計算機在農業(yè)上的應用第七章虛擬農業(yè)43

1、 第七章 虛擬現(xiàn)實技術在農業(yè)上的應用計算機在農業(yè)上的應用計算機在農業(yè)上的應用計算機在農業(yè)上的應用周美蘭周美蘭湖南農業(yè)大學農學院湖南農業(yè)大學農學院12/30/20211湖南農業(yè)大學農學院第七章 虛擬現(xiàn)實技術在農業(yè)上的應用 計算機在農業(yè)上的應用第七章第七章 虛擬現(xiàn)實技術虛擬現(xiàn)實技術在農業(yè)上的應用在農業(yè)上的應用w第一節(jié)第一節(jié) 虛擬現(xiàn)實技術與虛擬農業(yè)虛擬現(xiàn)實技術與虛擬農業(yè)w第二節(jié)第二節(jié) 虛擬現(xiàn)實技術在農業(yè)上的應用虛擬現(xiàn)實技術在農業(yè)上的應用w第三節(jié)第三節(jié) 虛擬植物生長的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢虛擬植物生長的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢12/30/20212湖南農業(yè)大學農學院 周美蘭第七章 虛擬現(xiàn)實技術在農業(yè)上的應用 計

2、算機在農業(yè)上的應用虛擬農業(yè)信息資料查閱虛擬農業(yè)信息資料查閱12/30/20213湖南農業(yè)大學農學院 周美蘭第七章 虛擬現(xiàn)實技術在農業(yè)上的應用 計算機在農業(yè)上的應用第一節(jié)第一節(jié) 虛擬現(xiàn)實技術與虛擬農業(yè)虛擬現(xiàn)實技術與虛擬農業(yè)w一、一、 虛擬現(xiàn)實技術的由來與概念與概念虛擬現(xiàn)實技術的由來與概念與概念( (一一) )虛擬現(xiàn)實虛擬現(xiàn)實( (二二) )虛擬現(xiàn)實的基本特征虛擬現(xiàn)實的基本特征w1 1、是多感知性、是多感知性 w2 2、是沉浸感、是沉浸感 w3 3、是實時交互性、是實時交互性w4 4、是自主性、是自主性 w二、二、 虛擬農業(yè)虛擬農業(yè)12/30/20214湖南農業(yè)大學農學院 周美蘭第七章 虛擬現(xiàn)實技

3、術在農業(yè)上的應用 計算機在農業(yè)上的應用一、虛擬現(xiàn)實技術的由來與概念一、虛擬現(xiàn)實技術的由來與概念1965年,Suther land首次提出了具有交互圖形顯示，反饋設備以及聲音提示的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的基本思想;1966年,美國正式開始了頭盔式顯示器的研制工作; 1970年,出現(xiàn)第一個功能較齊全的頭盔式顯示器系統(tǒng); 20世紀80年代初,Jaron Lanier提出了虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality,VR),美國宇航局及國防部組織了一系列有關虛擬現(xiàn)實技術的研究,并取得了顯著成果，引起了對虛擬現(xiàn)實技術的廣泛關注。 虛擬現(xiàn)實技術在農業(yè)領域中的應用,展示了虛擬農業(yè)巨大的應用潛能。12/30/20215湖

4、南農業(yè)大學農學院 周美蘭第七章 虛擬現(xiàn)實技術在農業(yè)上的應用 計算機在農業(yè)上的應用 （一）虛擬現(xiàn)實（一）虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality） 是指利用計算機技術生成一個逼真的、具有視覺、聽覺、是指利用計算機技術生成一個逼真的、具有視覺、聽覺、觸覺等效果的可交互的、動態(tài)的世界觸覺等效果的可交互的、動態(tài)的世界, ,人們可以對該虛擬世人們可以對該虛擬世界中的虛擬實體進行操縱和考察；它是信息科學領域一類新界中的虛擬實體進行操縱和考察；它是信息科學領域一類新興的工程技術興的工程技術, ,是在計算機圖形學、計算機仿真技術、人機是在計算機圖形學、計算機仿真技術、人機接口技術、傳感技術、多媒體技術和網絡通

