作物栽培虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

廖維華, 郭新宇, 溫維亮, 李宗揚, 王 亞

(北京農(nóng)業(yè)信息技術研究中心 數(shù)字植物北京重點實驗室, 北京 100097)

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作物栽培虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

廖維華, 郭新宇, 溫維亮, 李宗揚, 王 亞

(北京農(nóng)業(yè)信息技術研究中心 數(shù)字植物北京重點實驗室, 北京 100097)

為解決傳統(tǒng)作物栽培實驗教學中作物生長周期長、教學成本高、授課方式單一、學生參與實踐機會少等問題,利用虛擬仿真技術構建了作物栽培實驗的虛擬仿真及互動操作實驗系統(tǒng),用于輔助學生進行作物栽培學習和生產(chǎn)實訓。系統(tǒng)內(nèi)含作物物種與品種遺傳特征、單項管理措施、綜合管理措施等3部分內(nèi)容和10項實驗。該系統(tǒng)能逼真再現(xiàn)作物的生長發(fā)育和栽培管理過程,讓學生通過虛擬實驗強化作物栽培的相關知識和實驗技能,在農(nóng)學專業(yè)作物栽培的實驗教學和科學研究中有較好的實用價值。

作物栽培； 虛擬仿真； 實驗教學

由于受植物生長時節(jié)、地點、屬性等多因素限制[1],高等院校傳統(tǒng)的作物栽培學實驗教學面臨許多實際問題。無論是實驗室實驗,還是野外實習,都會受到作物生長周期長、缺乏合適實驗材料的限制,學生不易進行作物全生育期的田間管理；在對不同生育期植物的形態(tài)學觀察、植株生長管理以及病蟲害觀察等多個實踐環(huán)節(jié),費時費力且成本較高[2-3]。

虛擬仿真技術在實驗教學中表現(xiàn)出很大的應用價值。虛擬仿真實驗室具有利用率高、易維護等諸多優(yōu)點,并且隨著計算機硬件水平的提升和軟件技術的發(fā)展,三維虛擬仿真實驗室的開發(fā)難度有所降低,而仿真度和交互性則不斷進步[4]。

筆者以虛擬現(xiàn)實引擎工具為技術開發(fā)平臺,以作物栽培學為基礎,結合3D建模、計算機網(wǎng)絡、動畫模擬、人機交互等技術,以二維和三維相結合的方式開發(fā)了作物栽培虛擬仿真實驗教學系統(tǒng),逼真地展示高產(chǎn)栽培技術下玉米、小麥的生長過程。

1 實驗系統(tǒng)方案設計

1.1 系統(tǒng)知識儲備

實驗內(nèi)容以作物的形態(tài)學觀察及簡單的技能培養(yǎng)為主,涵蓋作物生長發(fā)育過程與外界環(huán)境的關系,環(huán)境因素對作物形態(tài)結構、生長發(fā)育及作物品質(zhì)的影響作用,并將系統(tǒng)教學內(nèi)容與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐相結合[5]。實驗系統(tǒng)包括作物物種與品種遺傳特征、單項管理措施、綜合管理措施等3部分。以玉米栽培實驗為例,設置了“玉米形態(tài)學觀察”等10個實驗(見圖1)。

圖1 玉米虛擬仿真系統(tǒng)結構示意圖

玉米在生長過程中會發(fā)生不同的變化,主要表現(xiàn)在株型、器官、植株以及群體的生長發(fā)育及形態(tài)建成過程等方面。本實驗以基于玉米各生育期建立的玉米三維模型為基礎,通過設定玉米的主要生育時期的時間節(jié)點,以及各主要器官的生命過程關鍵時間節(jié)點(如玉米的播種期、出苗期、三葉展、拔節(jié)期、小喇叭口、大喇叭口、抽穗期、吐絲期、乳熟期、完熟期等主要生育時期的時間節(jié)點),以種植的天數(shù)序列為時間軸,建立玉米動態(tài)生長過程的數(shù)字化表達模型,并通過三維圖形技術實現(xiàn)玉米生長過程的動態(tài)虛擬展示與仿真。構建的三維模型能夠反映玉米生長過程特征,并以玉米的生長發(fā)育時間為序,將作物栽培學的實驗技能和操作貫穿于玉米的整個生長周期。

