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虚拟农业与虚拟现实
2010年3月16日    评论:    分享:

陈沈斌 孙九林   中科院自然资源综合考察委员会,北京

 

     摘要 本文提出了虚拟农业的概念,虚拟农业技术系统的一般结构、组成和应用设想,特别指出了虚拟农业与虚拟现实的区别与联系,以及开展虚拟农业研究的意义和价值,科学数据库在虚拟农业中的作用。

 

     1 引言

 

     S-863高技术规划、农业领域中的农业信息技术组讨论过程中提出了虚拟农业的概念(199611),经过多次论证,已经列入S-863先期启动计划。

 

     石元春[1]先生在“迎接农业的新技术革命”中指出,计算机和信息技术将使“从事生物性生产的农业的分散性、地域性、变异性、经验性以及稳定性和可控程度差等的影响自身发展的行业性弱势得到全面的改善。”信息技术和其它技术的发展,“拉开了新的农业技术革命的序幕”。虚拟农业正是基于石元春先生指出的传统农业的某些特点提出来的,是农业研究方法的革新,它将可以充分地发挥农业科技人员的智慧和想象力,提高农业领域研究的效率,促进农业的发展。虚拟农业的实现需要大量的背景数据,例如,土壤、水分、气象等,科学数据库可以充分发挥其作用。虚拟现实技术是近年来信息技术中的一个热门话题,虚拟农业与虚拟现实(根据目前的某些定义)有联系,又有不同,为了阐明其特点,先从虚拟现实谈起。

 

     2 虚拟现实(VRVirtual Reality)

 

     美国某杂志在评选影响未来科技水平十大因素时,Internet排在第一,虚拟现实技术排在第二,VR可能成为未来最重要的技术之一,可能在教育、工程、商业、医疗、⋯⋯,各领域发挥重要作用,相比较而言,VR还未象Internet为大家所熟悉。先举一个例子:

 

     19908月伊拉克闪击科威特后,美国立即实施“沙漠盾牌”计划,先后向海湾地区调集海空作战飞机950架,美国凭借电脑虚拟现实技术反复进行模拟空袭演习,飞行员非常熟悉战区情况,为美国海空飞行员在“沙漠风暴”行动中一举成功奠定了基础。

 

     在该行动中电脑虚拟现实是采用侦察卫星拍摄的战区地形和军事目标数据资料制成虚拟现实图,飞行员坐在仿真的架驶舱中(所有的仪表,操纵杆都和真的战斗机完全一样),面对虚拟战区环境进行训练,其结果已众所周知。

 

     该系统被称之为飞行仿真虚拟现实系统,它由四部份组成[2]:① 飞行员的操纵舱系统;② 显示外部图像的视觉系统,又由“图像产生部”和“视觉显示部”组成;③ 产生运动感的运动系统;④ 计算和控制飞行运动的计算机系统。

 

     ②、③构成飞行员的虚拟现实的感觉。这种系统的研制有重要的经济价值,也是目前发展比较完善的虚拟现实技术。现代的战斗机和客机都有极其复杂的电子设备、导航系统、动力系统、还有劳动密集的装配技术、特种材料、耐用计算机、可靠的通讯、自动着陆、安全等诸多要求,远比50年代飞机复杂的多,使用这种飞机或制造这样飞机的教练机是极不合算的,因此就有了仿真、虚拟现实的要求。

 

     2.1 虚拟现实和仿真的定义

 

     到目前为止,还没有一个公认的虚拟现实的定义,这里引用几条:

 

·     计算机产生三维空间,令人们如身临其境,可以操纵,并可以相互交流[3]

 

     ·是人与计算机生成的虚拟环境的交互作用的技术手段[4]

 

     ·人—机(计算机)交互工具,这种工具的创造或设计是基于人与周围真实世界的交互方式的[2]

 

     尽管虚拟现实技术的定义有所不同,但其主要特征是以人为核心,使人身临其境,并能进行相互交流、实时操作,有如在真实世界中的感觉。

 

     仿真(Simulation),也常称之为“模拟”,今天,一个比较流行于工程技术界的技术定义是:通过对系统模型的实验去研究一个存在的或设计中的系统(还可能有别的定义)。这里指的系统是广义的,即相互制约的各个部分组成的具有一定功能的整体[5]

 

     可以看出虚拟现实与仿真即有联系又有区别,虚拟现实需要仿真,仿真不一定是以人为核心、有身临其境的感觉,如三维地形仿真等。

 

