对虚拟农业定义及其结构体系的探讨

胡林等：对虚拟农业定义及其结构体系的探讨 对虚拟农业定义及其结构体系的探讨 胡林，周国民，丘耘，樊景超，王剑 ( 中国农业科学院农业信息研究所，北京1 0 0 0 8 1 ) 摘要：虚拟农业自提出以来，一直没有形成明确的定义，也没有形成完整的理论体系和技术体系， 因而，虚拟农业还不能称为真正意义上的学科这对于虚拟农业的研究是非常不利的，造成研究信 息交流的障碍，制约了虚拟农业研究的进展为了解决这种问题，根据虚拟农业研究现状，对现代 虚拟农业的研究进行了系统地总结提出了虚拟农业的概念、基本理论与基本技术，研究了虚拟农 业的基本结构体系及其研究范围，指出了虚拟农业研究的意义，说明了虚拟农业未来的发展方向 关键词：虚拟农业；基本理论；基本技术；结构体系 0 nt h ev i r t 眦la g r i c u I t u nc o n c e p ta n dt h ec o m t r 眦t i o no ft h es y s t e mf r a m e w o r k H uI 血，Z H O uG u o m i n ，Q I UY u n ，F A NJ i g c h a o ，w A N G 】i 锄 ( A g I i c u I t I 珊1 I n f o m a d o n h m t I l t eo f c 从S ，B 卿i n 9 1 0 0 0 8 1 ，c h i n a ) A b s t r 觚t ：A n 盯t l l ep r o m o d o n0 f 山eV i r t 【I a la 础u l t l l r e ，n oad e 觚t i o na c c 印湖b ym o s tp e o p l ew f b 咖e d N e i t h e ra 山e o 剃co rt e c l m 0 1 0 西c a l 劬m e w o r kw a sf o 肋e d T h l l s ，咖a la l 面c u l t l l r ec o u l d D o tb e e a t e d 越ag e n u i n es u b j e c LI ti sV e r yI l n 血v o r a b l et ov i l t u a la g I i c I l l t I l r et 0d e v e l 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用，以品种改良、增产为目的技术系统，其成果应接受实践的检验”I z J 。但是，该定义并不能被大 多数人所接受，并经常和其它的农业概念相混淆。从各种文献中可以看出，产生分歧的主要原因是： 1 对于虚拟的理解不同。对于虚拟的理解，最普遍的一种看法是，虚拟就是不真实的，即虚实之虚， 与我们生活的现实世界相对照，将计算机的世界称为虚拟世界，凡在计算机中一切的表现均称之为 虚拟与虚拟农业的定义有很大的出入。2 对于虚拟现实的沉浸感与虚拟农业的关系的理解。也就是 在虚拟农业的研究中，是否需要有沉浸感。这关系到研究的手段，方法。3 当虚拟农业提出后，我 国将其英文译为v i m l a lA g r i c u l t u r c ，但是，在国外事实上也有人提出了咖a lA g r i c l l l t u m 的概念， 但这个概念与我国提出的虚拟农业的概念相去甚远。4 如何理解虚拟农业与数字农业、精确农业及 智能农业的关系。在虚拟农业出现的同时，还有数字农业、智能农业、精确农业等很多的新名词出 现，使人们对于新的大量涌现的新词无所适从。本文将从虚拟农业的研究历史入手，从虚拟农业的 基金项目：国家863 高新计划2 0 0 2 A A 2 4 3 0 4 1 作者简介：胡林男。副研究员。