1.2 系統(tǒng)界面設計

作物栽培虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)包含計算機動畫和實驗操作兩部分。實驗操作界面包括主界面、實驗介紹、實驗幫助、實驗報告4個部分(見圖2)。主界面是實驗操作區(qū)域,提供儀器設備(左側(cè))和玉米單株模型、群體模型和特定環(huán)境因素模型等。實驗介紹、實驗幫助和實驗報告的頁面鏈接位于主界面的右上方。

實驗介紹區(qū)域主要是幫助學生復習基礎知識、介紹實驗原理；實驗幫助區(qū)域主要是對當前實驗的實驗工具、操作方法進行說明；實驗報告區(qū)域提供2種表格供學生完成實驗報告。一種表格是學生在實驗主界面完成操作、填寫等步驟后自動鏈接形成實驗報告；另一種是需要學生自行在實驗報告表格中填寫實驗結果。實驗報告提交后,會在報告中顯示參考答案。學生提交的實驗報告通過后臺被教師接收,方便教師掌握學生完成實驗的情況。

圖2左側(cè)的儀器設備包括知識規(guī)則和實驗工具兩部分。知識規(guī)則提供可選的場景、模型切換，例如在“玉米株型與合理密植”的實驗中,學生測量莖葉夾角、葉向值、葉面積指數(shù)等參數(shù)時,在知識規(guī)則選單中可以選擇緊湊型、半緊湊型、平展型的玉米單株和群體模型進行測量；在“玉米的礦質(zhì)營養(yǎng)與施肥管理”實驗中,點擊知識規(guī)則中的“缺素癥”下拉選單,則可以選擇缺N/P/K/Zn/B的玉米單株模型。該實驗教學系統(tǒng)的操作界面簡潔,卻包含了豐富、全面的操作步驟。

圖2 玉米株型與合理密植(實驗產(chǎn)量)虛擬仿真實驗界面

1.3 預期實驗效果

本系統(tǒng)提供了玉米生長過程的動態(tài)三維虛擬仿真實驗操作功能,實現(xiàn)了針對作物器官、單株個體、群體等的三維動態(tài)過程建模與仿真,使學生了解作物器官、個體和群體的生長發(fā)育過程,并結合作物產(chǎn)量的形成機理,加深對作物品種、株型等知識的認知,完全解決了真實實驗無法在短時間內(nèi)認知作物整個生命周期的問題。本系統(tǒng)通過友好的用戶操作界面和互動體驗環(huán)節(jié),讓學生多角度自由觀測，具有良好的人機交互性,有助于學生加強基礎知識的學習、提高實驗技能。

2 典型實驗——玉米栽培

玉米栽培虛擬仿真實驗圍繞玉米物種和品種遺傳特征、對環(huán)境的適應特點、栽培技術措施的效果和生產(chǎn)管理流程的共性知識,共涉及10項實驗(見圖1)。

