虚拟农业

虚拟植物技术

20世纪60年代以来，随着虚拟现实技术的不断发展，虚拟植物的研究正逐步成为国内外农业研究的重点和热点，在此基础上发展起来的虚拟作物研究是目前作物模拟研究的前沿领域，具有重要的理论意义和广泛的应用前景。虚拟作物是利用计算机模拟作物生长过程，获得植物生理生态和形态结构并行过程的综合结果，采用三维动画模拟作物的生长过程，并输出作物的形态生理参数及其相互关系，其主要特征是以作物个体为研究中心，以作物的形态结构为研究重点，建立三维模型以可视化的方式反映作物的形态结构和形成规律。它利用虚拟现实技术、计算机图形学、作物生理学、作物生态学、作物栽培学等技术和理论建立数学模型，定量而系统地描述作物生长发育、器官建成和产量形成等生理生态过程及其与环境之间相互作用的数量关系。在此基础上把实验或数值计算获得的大量抽象数据转换为人的视觉可以直接感受的计算机图形图像，从而建立作物形态的三维模型，并模拟作物在三维空间中的生长发育过程。其研究的关键和难点是如何提取作物的几何形态和发育动态信息，建立基于过程的数学模型，进而在计算机上形成具有逼真的生育动态，并能反映作物随环境变化的可视化三维模型。其核心部分是由作物三维生长模拟模型、作物知识模型和作物3D模型库三部分构成。目前虚拟作物模型的研究表现为由简单到复杂、由静态到动态、由经验型到机理型的发展态势，从而为研究虚拟作物可视化技术提供了良好的技术支撑和应用前景。虚拟作物研究的作用和意义可概括为以下几个方面:

1)快速模拟作物的整个生长周期，不必用很长时间实地种植作物和观察分析。

2)可以获得作物生长过程中的各参数动态，为精确生长管理提供定量化依据。

3)结合现代生物技术，为作物株型设计和基因型改良提供指导。

4)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。

5)应用虚拟植物(农作物)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。

6)可建立虚拟农场，在计算机上种植虚拟作物和进行虚拟农田管理调控，有利于教学和农业科技推广。

虚拟植物的技术方法及典型实例

1 L-系统

L-系统其本质是一种符号重写系统, 即用一个重写规则逐步替换初始对象的各个部分来确定一个复杂的对象。它从一个起始字符串, 即公理(axiom) 出发, 通过产生式规则(production) 进行逐步迭代, 生成一个字符发展序列, 然后, 把字符发展序列表现为图形的形式, 即生成了植物的拓扑结构, 最终生成植物形态。

L-系统一直处在不断的完善和发展当中[5], 已经由最初的只能表达严格迭代过程的D0L 系统, 逐步发展成为能够模拟植物器官相关性的上下文相关L-系统( Context-sensitiveL-systems), 可构造随机拓扑结构的随机L-系统( StochasticL-systems), 可模拟植物生长发育过程和开花顺序的参数L-系统( Parametric L-systems), 以及能够模拟植物与外界环境之间的信息交互作用的开放式L-系统( Open L-systems) 等。

L-系统是最早也是应用最普遍的一种建模方法, 基于它开发的软件也很多。如: 澳大利亚Queensland 大学的CPAI 研究中心开发的VirtualPlants, 已用于定性地模拟棉花、大豆、玉米等农作物的生长过程及植物根系的生长和病虫害对植

物生长的影响。但该软件目前还不能应用于农林业的实际生产, 只能定性地模拟。另外, 加拿大的Calgary 大学开发的CPEG 、L-Studio 和VirtualLaboratory 软件, 是基于L-系统的一种建模方法, 已用于L系统与植物形态关系、计算机辅助景观设计、植物学教学等方面。

近年来, 一些学者以L-系统为基础, 对棉花、大豆、玉米、大麦、高粱等进行了模拟,Watanabe等还介绍了虚拟水稻的数据获取方法,C.Fournier 等人依据L-系统和计算机图形学实现了对玉米生长发育过程的三维结构模拟, 对玉米生长过程进行了研究。Mech等应用开放式L-系统模拟了相邻植株之间和同一植株不同器官之间的相互遮蔽和光竞争等。国内的一些学者也从理论上和三维实现上进一步发展了L-系统, 如陆汝铃等人提出了广义L-系统, 胡海英、李世伟等人用L-系统实现了逼真的三维植物模型等。