博士研究方向：虚拟农业，3 s 技术应用地址；1 0 0 0 8 1 中关村南大街1 2 号电 子信箱：b 也H 如亟皿些：Q 丑 6 6 农业网络信息，2 0 0 7 。( 8 ) 基本定义、基本理论和研究范围等几个角度进行探讨，对虚拟农业的基本体系进行梳理，建立虚拟 农业的基本理论框架和基本技术体系，为虚拟农业的健康发展做一些基本工作。 2 虚拟农业的定义 我国虚拟农业的提出背景，是在2 0 世纪8 0 年代，当计算机虚拟现实技术取得快速的发展，并 在各个行业应用中取得不俗的成绩的情况下提出的。提出的目的，是想借助虚拟现实技术，来推动 信息技术对传统农业的改良，提升传统农业的效益和价值。但是，就在当时，数字农业、精确农业 的概念也已经提出来了，仅仅从上面提到的接受度比较广泛的虚拟农业的定义看，还是很难看出与 数字农业、精准农业有何区别。“数字农业”指的是将遥感、地理信息、全球定位系统以及电脑、通 讯和网络、自动化设备等高新技术，与地理、农学、生态学、植物生理学，土壤学等基础学科有机 地结合起来。对农作物发育生长、病虫害发生、水肥状况变化以及相应的环境要素进行实时监察。 定期获取信息，建立动态多维系统，模拟农业生产过程中的种种现象。达到合理利用农业资源、降 低生产成本、改善生态环境、提高农作物产量和质量的目的。又有入将数字农业也称为是智能农业、 精细农业。但是。精准农业又有其自身的定义，“精准农业是指由信息技术支持的根据空间变异定位、 定时、定量地实施一整套现代农事操作技术与管理的系统，其基本含义是指根据作物生长的土壤性 状，调节对作物的投入，即一方面查清田块内部的土壤性状与生产力空间变异，另一方面确定农作 物的生产目标，进行定位的系统诊断、优化配方、技术组装、科学管理”，调动土壤生产力，以最少 的或最节省的投入达到同等收入或更高的收入，并改善环境高效地利用各类农业资源，取得经济 效益和环境效益。智能农业即利用智能化农业信息技术来指导农业生产。以农业专家系统为代表， 它是一种拥有高层次、多方面的农业专家知识、并能模仿人类的推理过程，在计算机上以形象、直 观的方式向使用者提供各种农业问题决策咨询服务的实用软件系统。从以上的定义可以看出，精准 农业的特点在于农业生产的经营过程，可以对农业的生产对象实现精确的管理。智能农业是通过应 用计算机的智能技术，提高农业管理决策水平。数字农业是数字化技术在农业上的应用，是指农业 产品及其生产管理过程的数字化。精准农业和智能农业是数字化农业的特点，数字化的一般特点呈 现为智能化、个性化和网络化。智能农业即生产过程及管理决策的自动化和智能化。个性化是指可 以在生产过程对生产的过程进行个性化控制，与精准农业相对应。其实，虚拟农业也是农业数字化 的结果，但与精准农业和智能农业有所不同，它强调的不是在农业的生产过程中，它突出表现在农 业生产的设计过程中，包括品种设计、资源利用设计、生产过程设计、管理方案设计和农业区划设 计等，并可以贯穿农业科研、生产、管理与教学整个过程的农业数字化技术。它是农业数字化的高 级形式，是对精准农业、智能农业的必要的有益补充。因此，可以将虚拟农业定义为；。以计算机网 络为平台，以农业科学技术原理为支撑，以虚拟现实技术对农业对象进行重构或设计，建立虚拟的 农业环境，进行农业产品及资源的组织管理、开发利用和优化配置，进行农业的科研，生产流通、 管理决策和知识与技术的教育推广，是基于多学科专业人员合作的，可以促进现代农业增值的学习、 研究和生产的体系”。因为随着现代农业中各门类技术的高度集成，单一知识领域的专家已经没有 办法对现代的农业生产进行有效的研究及组织管理，必须是多学科专业人员的合作。虚拟农业是一 种技术体系同时也是一种组织体系和思想体系。因此。在定义中，并没有仅仅将虚拟农业作为一 种技术体系。作为技术体系，虚拟农业为农业的科研提供了一个研究环境，为农业开发人员提供了 一个设计环境，为知识传播和技术推广提供了一个交流的平台；作为一种组织体系，它为农业的科 研、生产、管理与技术交流提供了一个组织的机制：作为思想体系。