     2.2 虚拟现实的一般结构

 

     虚拟现实技术应用的范围极广,根据目标不同,可以有不同的系统产生,以人为核心的虚拟现实技术的一般结构如图1

 

     由图1可知,虚拟现实的关键部分是传感器、交互式控制系统和虚拟环境。传感器是使人产生身临其境感觉的相关设备,目前研究集中在视觉(如头盔式立体显示器)、手感(如数据手套)、身体感觉(如数据衣)传感器上,相对来说语言、听觉部分技术比较成熟,而嗅觉和脚的传感器研究相对较弱。

 


图1 虚拟现实结构图

 

     2.3 虚拟现实的应用领域

 

     近年来冠以“虚拟”的词组越来越多,在医学上虚拟诊断、虚拟解剖;在建筑领域,虚拟住宅,虚拟城市;在艺术领域,虚拟艺术作品展;在交易市场,虚拟证券交易;在教育领域,虚拟教室、虚拟图书馆;在工程领域,新波音-777是第一架用虚拟技术设计和试验的飞机;在娱乐业,虚拟娱乐、影视长廊变成“虚拟中心”;在宗教界,基督教大师与虚拟现实开发商谈论创造虚拟圣经背景;在军事领域,发展的更为迅速。虚拟现实技术在某些领域已经得到了有效的发展,在另一些领域正在构思,孕育着它的发展,根据现有的、已实现的技术和正在研究的虚拟现实技术,可以说,只要我们能想象得到的,就能应用虚拟现实技术,只怕我们想象力有限。

 

     2.4 虚拟现实的意义

 

     虚拟现实技术很显然有重要的经济价值,如飞行仿真虚拟现实系统,它可以缩短研究和试验的时间,提高效率,甚至影响未来人类的生活。

 

     创造虚拟现实,首先要认识真实的现实,然后更好地认识现实,并改进现实或改造现实。

 

     3 虚拟农业(Virtural AgricultureVA)

 

     在新西兰Hort研究所一个研究小组的电脑屏幕上,几维果(猕猴桃)树发芽、长大、叶片展开、花儿盛开、果实开始成长——一整年的生长周期被缩至不到1分钟的时间[6]。该研究小组正在研究几维果的果实的甜度与叶片之间距离的关系,果树专家们都知道,果实的甜度与它距离叶片的远近有关,因树叶是果实中糖分的主要来源[7]。在上述虚拟画面中,藤蔓上几维果慢慢转为深浅不同的红色,在最厚的天蓬下面、苗木内部发出最红的颜色——它表示最甜的几维果[6],同时还可以计算出在该叶片上一定比例的面积被虫咬过后,它向果实输送的糖量会受到怎样的影响。该系统人们称之为虚拟几维果树。目前他们还在积极寻找一种即能对付虫害而又不污染环境方法,并试图改变农作物形状或叶子形状的办法,达到消灭害虫藏身处或觅食途径来减少害虫侵袭,有利于人类及环境的虚拟作物的实现,然后再寻找相应基因,把它们转移到真实的农作物中去。

 

     虚拟作物的实现将改变作物的培育方式,结出理想品质的果实,它将成为农业参与竞争必不可少的工具,甚至改变销售方式。为此新西兰几维果销售局给Hort研究所160万新西兰元课题捐款用于开发虚拟作物。根据目前农业科技和信息技术的发展,广义的虚拟农业是可以实现的。

 

     3.1 虚拟农业的定义

 

     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、增产等为目的技术系统,其成果应接受实践的检验。

 

     3.2 虚拟农业的一般结构(以作物为例)

 

     一般结构

 

     虚拟农业根据研究对象的不同,可以有不同的系统结构,虚拟作物结构如图2。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。

 

     组成

 

     在这里可以看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:

 

        a. 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)

 

        b. 3D作物模型(虚拟对象模型)3D环境模型;

 

        c. 作物(虚拟对象)传感器(根、茎、叶)

 

        d. 作物(虚拟对象)与虚拟环境间相互作用——专家系统、模型等;

 

        e. 人作为外部因子用对作物(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。

 


图2 虚拟农业一般结构

 

     3.3 虚拟农业与虚拟现实的联系与区别

 

     区别

 

     a. 从目前虚拟现实的定义来看,是以人为核心,使人有身临其境的感觉,因此为达到这种感觉就要研究数据手套、数据衣、数据鞋、视觉头盔等。

 