L-系统经过不断的发展, 已经成为一种应用广泛、功能强大的植物模拟方法, 它强调计算机图形学与植物生长机理的结合。但是, 这种方法也存在着一些缺陷。一方面,L-系统生成一个字符发展序列是一个并行迭代过程, 这和植物并行生长的特征相吻合。基于这个特点, 用L-系统模拟植物的生长, 提取其生长规则是关键, 由于高大植物的生长规则不易提取, 所以L-系统不能很好的模拟高大植物; 另一方面, 在L-系统具体编程实现时, 形式语言的表示方法比较复杂, 而且由于在产生式中同时描述植物的几何结构信息和拓扑信息, 理解和使用也比较困难。

2 分形方法

分形方法是由B.B.Mandelbrot 在20 世纪70 年代首先提出的, 用来描述具有自相似性的自然碎片或不规则结构。利用分形法构建植物模型, 其主要原理是应用分形理论构建具有自相似性的植物的拓扑结构。其主要建模方法有: 迭代函数系统(Iterated function system,IFS) 、分枝矩阵(Ramification matrix) 、粒子系统(Partialsystem) 、正规文法方法、A 系统(A-system) 和Oppen-heimer 提出的特定的分形方法。

Oppen-heimer 在使用分形的方法来构造树木模型时, 为了避免分行中的自相似性, 他通过定义各级枝条的偏转角度、锥度、螺旋状扭曲以及子干与母干之间的尺寸比等参数, 在每个递归层次上使用同一描述, 并引入了一些随机变量。Barnsley 和Demko 用IFS 方法生成了具有极强自相似特征的蕨类植物叶片。Chen 等人利用分形方法建立了杨树的虚拟模型, 模拟了杨树生长过程中叶面积和叶倾角的空间分布, 并将虚拟的杨树群体投射到平面上, 对所生成的图像采用数值影像分析系统进行处理, 研究了杨树冠层的光传输规律。分形方法虽然能较好地模拟具有自相似性特征的植物, 但是这种方法更侧重于计算机图形学, 是应用尽量少地植物学知识, 方便快捷地生成具有形似特征地植物, 所以这种方法不适合模拟真实植物的整个生长过程, 对与植物生理生态机理相联系的一些规律的提取贡献不大。

3 自动机模型

自动机模型, 又称参考轴技术, 它是由法国农业发展国际会议中心(CIRAD) 的DeReffye 等人提出的, 是一种模拟植物生长过程的典型随机过程方法。它通过马尔可夫链理论以及“ 状态转换图”方式描述植物生长、发育、休眠、死亡等过程。Godin 等在此基础上提出了能够以不同的时间长度来描述植物拓扑结构的多尺度意义下的植物拓扑结构模型[17] 。这种模型, 具有建模方法物理意义明确、数据输入简单、过程分析直观等特点。赵星等进一步发展了双尺度自动机模型( dual-scal automation)。该方法基于植物的生长机理, 根据植物的生理年龄来组合植物的生长参数, 以简便通用的方式来表达各种植物的构造模型。基于参考轴技术, 由法国CIRAD 的DeReffye 等建立的AMAP 软件系统也是目前应用较广的一种建模软件。AMAP 系统将全球植物划分为20 多个基本结构模型, 对于任何一种植物, 首先分析并确定其结构基本模型, 然后利用多尺度树形图进行植物拓扑结构的描述与模拟。该系统包含了若干个子系统, 以完成不同的功能, 它具有功能强大的数据采集与分析模块, 适合高大植物(如各种类型的树)的模拟。目前,AMAP 软件主要应用于景观设计领域, 如建筑环境的整体规划, 园林的景物布局等。

参考轴技术是目前除了L-系统外, 与植物生长机理联系较大的另一种模拟方法, 它弥补了L-系统难于模拟高大植物的缺点。但是, 参考轴技术不容易描述与生长周期有关的一些植物生长特点, 如生长节律、生长延迟等, 而且描述植物时需要较多的状态参数。赵星在此基础上发展的双尺度自动机模型, 虽然植物生长参数根据生理年龄归类, 大大简化了生长参数, 但是由于植物种类繁多, 生长机理复杂, 除了对植物生长过程进行大量的观察和测量外, 还必须研究双尺度自动机模型与具体植物的生理生态模型有机结合的问题。