“玉米形態(tài)學觀察”實驗主要包括玉米器官、植株形態(tài)結構觀察和特征測量等內(nèi)容；

“玉米的一生”實驗主要包括玉米植株形態(tài)建成過程的觀察、主要生育時期形態(tài)學觀察及主要形態(tài)特征參數(shù)測量；

“玉米株型與合理密植”實驗主要包括玉米株型劃分、不同株型的密度設計及其對產(chǎn)量的影響；

“玉米礦質(zhì)營養(yǎng)與施肥管理”實驗主要包括玉米對礦質(zhì)營養(yǎng)的要求、需肥規(guī)律和施肥技術、施肥方法；

“玉米水分生理與水分管理”實驗主要包括玉米對水分的要求、需水規(guī)律和灌溉技術；

“玉米病蟲害觀察”實驗包括玉米主要病蟲害的癥狀和危害級別識別；

“玉米整地與播種”實驗包括玉米種子處理、整地和播種等生產(chǎn)技能；

“玉米苗期管理”“玉米穗期管理”和“玉米花粒期管理”3項實驗都包括針對特定時期的植株觀察、除草、水肥、病蟲害管理等內(nèi)容。

以“玉米株型與合理密植”虛擬仿真實驗為例。玉米高產(chǎn)栽培必須做到合理密植,即根據(jù)當?shù)刈匀粭l件、生產(chǎn)條件和品種特性,建立一種高產(chǎn)的玉米群體結構,從而達到高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效的目的,其中品種特性更是玉米種植過程中需要考慮的重要因素。

本實驗以緊湊型、半緊湊型、平展型等3種株型的玉米單株和群體為實驗對象,進行玉米單株莖葉夾角、葉向值的測量和葉姿觀察,通過參數(shù)的測量值反映3種株型玉米植株的外形結構特點。同時,進行群體葉面積指數(shù)、消光系數(shù)的測量,探索不同株型玉米群體光截獲的特點。此外,本實驗還將玉米株型與合理密植結合起來,對不同株型的種植密度對產(chǎn)量的影響進行探索。

知識規(guī)則中提供3種株型的玉米群體,在儀器設備中提供虛擬的產(chǎn)量計算器(符號:P)工具,該工具提供3種種植密度:45 000 株/hm2、60 000 株/hm2和75 000 株/hm2供選擇。在特定的株型群體條件下,使用產(chǎn)量計算器能夠計算出某一密度條件下的產(chǎn)量值,獲得最高產(chǎn)量的種植密度是該株型玉米群體的最適種植密度。例如,在知識規(guī)則中選取“玉米地1”模型,用產(chǎn)量計算器分別計算出3種種植密度對應的產(chǎn)量值分別為7 500～8 500 kg/hm2、8 500～9 500 kg/hm2和9 500～10 000 kg/hm2,因此得出“玉米地1”的最適種植密度為75 000株/hm2。

實驗交互過程讓學生直觀地了解3種不同株型玉米植株的外形特點。通過虛擬仿真的三維場景實現(xiàn)玉米單株株型判斷、參數(shù)測量、最適種植密度計算等實驗過程。學生可以通過識別、測量、拖拽和填寫等交互過程完成實驗操作[6]。此外,學生還可以對模型進行旋轉(zhuǎn)、縮放、移動等操作,允許進行多角度的模型動態(tài)展示。所構建的三維場景能夠反映實際的玉米生長過程。通過虛擬實驗,學生能夠加深對于玉米的不同株型分類標準(莖葉夾角、葉向值、葉姿)的認識,同時掌握不同株型光截獲的特點(葉面積指數(shù)、消光系數(shù)),并將不同株型的種植密度與實際量結合起來,在保證科學性的同時,又具有很大的趣味性。

3 討論

作物栽培虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)是作物栽培實驗虛擬化的初步探索,也是在數(shù)字農(nóng)業(yè)、虛擬農(nóng)業(yè)應用中的嘗試。該系統(tǒng)所建模型、場景真實感強，符合實際的實驗操作情形,可以用于作物栽培實踐教學綜合訓練。通過虛擬仿真實驗，實現(xiàn)長時程實驗的短時化,增加學生對作物全生育管理技能的培養(yǎng)；通過虛擬仿真實驗,有利于增加交互的趣味性,幫助學生快速掌握作物栽培實驗的基本實驗技能。

但是,由于作物生長周期長,經(jīng)歷的環(huán)境因素是可變和不確定的,所以在模擬綜合生長條件下,水、肥、溫度等因素對于農(nóng)作物產(chǎn)量的影響仍需要進一步探索,以豐富本系統(tǒng)的知識框架和交互形式。

