VR虚拟现实-虚拟现实技术在农业上的应用.ppt

计算机在农业上的应用 周美兰湖南农业大学农学院 2020 2 22 湖南农业大学农学院周美兰 2 第七章虚拟现实技术在农业上的应用 第一节虚拟现实技术与虚拟农业第二节虚拟现实技术在农业上的应用第三节虚拟植物生长的研究现状与发展趋势 2020 2 22 湖南农业大学农学院周美兰 3 虚拟农业信息资料查阅 2020 2 22 湖南农业大学农学院周美兰 4 第一节虚拟现实技术与虚拟农业 一 虚拟现实技术的由来与概念与概念 一 虚拟现实 二 虚拟现实的基本特征1 是多感知性2 是沉浸感3 是实时交互性4 是自主性二 虚拟农业 2020 2 22 湖南农业大学农学院周美兰 5 一 虚拟现实技术的由来与概念 1965年 Sutherland首次提出了具有交互图形显示 反馈设备以及声音提示的虚拟现实系统的基本思想 1966年 美国正式开始了头盔式显示器的研制工作 1970年 出现第一个功能较齐全的头盔式显示器系统 20世纪80年代初 JaronLanier提出了虚拟现实 VirtualReality VR 美国宇航局及国防部组织了一系列有关虚拟现实技术的研究 并取得了显著成果 引起了对虚拟现实技术的广泛关注 虚拟现实技术在农业领域中的应用 展示了虚拟农业巨大的应用潜能 2020 2 22 湖南农业大学农学院周美兰 6 一 虚拟现实 VirtualReality 是指利用计算机技术生成一个逼真的 具有视觉 听觉 触觉等效果的可交互的 动态的世界 人们可以对该虚拟世界中的虚拟实体进行操纵和考察 它是信息科学领域一类新兴的工程技术 是在计算机图形学 计算机仿真技术 人机接口技术 传感技术 多媒体技术和网络通信技术及面向对象技术和智能决策支持系统的基础上 发展起来的一门交叉学科 虚拟现实作为当今计算机最热门的技术之一 极大地突破了事物表达的传统方法的局限 使过去认为只擅长处理字化单维信息的计算机发展为能处理适合人的特性的多维信息 使人们可以将想象的环境虚拟实现 并可以在其中以最自然的动作与这种虚拟现实进行交流 2020 2 22 湖南农业大学农学院周美兰 7 二 虚拟现实的基本特征 1 多感知性除了一般计算机技术所具有的视觉感知外 虚拟现实技术还有听觉感知 力觉感知 触觉感知 甚至味觉感知 嗅觉感知等 2 沉浸感人在虚拟环境中 可以获得有如身在真实世界中的逼真感觉 3 实时交互性人在虚拟环境中不只是被动地感受 还可以采取现实生活中习以为常的方式来操纵模拟场景中的物体 4 自主性自主性是指虚拟环境中物体依据物理定律动作的程度 例如 当受到力的推动时 物体会沿力的方向运动 2020 2 22 湖南农业大学农学院周美兰 8 二 虚拟农业 从广义来说 虚拟农业主要包括 虚拟植物 用以培育水稻 玉米 小麦 大豆 棉花等主要农作物的新品种 虚拟动物 用以培育猪 牛 羊 鸡 鱼等主要畜产品和水产品的新品种 利用VR技术 提高农业生产设备 设施的利用效率 利用VR技术 提高农业资源综合利用效率 利用VR技术 对农产品市场进行模拟 利用VR技术 对农业生产管理进行模拟 科学可视化技术在农业技术教育 培训 科研中的应用等等 2020 2 22 湖南农业大学农学院周美兰 9 第二节虚拟现实技术在农业上的应用 1 虚拟植物2 虚拟动物3 虚拟立体农业4 虚拟节水5 虚拟实验6 虚拟农场 7 虚拟果树修剪8 虚拟农业布局9 虚拟农业区划10 虚拟城市农业11 虚拟农机12 虚拟温室 2020 2 22 湖南农业大学农学院周美兰 10 1 虚拟植物 VirtualPlants 是指利用VR技术模拟植物在三维空间中的生长发育过程 利用虚拟植物技术 可以在电脑屏幕上设计农作物 然后再进行实际培育或用基因工程技术繁殖出真实的农作物 使农作物新品种具有虚拟植物的理想性状 