它为现代农业的产生带来了全 新的理念，将农业的设计概念引入了现代农业体系中，并以设计技术为核心，将农业的整个作业流 程实现了计算机的模拟，可以大大地提供农业活动的效率。为建设高效的环保的健康的农业提供了 切实可行的思路。 3 虚拟农业的特点 虚拟农业按其过程可以将其以“四化”来概括。即信息获取设备的数字化，信息处理方式的智 胡林等：对虚拟农业定义及其结构体系的探讨 酊 能化，信息处理过程及结果的准确化，信息表达方式的真实化。虚拟农业的信息是海量数据，因此 虚拟农业的信息技术的应用是现代信息技术的前沿，包括其数据的处理要应用并行计算和分布计算 技术。 3 1 设备的数字化 设备的数字化是虚拟农业的基础，大量的数据是支持构建虚拟农业环境的基础，缺乏现代化的 高速信息采集设备。难以构建农业的虚拟环境。传统的信息采集方式不能满足采集速度的需要，并 且由于采集手段落后造成数据的不准确，给模型的建立带来困难。 3 2 智能化 信息处理方式的智能化，是指利用基于机器的算法进行数据的处理。传统的算法是面向人的算 法，算法的设计是为人参与计算设计的。算法设计简单，后来将面向人的算法搬到电脑中，但并未 充分发挥计算机的性能。将专家系统，面向机器的智能算法，如遗传算法、神经网络等引入了计算 中，提高了计算机的智能化水平。数据挖掘、知识发现算法，提高了计算机解算多维数据的能力。 并行算法、分布算法，解决了海量数据和分布式数据的解决方案。 3 3 真实化 信息表达的真实感，是虚拟农业与精准农业和智能农业的本质区别，没有真实感的环境，不能 称为虚拟农业，但是这种真实是基于外观真实外，更要强调其环境因素问交互驱动的真实性。如小 麦的生长，不仅要具有真实的小麦的外观形态，小麦的生长与环境因子的交互同样具有真实性。基 于真实的农业科学原理的特点，是虚拟农业区分与网络游戏的关键所在。 4 虚拟农业的体系结构 。r 结构决定功能，虚拟农业的体系结构决定了虚拟农业的功能。反之，虚拟农业所应该实现和具 备的功能，决定了虚拟农业必须具有特定的结构。 对于虚拟农业的结构问题，有一种观点，由于它将虚拟农业的范围局限于对虚拟植物及其环境 的交互上，因而，将虚拟农业的一般结构特殊化了变成了虚拟植物研究的一般结构【1 3 。杨国才对 虚拟农业的体系框架进行了一般化的描述，构建了虚拟农业的一般体系，对虚拟农业的网络化特 性给予了充分地重视，但是，对于虚拟农业体系结构中，对于信息获取的重要性以及对于虚拟农业 对于农业的新的组织特点等，并未给予适当的重视。 图1 虚拟农业的体系结构 F l g u m l T h ev _ 咖a Ia 面c u l t u mO 衄e 帅r k 虚拟农业是多学科专业人员合作的体系。因此，虚拟农业体系必须是开放的体系，是基于互联 网的体系。必须具有发达的通讯能力，供不同领域的人员进行充分地沟通与交流。虚拟农业的体系 是一个具有智能化信息处理的体系，因此，必须具有相应的专家知识库、推理机及专家知识编辑机 制，同时在信息处理机制上还应该采用数据挖掘与知识发现技术，来处理海量数据发现数据中隐 鹋 农业网络信息2 叫7 ，( B + ) 含的规律性。海量信息的存在要求系统具备高速的海量数据储存器，并具有并行算法进行数据的处 理。由于虚拟农业系统要求具有真实感的信息表达能力，因此，系统必须具有高性能的图像处理能 力。综台以上分析，可以得到虚拟农业的基本体系结构。如图I 。 5 虚拟农业与虚拟现实的区别 虚拟农业是虚拟现实在现代农业中的应用，是现代农业对虚拟现实中真实感觉的各种技术的借 鉴，同时，也是现代计算机技术发展理念在现代农业中的应用。美国n n o i s 大学农业实验站的D A H o l c 和S T s o n k a 认为：虚拟农业不仅仅是对网络计算机的类比，虚拟农业将会越来越依赖网络计 算机，信息的结构必须扮演一个新的角色，使得农业合作者之间的沟通和交通更为更廉价、更方便、 更频繁、更容易。