近年來,大量更自然、速度更快、精度更高的虛擬交互技術和設備相繼出現(xiàn),如可穿戴設備數(shù)據(jù)手套、頭盔、智能眼鏡[7]等設備以及Kinect[8]、LEAP Motion[9]等虛擬體感技術。如果能將這些虛擬交互技術產(chǎn)品應用于作物栽培實驗中,必然會增加虛擬仿真實驗的沉浸感、交互性與趣味性。虛擬仿真實驗系統(tǒng)的運用開創(chuàng)出新的教學方法,讓學生的創(chuàng)新能力和實踐能力得到了很大提高,這也是下一步研究的方向。

References)

[1] 陳洪,馬欽,朱德海.基于unity3d的交互式虛擬農(nóng)業(yè)仿真平臺研究[J].農(nóng)機化研究,2012,34(3):184-186.

[2] 海江波,索學芳,高金鋒.作物栽培學實驗課程教學體系的探索與思考[J].中國農(nóng)業(yè)教育,2000(2):39-40.

[3] 蔣艷娜,郭新宇,楊寶祝,等.基于Unity3D的大棚西瓜實訓系統(tǒng)[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學,2015(8):416-418.

[4] 汪昭,魏江,徐文娟.Unity3D在虛擬物理實驗設計中的應用[J].常熟理工學院學報,2015(6):112-115.

[5] 吳小平,齊立森,鄧旭陽.虛擬玉米植株三維動態(tài)建模[J].計算機仿真,2011,28(4):304-307.

[6] 呂萌萌,郭新宇,陸聲鏈,等.基于Unity3D果樹交互虛擬修剪技術及其實現(xiàn)[J].農(nóng)機化研究,2015(4):7-11.

[7] 吳亞東,趙思蕊,楊文超.讓人機交互更加真實[J].高科技與產(chǎn)業(yè)化,2015,11(11):50-51.

[8] 李知菲,何林知,洪震.體感交互技術在”虛擬現(xiàn)實技術”課程教學中的應用[J].中國信息技術教育,2014(5):115-117.

[9] 胡弘,晁建剛,林萬洪,等.基于虛擬手交互的航天員虛擬裝配訓練仿真方法[J].計算機應用,2015(增刊2):200-203.

Design and realization of virtual simulation experimental teaching system for crop cultivation

Liao Weihua, Guo Xinyu, Wen Weiliang, Li Zongyang, Wang Ya

(Beijing Key Laboratory of Digital Plant, Beijing Research Center for Information Technology in Agriculture, Beijing 100097, China)

The conventional crop cultivation experimental teaching is faced with some problems such as a long growing cycle of crop, high teaching cost，boring teaching methods and a few practice opportunities, etc. For this reason, an experimental teaching system of the virtual simulation and interactive operation for crop cultivation is established by using the virtual simulation technology so as to assist the students in the study of crop cultivation and production practice. The system contains the following three sections: the crop species and genetic characteristics, single management measures, and comprehensive management measures, and ten experiments. The system can vividly represent the growth and development of crop cultivation and management process, helping the students to enhance their knowledge and experimental skills of crop cultivation through virtual experiments. It is of a good practical value for experimental teaching of crop cultivation for Agronomy majors and scientific research.

crop cultivation; virtual simulation; experimental teaching

10.16791/j.cnki.sjg.2016.11.037

2016-05-30

國家863計劃課題(2013AA102305)資助；北京市農(nóng)林科學院科技創(chuàng)新團隊項目(JNKYT201604)資助

廖維華(1990—),女,四川達州,碩士研究生,主要研究方向為作物模型與應用

E-mail：liaoweihua1990@163.com

郭新宇(1973—),男,內(nèi)蒙古赤峰,研究員,主要從事數(shù)字植物理論技術研究.

E-mail：guoxy@nercita.org.cn

S31-4；TP391.9

A

1002-4956(2016)11-0150-03