5、信技術及面向對接口技術、傳感技術、多媒體技術和網絡通信技術及面向對象技術和智能決策支持系統(tǒng)的基礎上象技術和智能決策支持系統(tǒng)的基礎上, ,發(fā)展起來的一門交叉發(fā)展起來的一門交叉學科。學科。虛擬現(xiàn)實虛擬現(xiàn)實作為當今計算機最熱門的技術之一作為當今計算機最熱門的技術之一, ,極大地突破了極大地突破了事物表達的傳統(tǒng)方法的局限事物表達的傳統(tǒng)方法的局限, ,使過去認為只擅長處理字化單使過去認為只擅長處理字化單維信息的計算機發(fā)展為能處理適合人的特性的多維信息維信息的計算機發(fā)展為能處理適合人的特性的多維信息, ,使使人們可以將想象的環(huán)境虛擬實現(xiàn)人們可以將想象的環(huán)境虛擬實現(xiàn), ,并可以在其中以最自然的并可以在其中以

6、最自然的動作與這種虛擬現(xiàn)實進行交流。動作與這種虛擬現(xiàn)實進行交流。12/30/20216湖南農業(yè)大學農學院 周美蘭第七章 虛擬現(xiàn)實技術在農業(yè)上的應用 計算機在農業(yè)上的應用（二）虛擬現(xiàn)實的基本特征（二）虛擬現(xiàn)實的基本特征w1 1、多感知性、多感知性w 除了一般計算機技術所具有的視覺感知外除了一般計算機技術所具有的視覺感知外 , , 虛擬現(xiàn)實技術虛擬現(xiàn)實技術還有聽覺感知、力覺感知、觸覺感知還有聽覺感知、力覺感知、觸覺感知 , , 甚至味覺感知、嗅覺感甚至味覺感知、嗅覺感知等知等 。 w2 2、沉浸感、沉浸感 w 人在虛擬環(huán)境中人在虛擬環(huán)境中, ,可以獲得有如身在真實世界中的逼真感覺?？梢垣@得有如身在

7、真實世界中的逼真感覺。w3 3、實時交互性、實時交互性w 人在虛擬環(huán)境中不只是被動地感受人在虛擬環(huán)境中不只是被動地感受 , , 還可以采取現(xiàn)實生活還可以采取現(xiàn)實生活中習以為常的方式來操縱模擬場景中的物體中習以為常的方式來操縱模擬場景中的物體 。w4 4、自主性、自主性 w 自主性是指虛擬環(huán)境中物體依據物理定律動作的程度自主性是指虛擬環(huán)境中物體依據物理定律動作的程度 , , 例例如如 , , 當受到力的推動時當受到力的推動時 , , 物體會沿力的方向運動。物體會沿力的方向運動。12/30/20217湖南農業(yè)大學農學院 周美蘭第七章 虛擬現(xiàn)實技術在農業(yè)上的應用 計算機在農業(yè)上的應用二、虛擬農業(yè)二、

8、虛擬農業(yè)w從廣義來說從廣義來說,虛擬農業(yè)主要包括虛擬農業(yè)主要包括:w虛擬植物虛擬植物:用以培育水稻、玉米、小麥、大豆、棉花用以培育水稻、玉米、小麥、大豆、棉花等主要農作物的新品種等主要農作物的新品種;w虛擬動物虛擬動物:用以培育豬、牛、羊、雞、魚等主要畜產用以培育豬、牛、羊、雞、魚等主要畜產品和水產品的新品種品和水產品的新品種;w利用利用VR技術技術,提高農業(yè)生產設備、設施的利用效率提高農業(yè)生產設備、設施的利用效率;w利用利用VR技術技術,提高農業(yè)資源綜合利用效率提高農業(yè)資源綜合利用效率;w利用利用VR技術技術,對農產品市場進行模擬對農產品市場進行模擬;w利用利用VR技術技術,對農業(yè)生產管理進

9、行模擬對農業(yè)生產管理進行模擬;w科學可視化技術在農業(yè)技術教育、培訓、科研中的科學可視化技術在農業(yè)技術教育、培訓、科研中的應用等等。應用等等。12/30/20218湖南農業(yè)大學農學院 周美蘭第七章 虛擬現(xiàn)實技術在農業(yè)上的應用 計算機在農業(yè)上的應用第二節(jié)第二節(jié) 虛擬現(xiàn)實技術在農業(yè)上的應用虛擬現(xiàn)實技術在農業(yè)上的應用w1 1、虛擬植物、虛擬植物w2 2、虛擬動物、虛擬動物w3 3、虛擬立體農業(yè)、虛擬立體農業(yè)w4 4、虛擬節(jié)水、虛擬節(jié)水w5 5、虛擬實驗、虛擬實驗w6 6、虛擬農場、虛擬農場w7 7、 虛擬果樹修剪虛擬果樹修剪w8 8 、虛擬農業(yè)布局、虛擬農業(yè)布局w9 9 、虛擬農業(yè)區(qū)劃、虛擬農業(yè)區(qū)劃w