4 三维重建

三维重建技术是基于三维数字化仪的产生, 三维数字化仪产生于20 世纪90 年代, 是基于声学、光学、磁学等原理研制的能够快速、准确获取物体三维坐标的一种仪器。近几年, 基于激光、微型雷达技术的三维数字化技术也已经出现, 这些方法成熟后, 将能够实现对植物形态结构的快速、精确、非接触的监测。植物三维重建是指应用三维数字化仪获取植物器官的三维空间坐标, 然后直接将这些数据输人计算机, 进行植物在实际三维空间的形态反演, 它的模拟效果与测量植物空间数据仪器的精度密切相关。这类模型可用来研究与植物空间结构相关的一些性质, 例如:Smith 等, 依据测量数据, 实现了猕猴桃果实与藤架形态结构的三维重建, 并采用不同颜色来表征果实及其各项属性, 如用深浅不同的红色表示果实的糖分含量, 由此分析了植株的空间结构与果实的物理、化学成分, 产后品质等的相关关系。Ivanov与Andrieu 等利用两个照相机获取玉米冠层的结构数据, 对其进行了三维重建, 并分析了冠层的光能利用。Pommel 等对不同行株距的玉米冠层进行三维重建后, 分析了不同行株距下冠层的光分布。郭炎等利用三维数字技术对不同生育期玉米冠层形态结构进行了精确测定, 然后建立了玉米可视化模型, 用来分析玉米冠层的三维结构特征和形态结构对玉米冠层空间光分布的影响。

植物形态的三维重建能够精确地再现植物的形态结构, 分析与植物形态结构有关的定性、定量特征及生理生态过程, 如进行植物冠层光截获的分析、农田作物蒸腾的研究等。要注意的是, 由于建立的是静态模型, 所以不能反映植物形

态结构的动态规律和预测植物结构的动态变化, 另外, 植物的三维重建需要直接使用大量的测定数据, 而且目前用于测定三维坐标的仪器价格也较为昂贵。

存在的主要问题及发展趋势

到目前为止，以植物为研究对象的建模方法远远没有达到最佳效果，形态发生模型与生理生态模型的集成研究工作还很少。由于植物生长的复杂性，使得总结植物生长规律、建立植物生长过程中的生理生态数理关系都有待进一步发展研究。建模体系方法的简易性、可理解性和定量化能力将是确定该体系方法是否完善的主要考察目标，另外的一个主要问题就是植物模型用于实际的可靠性程度。要使建立的模型有效，首先依赖于建立模型的模式质量和有效性，其次是模型的检验过程。目前，验证模型的方法很多，如人工神经网络法、模糊系统法、遗传算法、最小二乘法等方法，但是对植物生长机理的模拟还缺少在验证方面的系统性研究工作。绘制植物的形体较为复杂（比如卷心菜的叶子交错缠绕，以及碟形、轮状花冠等比较复杂的花形），其仍然是植物可视化研究的重难点。另外，植物在外力作用下的动态变化可视化技术还处于初始发展的阶段。植物生长的建模、仿真和可视化研究及应用在过去的几十年里已经取得了相当大的成就，但大多数模型都有或多或少的缺点，需要进一步改进和完善。最有效的方法就是在原来建立模型的基础上进行优化组合，去粗取精。另外，还要进一步将成功的模型推广到实践中。

今后的研究可能有几个方面的趋势。

( 1) 建模方法将进一步完善

各类建模方法, 除了发展各具的优点外, 还会针对存在的缺点不断完善, 逐步形成功能强大的专用模型, 在此基础上会向通用模型转变。

( 2) 植物形态模拟将进一步细化

随着计算机可视化技术的不断提高, 对于植物形态的模拟将在原基础上更加精细化。如叶片的卷曲、叶片上的绒毛和蜡质层等, 再如, 如何表现植物随风摇曳或随季节发生的形态变化等, 都有待于进一步的发展和研究。

( 3) 形态发生模型与生理生态模型将进一步融合

单纯植物外形的模拟目前已日趋成熟, 可以生成非常漂亮的植物图形。但是, 相对于植物外形特征来讲, 它的生理生态特征的研究将更有意义。所以, 今后需要研究如何建立能真实反映植物生长机理的生理生态模型( 如光合作用合呼吸作用模型) 及植物生长环境模型( 如光照、土壤、水肥等模型), 并在此基础上, 实现各类模型的有机结合。

( 4) 虚拟根系研究将受到重视

根系作物植物生长的一个重要器官, 由于生长在地下, 特征不易提取, 在形态模拟中可以被忽略, 但是, 根系作为整个植株的一个重要部分, 在生理生态模型的建立中绝不可省, 所以根系研究这个难点势必会被逐步攻破。

( 5) 虚拟植物的研究和其他各学科领域联系将更加紧密

虚拟植物的研究涉及多学科领域, 如计算机图形学、农学、应用数学、植物学、生态学等, 尤其与前三种学科领域联系密切, 相辅相承。虚拟植物研究的不断深入和发展将有效地推动其他相关学科的发展, 另外, 虚拟植物模型与遥感技术和地理信息系统相结合, 建立综合的资源环境分析评价系统也是今后虚拟植物应用的另一个发展趋势。