新西兰Hort研究所利用虚拟作物技术对几维果 猕猴桃 品种进行改良研究 研究小组开发了虚拟几维果树的虚拟现实系统 使人们可以在计算机显示器上观看几维果树发芽 生长 抽枝 展叶 开花 结果和果实成长 一整年的生长周期被缩至不到1分钟的时间 2020 2 22 湖南农业大学农学院周美兰 11 中国虚拟植物标本馆 简称CVH 2020 2 22 湖南农业大学农学院周美兰 12 中国数字植物标本馆 2020 2 22 湖南农业大学农学院周美兰 13 中国数字植物标本馆网络杂志 2020 2 22 湖南农业大学农学院周美兰 14 2020 2 22 湖南农业大学农学院周美兰 15 2020 2 22 湖南农业大学农学院周美兰 16 虚拟植物的优势 虚拟植物比传统植物生长模拟模型具有很大的优势例如 植物群体对光的截获很难进行精确定量化研究 而利用虚拟植物 能判别光线被叶片截获 穿过叶间空隙到达冠层更深处 从而容易地计算出植物群体空间中任意位置点的光通量的精确值 利用虚拟植物模拟农药从喷雾器中喷出后的空间运行轨迹 直观地观察农药在植物群体中的空间分布与害虫的位置关系 从而可确定农药的最佳喷施方法 利用虚拟植物技术 则可以非常直观地对农田 森林等复杂的生态系统进行研究 发现难以观察到的规律 利用虚拟植物 寻找一种既能对付虫害又不污染环境的方法 利用虚拟植物对找最佳栽培方式 2020 2 22 湖南农业大学农学院周美兰 17 2 虚拟动物 利用计算机可视化地模拟动物在各种营养物胁迫条件下的生长过程用户操作计算机不但可以了解动物生长全过程中鲜 干各种物质的积累形状 而且还可以从不同视角了解动物的逼真形态 在计算机支持下 一次模拟实验只需几分钟即可得到实验结果 大大加快了实验的速度 减少了实验的投入 而且可以完成在自然条件下难以得到的实验结果 2020 2 22 湖南农业大学农学院周美兰 18 3 虚拟立体农业 主要是通过对光资源利用的模拟 进而 可模拟地下部对水 肥等的吸收利用状况等 实现对立体农业 间作 套种 混种等 的优化管理 2020 2 22 湖南农业大学农学院周美兰 19 4 虚拟节水 模拟不同作物 不同株型 不同节水型灌溉方式 不同的栽培管理措施 模拟自然降水过程对水分的吸收利用状况 来实现水分最大的利用 2020 2 22 湖南农业大学农学院周美兰 20 5 虚拟实验 应用计算机建立反映客观规律的虚拟模型应用虚拟模型进行实验 可以部分地替代在现实世界中难以进行的实验 或者是费时 费力和费钱的实验 2020 2 22 湖南农业大学农学院周美兰 21 6 虚拟农场 在教学 科普教育和农业科技推广领域 可利用虚拟植物模型建立虚拟农场让学员在计算机上种植虚拟作物进行虚拟农田管理直观地观察作物生长过程及最终结果 2020 2 22 湖南农业大学农学院周美兰 22 8 虚拟农业布局 利用虚拟农业技术进行模拟 可以实现农业布局规划设计效果的形象化 在观光农业中 可以模拟采摘 销售 观赏 垂钓 游乐等活动 为旅客设计合理路线 让旅游者最大限度地参与 亲自体验 2020 2 22 湖南农业大学农学院周美兰 23 9 虚拟农业区划 模拟粮食生产与多种经济作物合理搭配种植 模拟农 林 牧 副 渔业相结合的农业可持续发展模式 2020 2 22 湖南农业大学农学院周美兰 24 10 虚拟城市农业 城市农业是充分合理地利用城市空间和优越条件来发展农业的一种探索 利用虚拟农业技术可以模拟环境 生态 科技 生产 观赏为一体的城市农业综合发展模式 便于决策 实施 2020 2 22 湖南农业大学农学院周美兰 25 11 虚拟农机 可以虚拟农机设计 农机制造和农机测试 例如 采用虚拟农业技术 对试验对象的各个指标同时进行数据的测量 实时处理和实时分析 有利于提高测试水平 得出比较精确的结论 为系统的优化设计提供更可靠的依据 