10、1010、虛擬城市農業(yè)、虛擬城市農業(yè)w1111、虛擬農機、虛擬農機w1212、虛擬溫室、虛擬溫室12/30/20219湖南農業(yè)大學農學院 周美蘭第七章 虛擬現(xiàn)實技術在農業(yè)上的應用 計算機在農業(yè)上的應用1 1、虛擬植物、虛擬植物(Virtual Plants)(Virtual Plants)w 是指利用是指利用VRVR技術模擬植物在三維空間中的生長技術模擬植物在三維空間中的生長發(fā)育過程。發(fā)育過程。w利用虛擬植物技術，可以在電腦屏幕上設計農作利用虛擬植物技術，可以在電腦屏幕上設計農作物物, ,然后再進行實際培育或用基因工程技術繁殖然后再進行實際培育或用基因工程技術繁殖出真實的農作物出真實的農作物,

11、 ,使農作物新品種具有虛擬植物使農作物新品種具有虛擬植物的理想性狀。的理想性狀。w新西蘭新西蘭HortHort研究所利用虛擬作物技術對幾維果研究所利用虛擬作物技術對幾維果( (獼猴桃獼猴桃) )品種進行改良研究。品種進行改良研究。w研究小組開發(fā)了虛擬幾維果樹的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)研究小組開發(fā)了虛擬幾維果樹的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng), ,使人們可以在計算機顯示器上觀看幾維果樹發(fā)芽、使人們可以在計算機顯示器上觀看幾維果樹發(fā)芽、生長、抽枝、展葉、開花、結果和果實成長生長、抽枝、展葉、開花、結果和果實成長, ,一一整年的生長周期被縮至不到整年的生長周期被縮至不到1 1分鐘的時間。分鐘的時間。12/30/202110湖南農

12、業(yè)大學農學院 周美蘭第七章 虛擬現(xiàn)實技術在農業(yè)上的應用 計算機在農業(yè)上的應用中國虛擬植物標本館（簡稱中國虛擬植物標本館（簡稱CVH） 12/30/202111湖南農業(yè)大學農學院 周美蘭第七章 虛擬現(xiàn)實技術在農業(yè)上的應用 計算機在農業(yè)上的應用12/30/202112湖南農業(yè)大學農學院 周美蘭第七章 虛擬現(xiàn)實技術在農業(yè)上的應用 計算機在農業(yè)上的應用中國數(shù)字植物標本館網絡雜志中國數(shù)字植物標本館網絡雜志12/30/202113湖南農業(yè)大學農學院 周美蘭第七章 虛擬現(xiàn)實技術在農業(yè)上的應用 計算機在農業(yè)上的應用12/30/202114湖南農業(yè)大學農學院 周美蘭第七章 虛擬現(xiàn)實技術在農業(yè)上的應用 計算機在農

13、業(yè)上的應用12/30/202115湖南農業(yè)大學農學院 周美蘭第七章 虛擬現(xiàn)實技術在農業(yè)上的應用 計算機在農業(yè)上的應用虛擬植物的優(yōu)勢虛擬植物的優(yōu)勢w虛擬植物比傳統(tǒng)植物生長模擬模型具有很大的優(yōu)勢虛擬植物比傳統(tǒng)植物生長模擬模型具有很大的優(yōu)勢w例如：植物群體對光的截獲很難進行精確定量化研究例如：植物群體對光的截獲很難進行精確定量化研究, ,而利用而利用虛擬植物虛擬植物, ,能判別光線被葉片截獲能判別光線被葉片截獲, , 穿過葉間空隙到達冠層更穿過葉間空隙到達冠層更深處深處, ,從而容易地計算出植物群體空間中任意位置點的光通量從而容易地計算出植物群體空間中任意位置點的光通量的精確值。的精確值。w利用虛擬

14、植物模擬農藥從噴霧器中噴出后的空間運行軌跡利用虛擬植物模擬農藥從噴霧器中噴出后的空間運行軌跡, ,直直觀地觀察農藥在植物群體中的空間分布與害蟲的位置關系觀地觀察農藥在植物群體中的空間分布與害蟲的位置關系, ,從從而可確定農藥的最佳噴施方法。而可確定農藥的最佳噴施方法。w利用虛擬植物技術利用虛擬植物技術, ,則可以非常直觀地對農田、森林等復雜的則可以非常直觀地對農田、森林等復雜的生態(tài)系統(tǒng)進行研究生態(tài)系統(tǒng)進行研究, ,發(fā)現(xiàn)難以觀察到的規(guī)律。發(fā)現(xiàn)難以觀察到的規(guī)律。w利用虛擬植物利用虛擬植物, , 尋找一種既能對付蟲害又不污染環(huán)境的方法。尋找一種既能對付蟲害又不污染環(huán)境的方法。w利用虛擬植物對找最佳栽