        虚拟农业是以农业领域事物(农作物、畜、禽、鱼、资源高效利用、农产品市场等)为核心(虚拟对象)营造它们的环境,建立它们与环境之间的相互作用系统,相应地有虚拟对象的感觉系统。

 

     b. 由于在虚拟现实系统中,以人的感觉为依据,而实现人的感觉的细腻程度其难度可想而知,但无论如何人可以交流,并可以不断改进来逼近人的感觉。

 

       虚拟农业是以农业事物为对象,其对外界环境的感觉同样是细腻的,因为它们中的大部分是生物,人对它们本身及它们与它们的环境间的认识是间接的,它反映的是科学家对虚拟对象的认知水平,从这个角度来说虚拟农业有更大的难度。

 

     联系

 

        a. 拟农业是受到虚拟现实思想的启发提出来的;

 

        b. 虚拟农业应该是虚拟现实中的一个分枝;

 

        c. 无论是虚拟农业还是虚拟现实都是以信息技术为基础的;

 

     3.4 虚拟农业的应用设想

    

     从广义来说虚拟农业象虚拟现实一样,只要你能在农业领域想象到的都可以用虚拟农业来实现就怕你的想象力有限,但在实践上我们应该首先聚焦在与国计民生有重要意义的项目中来,如:

 

     以水稻、玉米、小麦、大豆、棉花等主要农作物的高产、稳产、品质、品种为目的虚拟; 以提高猪、牛、羊、鸡、鱼等主要肉类产品的品质、产量为目的虚拟,以及新品种的虚拟;

 

     以提高设施农业利用效率为目的虚拟;

 

     以提高资源综合利用效率为目的虚拟;

 

     以农产品市场为对象的虚拟,等。

 

    3.5 虚拟农业与科学数据库

 

     虚拟农业含盖的范围比较广,针对不同的虚拟对象,采用的方法有所不同,但对农业资源环境等方面的数据的需求是一致的,科学数据库的发展能满足虚拟农业的需求,可以成为它的一个支持系统。

 

     3.6 虚拟农业的发展

 

     虚拟农业是一种技术手段,将象虚拟现实一样会得到很大的发展。我们认为初期阶段,不需要虚拟农业都保持很高的真实性。实际上完美的真实性对于目前的认知水平是不现实的,因此首先应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,由浅入深的方式逐步完善,同时虚拟农业研究应形成虚拟农业技术的理论和方法,科学数据库可以成为虚拟农业的支撑系统。

 

     4 讨论

 

     总的来说,虚拟农业是农业科学和信息技术相结合的产物,开辟了农业研究方法的新途径,是一个新的研究方向,刚刚起步。

 

     (1) 虚拟农业是农业知识和信息技术的集成。根据虚拟对象的不同,可以有不同的系统,但都涉及虚拟农业对象及其环境的科研成果的认知水平,实现虚拟对象和其虚拟环境,以及它们相互作用的信息技术和方法,是知识和技术的综合集成。

 

     (2) 虚拟农业的研究应以涉及国计民生的主要农作物,主要畜、禽、鱼,资源高效利用和环境改良等项目为主要研究对象。

 

     (3) 虚拟农业研究是一项很有价值的技术,可以缩短农业领域重大项目研究的时间,节约经费,有很好的推广价值。

 

     (4) 虚拟农业需要科学数据库的支持,不断完善科学数据库中的各种农业数据将成为它的研究基础。

 

     (5)虚拟农业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。

 

     (6) 虚拟农业概念刚刚提出,需要进一步研究,本文提出的一些观点不一定正确,供有兴趣这方面研究的科技工作者参考。

 

    

 

1〕石元春,迎接农业的新技术革命,中国科学报,1997.5.2.

2 John. C. Briggs虚拟现实的展望,The Futurist1996.91996.10 world science1996.4.

3〕什么是虚拟现实,中国科学报,1997.3.5.

4〕曾建超、俞志和著,虚拟现实技术及其应用,清华大学出版社,1996.3.

5〕王正中、屠仁寿著,现代计算机仿真技术及其应用,国防工业出版社,1991.3.

6 Tim Thwaites,虚拟耕作,New Scientist 1995.5.27,徐俊培编译,world science 1996.2.

7〕李春才,电脑“长”出农作物,百科知识,1997.1.􀀛

标签:虚拟农业虚拟现实科学数据库
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