2020 2 22 湖南农业大学农学院周美兰 26 12 虚拟温室 虚拟温室是将数据 材料 模型 物理属性和高级算法整合成的一个研究平台 研究温室对外界环境的反应 将物理学 如温室围护结构的传热和力学属性 和环境学 气候变化和植物生理信息 结合起来 进行预测和预报温室对外界各种变化 气候条件 植物生长和人工干扰 2020 2 22 湖南农业大学农学院周美兰 27 第三节虚拟植物生长的研究现状与发展趋势 一 虚拟植物生长建模与可视化研究二 虚拟植物模型的分类三 目前研究存在的问题四 植物模型的可视化 2020 2 22 湖南农业大学农学院周美兰 28 虚拟植物生长 虚拟植物生长是对植物在三维空间中的结构发育与生长过程的计算机仿真 虚拟植物生长是计算机技术在农业中应用的一个方面 也是作物栽培 作物生理生态 作物育种研究的一个新方向 虚拟植物生长的计算机建模与可视化仿真研究在农林业 景观设计或园林设计 虚拟实现 计算机动画 计算机教学等领域都有着广泛的应用前景 以计算机为手段对作物生长进行建模与仿真 将为探索植物生长过程的规律 改善人类生存环境带来新的契机 2020 2 22 湖南农业大学农学院周美兰 29 一 虚拟植物生长建模与可视化研究 计算机模拟植物生长过程涉及多学科 如生物学 植物学 生态学 信息科学及应用数学等 deWit对作物群体的光合作用进行了模拟研究 许多国家的研究人员在作物生长的计算机模拟领域做了大量的工作 建立了一些作物生长的计算机模拟模型 并得到了广泛的应用 目前 国际上比较领先的系统性研究机构包括 法国以deReffye为首开发的AMAP植物生长软件系统 加拿大以Prusinkiewicz为领导的虚拟植物实验室 德国哥廷根大学Kurth领导的研究小组 澳大利亚CPAI研究中心 美国 新西兰等国家的研究机构 我国主要工作包括农作物方面与计算机图形学方面 2020 2 22 湖南农业大学农学院周美兰 30 1 L系统模型 1968年 生物学家AristidLindenmayer从生物形态学的角度出发 提出了一种用以构造生物组织生长形态的并行语法 简称为L系统 此方法的创造性在于形式化地描述了植物或其他生物的结构特征和生长过程 A R Smith和Prusinkiewicz等人将L系统与计算机图形学结合起来 在计算机上产生了大量栩栩如生的植物形态 2020 2 22 湖南农业大学农学院周美兰 31 L系统产生的植物图像 为了确定某一L系统 需要包括 公理或初始字符串 乌龟运动的角度 一个或多个产生式规则 以描述字符串替换操作 L系统的高度抽象性使其应用多有不便 在形式语言表示与植物生长的数理生态参数之间没有直观的关系 2020 2 22 湖南农业大学农学院周美兰 32 2AMAP系统模型 法国CIRAD的植物建模机构开发了一种不同于L系统的植物生长模拟方法 综合了植物学家Halle等人提出的植物构筑学方面的定性知识 对植物芽的功能作用 如生长 死亡 分枝等过程进行定量的数学描述 依据这个方法建立的植物生长软件的名称为AMAP 2020 2 22 湖南农业大学农学院周美兰 33 参考轴技术 图参考轴的有限状态自动机表示 DeReffye等人提出 参考轴技术 定量地模拟植物构建的动态发展 下图为参考轴的有限状态自动机表示 参考轴是一个理论上的植物轴 它包括植物从种子到开花可能经历的所有不同阶段 每一个阶段对应一个给定的生理年龄 2020 2 22 湖南农业大学农学院周美兰 34 3虚拟植物模型 用AMA系统模拟的不同生长阶段雪松图像 该模型是由澳大利亚CPAI研究中心在L系统的基础上 结合外部环境模型 光照 病虫害等 以及由三维数字化仪获取的三维植物的测量数据获得的 该模型包含新的植物器官产生规则以及已有器官的大小几何形状变化规则 