15、培方式。利用虛擬植物對找最佳栽培方式。12/30/202116湖南農業(yè)大學農學院 周美蘭第七章 虛擬現(xiàn)實技術在農業(yè)上的應用 計算機在農業(yè)上的應用2 2、虛擬動物、虛擬動物w利用計算機可視化地模擬動物在各種營養(yǎng)物利用計算機可視化地模擬動物在各種營養(yǎng)物脅迫條件下的生長過程脅迫條件下的生長過程 w 用戶操作計算機不但可以了解動物生長全過用戶操作計算機不但可以了解動物生長全過程中鮮、干各種物質的積累形狀程中鮮、干各種物質的積累形狀 , 而且還可而且還可以從不同視角了解動物的逼真形態(tài)。以從不同視角了解動物的逼真形態(tài)。w在計算機支持下在計算機支持下 ,一次模擬實驗只需幾分鐘即一次模擬實驗只需幾分鐘即可得到

16、實驗結果可得到實驗結果 , 大大加快了實驗的速度大大加快了實驗的速度 , 減少了實驗的投入減少了實驗的投入 , 而且可以完成在自然條而且可以完成在自然條件下難以得到的實驗結果。件下難以得到的實驗結果。12/30/202117湖南農業(yè)大學農學院 周美蘭第七章 虛擬現(xiàn)實技術在農業(yè)上的應用 計算機在農業(yè)上的應用3、 虛擬立體農業(yè)虛擬立體農業(yè)w主要是通過對光資源利用的模擬主要是通過對光資源利用的模擬( 進而進而 , 可可模擬地下部對水、肥等的吸收利用狀況等模擬地下部對水、肥等的吸收利用狀況等) , w實現(xiàn)對立體農業(yè)實現(xiàn)對立體農業(yè) ( 間作、套種、混種等間作、套種、混種等) 的的優(yōu)化管理。優(yōu)化管理。12

17、/30/202118湖南農業(yè)大學農學院 周美蘭第七章 虛擬現(xiàn)實技術在農業(yè)上的應用 計算機在農業(yè)上的應用4、 虛擬節(jié)水虛擬節(jié)水w模擬不同作物、不同株型、不同節(jié)水型灌溉模擬不同作物、不同株型、不同節(jié)水型灌溉方式、不同的栽培管理措施方式、不同的栽培管理措施 , w模擬自然降水過程對水分的吸收利用狀況模擬自然降水過程對水分的吸收利用狀況 , 來實現(xiàn)水分最大的利用。來實現(xiàn)水分最大的利用。12/30/202119湖南農業(yè)大學農學院 周美蘭第七章 虛擬現(xiàn)實技術在農業(yè)上的應用 計算機在農業(yè)上的應用5 、虛擬實驗、虛擬實驗w應用計算機建立反映客觀規(guī)律的虛擬模型應用計算機建立反映客觀規(guī)律的虛擬模型 w應用虛擬模型

18、進行實驗應用虛擬模型進行實驗 , 可以部分地替代在可以部分地替代在現(xiàn)實世界中難以進行的實驗現(xiàn)實世界中難以進行的實驗 , 或者是費時、或者是費時、費力和費錢的實驗。費力和費錢的實驗。12/30/202120湖南農業(yè)大學農學院 周美蘭第七章 虛擬現(xiàn)實技術在農業(yè)上的應用 計算機在農業(yè)上的應用6、 虛擬農場虛擬農場w 在教學、科普教育和農業(yè)科技推廣領域在教學、科普教育和農業(yè)科技推廣領域 , 可利用虛擬植物模型建立虛擬農場可利用虛擬植物模型建立虛擬農場w讓學員在計算機上種植虛擬作物讓學員在計算機上種植虛擬作物w進行虛擬農田管理進行虛擬農田管理w直觀地觀察作物生長過程及最終結果直觀地觀察作物生長過程及最終

