁閥門的開閉，實(shí)現(xiàn)蘋果等級(jí)分選。虛擬農(nóng)業(yè)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化，無需自然生物的參與，節(jié)省了大量的人力物力[14]，通過生產(chǎn)過程的模擬，用戶可參與體驗(yàn)整個(gè)生產(chǎn)過程的實(shí)踐，可以幫助發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)和管理中存在的問題，進(jìn)而及時(shí)分析處理，有助于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、管理的合理優(yōu)化，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，進(jìn)一步促進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化。

3.3 虛擬農(nóng)業(yè)教學(xué)推廣

虛擬農(nóng)業(yè)在教學(xué)、推廣上創(chuàng)新了傳統(tǒng)通過視頻、文字記錄、平面展示等單一方式，提供了一種新形式展示教學(xué)與技術(shù)推廣，有效解決了在教學(xué)中存在的教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備稀缺的問題。目前，有多個(gè)有關(guān)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與果樹修剪相結(jié)合的研究，旨在幫助果農(nóng)迅速學(xué)習(xí)掌握果樹修剪的相關(guān)技術(shù)操作及注意事項(xiàng)[15]。在農(nóng)業(yè)類高校地教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，借助虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)特征，突破時(shí)間、地點(diǎn)等因素的限制[16-17]，通過運(yùn)用虛擬動(dòng)植物生長技術(shù)構(gòu)建虛擬農(nóng)場(chǎng)，能夠滿足學(xué)生在三維立體空間內(nèi)進(jìn)行實(shí)時(shí)互動(dòng)，多個(gè)角度觀測(cè)動(dòng)植物生長狀態(tài)、生長過程，系統(tǒng)性的進(jìn)行虛擬動(dòng)植物以及虛擬農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理等操作學(xué)習(xí)，給予學(xué)生極強(qiáng)的交互體驗(yàn)與沉浸感，可進(jìn)一步提升學(xué)生的科研創(chuàng)造力。虛擬農(nóng)業(yè)推廣增強(qiáng)了農(nóng)業(yè)知識(shí)以及生產(chǎn)技術(shù)示教、推廣的趣味性與智能化，能夠使學(xué)者提升學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，有效掌握動(dòng)植物生長與環(huán)境之間的內(nèi)在聯(lián)系，幫助學(xué)者更加容易的接受和掌握先進(jìn)農(nóng)業(yè)技術(shù)，促進(jìn)農(nóng)業(yè)知識(shí)與技術(shù)傳播、繼承與推廣。

4 我國虛擬農(nóng)業(yè)研究的挑戰(zhàn)及對(duì)策

4.1 關(guān)鍵技術(shù)難度較大，需強(qiáng)化科研力量

我國虛擬農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用處于初步階段，研究發(fā)展及研究利用水平與發(fā)達(dá)國家相比相對(duì)落后。目前對(duì)虛擬農(nóng)業(yè)相關(guān)技術(shù)研究進(jìn)行力量投入的主要為中國科學(xué)院，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)等頂尖科研院校，而企業(yè)等的研究機(jī)構(gòu)力量投入相對(duì)較少。需強(qiáng)化科研力量的投入，繼續(xù)壯大我國虛擬農(nóng)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)、軟件硬件科研水平，促進(jìn)技術(shù)理論突破，發(fā)揮研究院及高校對(duì)于虛擬農(nóng)業(yè)相關(guān)研究的引領(lǐng)支撐作用，增強(qiáng)相關(guān)技術(shù)的溝通交流與合作共享。

4.2 涉及的技術(shù)內(nèi)容多，需強(qiáng)化多學(xué)科人才培養(yǎng)

虛擬農(nóng)業(yè)涉及的技術(shù)內(nèi)容多，需要研究人員兼具虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)相關(guān)技術(shù)知識(shí)，而目前既掌握虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)又掌握農(nóng)業(yè)技術(shù)的復(fù)合型研究人才缺乏，需要建立虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與農(nóng)業(yè)技術(shù)研究人員結(jié)合進(jìn)行研究的有效機(jī)制。同時(shí)，需優(yōu)化人才培養(yǎng)手段，加強(qiáng)跨學(xué)科復(fù)合型人才培養(yǎng)，以提升虛擬農(nóng)業(yè)技術(shù)研究應(yīng)用水平。

4.3 成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用較低，需提高成果的適用性

我國虛擬農(nóng)業(yè)研究成果目前大部分仍停留在試驗(yàn)室階段，真正用于解決生產(chǎn)實(shí)際問題的成果還很少。需提高成果的適用性，加強(qiáng)研究成果的應(yīng)用轉(zhuǎn)化，使其在提高生產(chǎn)管理、科研效率中真正發(fā)揮作用。

4.4 缺乏系統(tǒng)性政策支持，需建立完善的資金支持制度

我國虛擬農(nóng)業(yè)仍處于初步探索階段，研究機(jī)構(gòu)相對(duì)分散，水平各不相同，由于缺乏系統(tǒng)化的政策支持和整體規(guī)劃布局，連續(xù)有效的研究體系未能真正形成。另外，虛擬農(nóng)業(yè)研究所需技術(shù)及設(shè)備需要巨大的資金投入，在短期內(nèi)效益較低。因此，需建立完善的政策支持和資金投入保障制度，加大對(duì)虛擬農(nóng)業(yè)研究的資金投入，提高研究的系統(tǒng)性和適用性。

5 小結(jié)

虛擬農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新的一大戰(zhàn)略任務(wù)，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與農(nóng)業(yè)領(lǐng)域相融合的產(chǎn)物，其將農(nóng)業(yè)動(dòng)植物生長周期精煉呈現(xiàn)，提升了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理研究效率，解決了教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備短缺的問題。我國要抓住時(shí)代發(fā)展的機(jī)遇，積極應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)，結(jié)合我國國情，將虛擬農(nóng)業(yè)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的各個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換，推動(dòng)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，促進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)。