虚拟植物模型通过分析测量数据获得的植物形态发育规则来描述植物的生长过程 2020 2 22 湖南农业大学农学院周美兰 35 4分形 Fractals 模型 分形方法是根据植物的形态结构 利用描述自相似性的数学工具来表现植物生长的拓扑以及形态结构 主要包括叠代函数系统 分枝矩阵 粒子系统 正规文法方法 A系统以及Oppenheimer提出的特定的分形方法等 图由虚拟植物模型产生的三维虚拟豆类植物 2020 2 22 湖南农业大学农学院周美兰 36 二 虚拟植物模型的分类 2020 2 22 湖南农业大学农学院周美兰 37 3植物模型的可视化 虚拟植物最终是以计算机软件的形式实现和投入的 如下图 2020 2 22 湖南农业大学农学院周美兰 38 植物生长软件分类 植物生长软件可分为 模拟 和 分析 两大功能 软件的基本结构也相应地分为两大模块 模拟 部分是一个独立的模块 它根据设定的模型参数和环境条件 计算出植物的动态生长过程 分析 功能是以 模拟 为基础 辅之以特定的数学优化算法 处理实验测量数据 从中提取有用的信息 发现规律 比如估计模型的隐含参数等 植物生长模拟程序通常又称为 生长机 growthengine 2020 2 22 湖南农业大学农学院周美兰 39 四 目前研究存在的问题 1 以植物为对象的建模方法远未完善 形态发育模拟模型与生态生理模拟模型的集中研究工作还很少 2 单纯的分形方法在实现各种作物构造模型方面能力有限 且缺少与生态生理模型的接口方式 3 若将L系统实施分为设计 信息压缩 与计算 信息膨胀 两个阶段 目前仍然缺少L系统的设计方法 2020 2 22 湖南农业大学农学院周美兰 40 四 目前研究存在的问题 4 如何直接 合理地引入植物学知识将是研究植物形态发生模型的关键另一个主要问题是模型用于实际的有效性与可靠程度 5 由于模型是对真实系统的简化与概要描述 存在这种简化与概要描述是否与真实系统的变化反应一致 模型的误差及其与事实是否相符等问题 因此在模型运用之前就必须对模型进行检验 6 有些机理过程 如光合作用 干物质分配等 并非是可直接测量的 这都给模型校核带来困难 7 目前验证模型的方法很多 但仍缺少对植物生长机模型在校验与验证方面的系统性研究工作 8 植物生长模型的应用受到诸多因素的影响 而目前的模拟模型还未能考虑全部的限制因子 2020 2 22 湖南农业大学农学院周美兰 41 五 展望 虚拟植物模型的研究基本上始于20世纪60年代末 在过去的30多年里 植物生长的建模 仿真与可视化研究和应用已经得到了相当程度的发展 但大多数模型都有明显的缺点 需要进一步的改进和完善 最有效的途径之一便是将已经测验过的模型进行优化组合 去粗取精 并扩充其发展 主要包括增加生理生态过程的定量描述 在提高预测性的基础上增加机制性和全面性 要进一步将成功的模型推广应用于实践 以发挥模型的潜在功能 2020 2 22 湖南农业大学农学院周美兰 42 研究的方向 1 作物光合干物质在器官分配模式和库源间的调节和控制 2 根系对土壤水分和养分的吸收机制以及其他土壤因子对作物生长影响的定量化模拟研究和检验 3 根据特定的应用范围以及对模型精度的要求 建立各具特色的应用性土地生产力动态模拟模型 4 进一步改善植物生长过程的量化 如生育期 同化物分配 形态发育 维持呼吸等 2020 2 22 湖南农业大学农学院周美兰 43 研究的方向 5 进一步完善与植物模型相应的参数估计方法及其计算程序 6 根据模型的要求和各地的自然条件 建立模型所需要的标准化参数数据库 7 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 8 朝着智能化和网络化方向发展 虚拟植物模型的计算机管理网络化 研究与推广的网络化 形成 多学科 多层次 多部门 的攻关协作组