19、結果12/30/202121湖南農業(yè)大學農學院 周美蘭第七章 虛擬現(xiàn)實技術在農業(yè)上的應用 計算機在農業(yè)上的應用8 、虛擬農業(yè)布局、虛擬農業(yè)布局w 利用虛擬農業(yè)技術進行模擬利用虛擬農業(yè)技術進行模擬 , 可以實現(xiàn)農可以實現(xiàn)農業(yè)布局規(guī)劃設計效果的形象化業(yè)布局規(guī)劃設計效果的形象化 ; w 在觀光農業(yè)中在觀光農業(yè)中 , 可以模擬采摘、銷售、觀可以模擬采摘、銷售、觀賞、垂釣、游樂等活動賞、垂釣、游樂等活動 , 為旅客設計合理路為旅客設計合理路線線 , 讓旅游者最大限度地參與、親自體驗。讓旅游者最大限度地參與、親自體驗。12/30/202122湖南農業(yè)大學農學院 周美蘭第七章 虛擬現(xiàn)實技術在農業(yè)上的應用 計

20、算機在農業(yè)上的應用9 、虛擬農業(yè)區(qū)劃、虛擬農業(yè)區(qū)劃w模擬糧食生產與多種經濟作物合理搭配模擬糧食生產與多種經濟作物合理搭配種植種植 ; w模擬農、林、牧、副、漁業(yè)相結合的農模擬農、林、牧、副、漁業(yè)相結合的農業(yè)可持續(xù)發(fā)展模式。業(yè)可持續(xù)發(fā)展模式。12/30/202123湖南農業(yè)大學農學院 周美蘭第七章 虛擬現(xiàn)實技術在農業(yè)上的應用 計算機在農業(yè)上的應用10 、虛擬城市農業(yè)、虛擬城市農業(yè)w城市農業(yè)是充分合理地利用城市空間和優(yōu)越城市農業(yè)是充分合理地利用城市空間和優(yōu)越條件來發(fā)展農業(yè)的一種探索。條件來發(fā)展農業(yè)的一種探索。w利用虛擬農業(yè)技術可以模擬環(huán)境、生態(tài)、科利用虛擬農業(yè)技術可以模擬環(huán)境、生態(tài)、科技、生產、觀

21、賞為一體的城市農業(yè)綜合發(fā)技、生產、觀賞為一體的城市農業(yè)綜合發(fā)展模式展模式 , 便于決策、實施。便于決策、實施。12/30/202124湖南農業(yè)大學農學院 周美蘭第七章 虛擬現(xiàn)實技術在農業(yè)上的應用 計算機在農業(yè)上的應用11、 虛擬農機虛擬農機w可以虛擬農機設計、農機制造和農機測試?？梢蕴摂M農機設計、農機制造和農機測試。例如例如 ,采用虛擬農業(yè)技術采用虛擬農業(yè)技術 , 對試驗對象的各個對試驗對象的各個指標同時進行數(shù)據的測量、實時處理和實時指標同時進行數(shù)據的測量、實時處理和實時分析分析 ；w有利于提高測試水平有利于提高測試水平 , 得出比較精確的結論得出比較精確的結論 , 為系統(tǒng)的優(yōu)化設計提供更可靠

22、的依據。為系統(tǒng)的優(yōu)化設計提供更可靠的依據。12/30/202125湖南農業(yè)大學農學院 周美蘭第七章 虛擬現(xiàn)實技術在農業(yè)上的應用 計算機在農業(yè)上的應用12、 虛擬溫室虛擬溫室w虛擬溫室是將數(shù)據、材料、模型、物理屬性虛擬溫室是將數(shù)據、材料、模型、物理屬性和高級算法整合成的一個研究平臺和高級算法整合成的一個研究平臺 , w研究溫室對外界環(huán)境的反應研究溫室對外界環(huán)境的反應 , 將物理學將物理學( 如溫如溫室圍護結構的傳熱和力學屬性室圍護結構的傳熱和力學屬性)和環(huán)境學和環(huán)境學( 氣氣候變化和植物生理信息候變化和植物生理信息) 結合起來結合起來 ,w 進行預測和預報溫室對外界各種變化進行預測和預報溫室對外

23、界各種變化( 氣候氣候條件、植物生長和人工干擾。條件、植物生長和人工干擾。12/30/202126湖南農業(yè)大學農學院 周美蘭第七章 虛擬現(xiàn)實技術在農業(yè)上的應用 計算機在農業(yè)上的應用第三節(jié)第三節(jié) 虛擬植物生長的研究現(xiàn)狀虛擬植物生長的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢與發(fā)展趨勢w一、虛擬植物生長建模與可視化研究一、虛擬植物生長建模與可視化研究w二、虛擬植物模型的分類二、虛擬植物模型的分類w三、目前研究存在的問題三、目前研究存在的問題w四、植物模型的可視化四、植物模型的可視化12/30/202127湖南農業(yè)大學農學院 周美蘭第七章 虛擬現(xiàn)實技術在農業(yè)上的應用 計算機在農業(yè)上的應用虛擬植物生長虛擬植物生長w虛擬植物生