同样地，信息的结构也使得研究与开发活动中的信息的搜索与获取变得更为重要 嘲。以上的信息在虚拟农业的结构体系中得到了充分地展现。即虚拟农业不仅仅是一种技术体系， 同时是组织体系与思想体系。虚拟农业与虚拟现实的区别还表现在虚拟农业在借用虚拟现实时，它 与虚拟现实对其三个特点的实现与要求不尽相同。 虚拟现实的特点，体现在它的沉浸感、交互性与构想性上。虚拟农业主要借鉴了虚拟现实这个 层面上的意义。但是，它与虚拟现实不同。 首先，表现在沉浸感上，虚拟农业的研究，不一定要做多维的环境，使参与者有身临其境的感 觉，它更强调在其要体验对象上的真实性上，其参与的环境，可以是三维的，甚至可以是2 5 维的。 它强调一种真实感，兼顾感官上的感知的真实感和虚拟环境中各对象交互的真实感和其驱动基于的 科学性上 其次，在交互性上，虚拟现实强调作为参与者的人可以与虚拟环境中的对象进行交互。即参与 者可以操纵虚拟环境中的部分对象，是虚拟环境组成的一部分。而虚拟农业中它并严格要求参与者 是虚拟环境的一部分，它更强调虚拟环境中各对象之间的交互及其后果，并对交互的过程及其深层 次的原因更感兴趣。 在构想性上，虚拟现实是指参与者当其沉浸在虚拟现实时产生的联想。而在虚拟现实中，则更 强调要参与者通过与虚拟农业环境的交互。体悟虚拟农业环境中交互发生的道理，井引发其理性的 思考，也指根据农业虚拟环境的交互现象对虚拟环境做出更为合理地符合人类意愿的改造的设计。 与大多数研究的认识不同口】，无论是从它的实践的出发点。还是它实践过程，及其要达到的目 的看，本文认为虚拟农业归根结蒂应该是现代农业的一个分支，与精准农业、智能农业一样，是数 字农业的一种表现形式，而不应该是虚拟现实的一个分支，虚拟农业只是从虚拟现实中借鉴了它的 部分思想和技术手段而已”。 6 虚拟农业的应用领域 虚拟农业是以农业设计为核心的，可以应用在农业科研，农业生产、农业管理、知识传播及技 术推广的各个阶段。 6 1 在农业科研中的应用 虚拟农业技术可以广泛地应用在农业科研的各个方面，并可以极大地增强农业科研的能力，变 过去的不可能为可能。如作物形态设计、农药化肥施用技术、农业生产对生态环境影响的评价，农 业自然灾害的模拟及预防策略的制定等。还可以进行农机具及农业大型设备研发设计等。可以说虚 拟技术在农业科研中的应用是对农业科研方式的革命。 6 2 在生产中的应用 利用虚拟农业技术，可以模拟生产组织的流程，并根据模拟的结果，对生产方案进行评价。降 低生产消耗，提高生产效率。并可以对生产中存在的风险进行正确地预见和评估，保护劳动者的安 全。 6 3 在经营管理中的应用 胡林等：对虚拟农业定义及其结构体系的探讨 6 9 虚拟农业技术是管理者进行农业经营管理的得力的工具。利用虚拟农业环境可以对农业活动在 事前进行充分地模拟和推演对管理中的各个环节进行仔细地推敲，制定出合理的经营方案。并针 对可能出现的情况做出多种预案，因而，对未来可能出现的各种情况做到成竹在胸。利用计算机的 专家知识系统，可以帮助普通人员提高决策水平，从而提高整个农业行业的管理决策水平。 6 4 在教育中的应用 虚拟农业技术在教育与技术推广中的应用，将全面提高农业从业人员的业务素质。利用农业虚 拟技术，可以使受培训人员直观地感受到环境变化与农作物生长的影响，可以让学员快速掌握农业 机具的使用，可以让学生在虚拟的环境中进行植物栽培试验，尤其是多年生，栽培周期长的植物， 对于学习时限较紧的学员，往往不能在真实的环境中得到学习的机会，而在虚拟环境中，可以将有 几百年生长时间的松树的生长，用很短的时间重现。对于有破坏性的实验，则更具有独特的优势， 可以通过虚拟环境进行训练，减少对资源的浪费，并显著地缩短学员的培训时间。如果树的修剪、 草原防火森林防火的模拟演练。 7 总结 随着计算机信息技术的发展，计算机可视化研究、海量数据处理、并行运算、分