24、長是對植物在三維空間中的結構發(fā)育與虛擬植物生長是對植物在三維空間中的結構發(fā)育與生長過程的計算機仿真。生長過程的計算機仿真。w 虛擬植物生長是計算機技術在農業(yè)中應用的一個虛擬植物生長是計算機技術在農業(yè)中應用的一個方面方面, 也是作物栽培、作物生理生態(tài)、作物育種研也是作物栽培、作物生理生態(tài)、作物育種研究的一個新方向。究的一個新方向。w 虛擬植物生長的計算機建模與可視化仿真研究在虛擬植物生長的計算機建模與可視化仿真研究在農林業(yè)、景觀設計或園林設計、虛擬實現(xiàn)、計算機農林業(yè)、景觀設計或園林設計、虛擬實現(xiàn)、計算機動畫、計算機教學等領域都有著廣泛的應用前景。動畫、計算機教學等領域都有著廣泛的應用前景。w 以

25、計算機為手段對作物生長進行建模與仿真以計算機為手段對作物生長進行建模與仿真, 將為將為探索植物生長過程的規(guī)律探索植物生長過程的規(guī)律, 改善人類生存環(huán)境帶來改善人類生存環(huán)境帶來新的契機新的契機 。12/30/202128湖南農業(yè)大學農學院 周美蘭第七章 虛擬現(xiàn)實技術在農業(yè)上的應用 計算機在農業(yè)上的應用一、虛擬植物生長建模與可視化研究一、虛擬植物生長建模與可視化研究w計算機模擬植物生長過程涉及多學科計算機模擬植物生長過程涉及多學科, 如生物學、植物學、如生物學、植物學、生態(tài)學、信息科學及應用數(shù)學等。生態(tài)學、信息科學及應用數(shù)學等。wdeWit 對作物群體的光合作用進行了模擬研究對作物群體的光合作用進

26、行了模擬研究, w許多國家的研究人員在作物生長的計算機模擬領域做了大量許多國家的研究人員在作物生長的計算機模擬領域做了大量的工作的工作,建立了一些作物生長的計算機模擬模型建立了一些作物生長的計算機模擬模型, 并得到了廣并得到了廣泛的應用。泛的應用。w目前目前, 國際上比較領先的系統(tǒng)性研究機構包括國際上比較領先的系統(tǒng)性研究機構包括: w 法國以法國以deReffye為首開發(fā)的為首開發(fā)的AMAP 植物生長軟件系統(tǒng)植物生長軟件系統(tǒng);w 加拿大以加拿大以 P ru s ink iew icz 為領導的虛擬植物實驗室為領導的虛擬植物實驗室; w 德國哥廷根大學德國哥廷根大學 Ku r th 領導的研究小

27、組領導的研究小組; w 澳大利亞澳大利亞 CPA I研究中心研究中心; w美國、新西蘭等國家的研究機構；美國、新西蘭等國家的研究機構；w我國主要工作包括農作物方面與計算機圖形學方面。我國主要工作包括農作物方面與計算機圖形學方面。12/30/202129湖南農業(yè)大學農學院 周美蘭第七章 虛擬現(xiàn)實技術在農業(yè)上的應用 計算機在農業(yè)上的應用1、L系統(tǒng)模型系統(tǒng)模型w1968年年,生物學家生物學家Aristid Lindenmayer從生從生物形態(tài)學的角度出發(fā)物形態(tài)學的角度出發(fā),提出了一種用以構造生提出了一種用以構造生物組織生長形態(tài)的并行語法物組織生長形態(tài)的并行語法,簡稱為簡稱為L系統(tǒng)系統(tǒng),w此方法的創(chuàng)造

28、性在于形式化地描述了植物或此方法的創(chuàng)造性在于形式化地描述了植物或其他生物的結構特征和生長過程。其他生物的結構特征和生長過程。wA.R.Smith和和Prusinkiew icz等人將等人將L系統(tǒng)與系統(tǒng)與計算機圖形學結合起來計算機圖形學結合起來,在計算機上產生了大在計算機上產生了大量栩栩如生的植物形態(tài)。量栩栩如生的植物形態(tài)。12/30/202130湖南農業(yè)大學農學院 周美蘭第七章 虛擬現(xiàn)實技術在農業(yè)上的應用 計算機在農業(yè)上的應用L系統(tǒng)產生的植物圖像系統(tǒng)產生的植物圖像w 為了確定某一為了確定某一L系統(tǒng)系統(tǒng),需要包括需要包括:公理或初始字符串公理或初始字符串;烏龜運動烏龜運動的角度的角度;一個或多個

29、產生式規(guī)則一個或多個產生式規(guī)則,以描述字符串替換操作。以描述字符串替換操作。wL系統(tǒng)的高度抽象性使其應用多有不便。在形式語言表示與系統(tǒng)的高度抽象性使其應用多有不便。在形式語言表示與植物生長的數(shù)理生態(tài)參數(shù)之間沒有直觀的關系。植物生長的數(shù)理生態(tài)參數(shù)之間沒有直觀的關系。12/30/202131湖南農業(yè)大學農學院 周美蘭第七章 虛擬現(xiàn)實技術在農業(yè)上的應用 計算機在農業(yè)上的應用2AMAP系統(tǒng)模型系統(tǒng)模型w法國法國CIRAD的植物建模機構開發(fā)了一種不同的植物建模機構開發(fā)了一種不同于于L系統(tǒng)的植物生長模擬方法系統(tǒng)的植物生長模擬方法, 綜合了植物學綜合了植物學家家Halle等人提出的植物構筑學方面的定性知等人

30、提出的植物構筑學方面的定性知識識, 對植物芽的功能作用對植物芽的功能作用, 如生長、死亡、分如生長、死亡、分枝等過程進行定量的數(shù)學描述。枝等過程進行定量的數(shù)學描述。w依據這個方法建立的植物生長軟件的名稱為依據這個方法建立的植物生長軟件的名稱為AMAP 。12/30/202132湖南農業(yè)大學農學院 周美蘭第七章 虛擬現(xiàn)實技術在農業(yè)上的應用 計算機在農業(yè)上的應用參考軸技術參考軸技術圖 參考軸的有限狀態(tài)自動機表示De Reffye等人提出“參考軸技術”,定量地模擬植物構建的動態(tài)發(fā)展。下圖為參考軸的有限狀態(tài)自動機表示。參考軸是一個理論上的植物軸, 它包括植物從種子到開花可能經歷的所有不同階段, 每一個

31、階段對應一個給定的生理年齡。12/30/202133湖南農業(yè)大學農學院 周美蘭第七章 虛擬現(xiàn)實技術在農業(yè)上的應用 計算機在農業(yè)上的應用3虛擬植物模型虛擬植物模型 用AMA系統(tǒng)模擬的不同生長階段雪松圖像該模型是由澳大利亞CPAI研究中心在L系統(tǒng)的基礎上,結合外部環(huán)境模型 (光照、病蟲害等)以及由三維數(shù)字化儀獲取的三維植物的測量數(shù)據獲得的。該模型包含新的植物器官產生規(guī)則以及已有器官的大小幾何形狀變化規(guī)則。虛擬植物模型通過分析測量數(shù)據獲得的植物形態(tài)發(fā)育規(guī)則來描述植物的生長過程。 12/30/202134湖南農業(yè)大學農學院 周美蘭第七章 虛擬現(xiàn)實技術在農業(yè)上的應用 計算機在農業(yè)上的應用4分形分形(Fr

32、actals)模型模型 w分形方法是根據植物的形態(tài)結構分形方法是根據植物的形態(tài)結構,利用描述自相似性利用描述自相似性的數(shù)學工具來表現(xiàn)植物生長的拓撲以及形態(tài)結構的數(shù)學工具來表現(xiàn)植物生長的拓撲以及形態(tài)結構,主主要包括疊代函數(shù)系統(tǒng)、分枝矩陣、粒子系統(tǒng)、正規(guī)要包括疊代函數(shù)系統(tǒng)、分枝矩陣、粒子系統(tǒng)、正規(guī)文法方法、文法方法、A系統(tǒng)以及系統(tǒng)以及Opp enheimer提出的特定的提出的特定的分形方法等。分形方法等。圖 由虛擬植物模型產生的三維虛擬豆類植物12/30/202135湖南農業(yè)大學農學院 周美蘭第七章 虛擬現(xiàn)實技術在農業(yè)上的應用 計算機在農業(yè)上的應用二、虛擬植物模型的分類二、虛擬植物模型的分類12/

33、30/202136湖南農業(yè)大學農學院 周美蘭第七章 虛擬現(xiàn)實技術在農業(yè)上的應用 計算機在農業(yè)上的應用3植物模型的可視化植物模型的可視化w虛擬植物最終是以計算機軟件的形式實現(xiàn)和虛擬植物最終是以計算機軟件的形式實現(xiàn)和投入的，如下圖：投入的，如下圖：12/30/202137湖南農業(yè)大學農學院 周美蘭第七章 虛擬現(xiàn)實技術在農業(yè)上的應用 計算機在農業(yè)上的應用植物生長軟件分類植物生長軟件分類w植物生長軟件可分為植物生長軟件可分為“模擬模擬”和和“分析分析”兩大功能。兩大功能。w軟件的基本結構也相應地分為兩大模塊軟件的基本結構也相應地分為兩大模塊: w“模擬模擬”部分是一個獨立的模塊部分是一個獨立的模塊,

34、它根據設定的模它根據設定的模型參數(shù)和環(huán)境條件型參數(shù)和環(huán)境條件, 計算出植物的動態(tài)生長過程計算出植物的動態(tài)生長過程;w“分析分析”功能是以功能是以“模擬模擬”為基礎為基礎, 輔之以特定的輔之以特定的數(shù)學優(yōu)化算法數(shù)學優(yōu)化算法, 處理實驗測量數(shù)據處理實驗測量數(shù)據, 從中提取有用的從中提取有用的信息信息, 發(fā)現(xiàn)規(guī)律發(fā)現(xiàn)規(guī)律, 比如估計模型的隱含參數(shù)等。比如估計模型的隱含參數(shù)等。w植物生長模擬程序通常又稱為植物生長模擬程序通常又稱為“生長機生長機”(growth engine)。12/30/202138湖南農業(yè)大學農學院 周美蘭第七章 虛擬現(xiàn)實技術在農業(yè)上的應用 計算機在農業(yè)上的應用四、目前研究存在的問

35、題四、目前研究存在的問題w1、以植物為對象的建模方法遠未完善、以植物為對象的建模方法遠未完善, 形態(tài)形態(tài)發(fā)育模擬模型與生態(tài)生理模擬模型的集中研發(fā)育模擬模型與生態(tài)生理模擬模型的集中研究工作還很少。究工作還很少。w2、單純的分形方法在實現(xiàn)各種作物構造模型、單純的分形方法在實現(xiàn)各種作物構造模型方面能力有限方面能力有限, 且缺少與生態(tài)生理模型的接口且缺少與生態(tài)生理模型的接口方式。方式。w3、若將、若將L 系統(tǒng)實施分為設計系統(tǒng)實施分為設計 (信息壓縮信息壓縮)與計與計算算 (信息膨脹信息膨脹) 兩個階段兩個階段, 目前仍然缺少目前仍然缺少L系統(tǒng)系統(tǒng)的設計方法的設計方法12/30/202139湖南農業(yè)大學

36、農學院 周美蘭第七章 虛擬現(xiàn)實技術在農業(yè)上的應用 計算機在農業(yè)上的應用四、目前研究存在的問題四、目前研究存在的問題w4 4、如何直接、合理地引入植物學知識將是研究植物形態(tài)發(fā)、如何直接、合理地引入植物學知識將是研究植物形態(tài)發(fā)生模型的關鍵另一個主要問題是模型用于實際的有效性與可生模型的關鍵另一個主要問題是模型用于實際的有效性與可靠程度?？砍潭?。w5 5、由于模型是對真實系統(tǒng)的簡化與概要描述、由于模型是對真實系統(tǒng)的簡化與概要描述, , 存在這種簡存在這種簡化與概要描述是否與真實系統(tǒng)的變化反應一致化與概要描述是否與真實系統(tǒng)的變化反應一致, , 模型的誤差模型的誤差及其與事實是否相符等問題及其與事實是否

37、相符等問題, , 因此在模型運用之前就必須對因此在模型運用之前就必須對模型進行檢驗。模型進行檢驗。w6 6、有些機理過程、有些機理過程 ( (如光合作用、干物質分配等如光合作用、干物質分配等) )并非是可直并非是可直接測量的接測量的, ,這都給模型校核帶來困難。這都給模型校核帶來困難。w7 7、目前驗證模型的方法很多、目前驗證模型的方法很多, , 但仍缺少對植物生長機模型但仍缺少對植物生長機模型在校驗與驗證方面的系統(tǒng)性研究工作。在校驗與驗證方面的系統(tǒng)性研究工作。w8 8、植物生長模型的應用受到諸多因素的影響、植物生長模型的應用受到諸多因素的影響, , 而目前的模而目前的模擬模型還未能考慮全部的限制因子。擬模型還未能考慮全部的限制因子。12/30/202140湖南農業(yè)大學農學院 周美蘭第七章 虛擬現(xiàn)實技術在農業(yè)上的應用 計算