植物的虛擬世界
——記中國農(nóng)業(yè)大學(xué)教授郭焱

本刊記者 劉 賦

郭焱在辦公室

數(shù)字化浪潮澎湃而來，正重塑我們的生活。輕點電腦或手機屏幕，即可進(jìn)行工作、安排衣食住行，不僅大都市的白領(lǐng)對此已習(xí)以為常，小城鎮(zhèn)乃至鄉(xiāng)村的年輕人也開始熟悉起來。

上世紀(jì)90年代，美國學(xué)者預(yù)測了未來的一種生存方式，即人類將生存于一個虛擬的、數(shù)字化的空間，人們應(yīng)用數(shù)字技術(shù)進(jìn)行工作和生活的各項活動，這便是所謂的數(shù)字化生存。才過去短短20來年，這種生存方式已呈現(xiàn)在眼前。那么，對于新科技浪潮通常很晚才會波及的農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，又會是怎樣的情景呢？為此，記者走訪了中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院的郭焱教授。

在辦公室里，郭焱在電腦上給記者展示了團隊的成果。電腦逼真地模擬出玉米、水稻群體，隨著鼠標(biāo)移動人們可在作物群體里漫游，看到陽光照進(jìn)大田后灑落在作物葉片上、地面上的熠熠光斑，一切都栩栩如生。

郭焱告訴記者，這就是數(shù)字植物，它還有個特別的名字：虛擬植物。能想象得到，開發(fā)這樣復(fù)雜的計算機模型需要有很好的數(shù)學(xué)、計算機方面的能力，記者很好奇這個農(nóng)業(yè)大學(xué)里的團隊為何能開展這個研究，也想知道這種模型是如何實現(xiàn)的、有何應(yīng)用價值。

序曲

當(dāng)年，郭焱考入北京農(nóng)業(yè)大學(xué)（今中國農(nóng)業(yè)大學(xué)）時，在土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)專業(yè)中學(xué)習(xí)了大量的化學(xué)與農(nóng)學(xué)的課程。“我本來應(yīng)該成為一個典型的農(nóng)業(yè)科研人員，要么在大田做實驗，要么身穿白大褂在實驗室進(jìn)行化學(xué)分析。”他笑著說。不過，當(dāng)他碩士階段進(jìn)入到石元春院士的團隊后，一切都發(fā)生了變化。

在上世紀(jì)80年代初，石元春的團隊就開始了應(yīng)用計算機進(jìn)行農(nóng)業(yè)研究的探索。在團隊里，老先生們思想開放，年輕人思維活躍。通過國際合作，在那個年代實驗室里就配備了國內(nèi)稀有的微機。“1985年時我就開始用微機編程，當(dāng)時的微機還沒有硬盤，用8英寸軟盤。”郭焱說。很快，研究生們就用上了X86系列的第一代微機。到1995年時，實驗室裝備了中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的第一臺大屏幕586計算機。那些年，計算機硬軟件技術(shù)的發(fā)展激動人心，年輕人們的計算機技能也飛速提高。

1994年，團隊的李保國教授去參加計算機展銷會。在會場上，他被一臺計算機上模擬出的美輪美奐的三維植物所吸引，雖然這只是對植物形態(tài)的簡化模擬，但已令他深為震撼，他覺得這種模型改進(jìn)后在農(nóng)業(yè)上應(yīng)該大有應(yīng)用前途。回來后，他和郭焱一拍即合，聯(lián)手開始了虛擬植物的研究。

探索

當(dāng)時，國際上已進(jìn)行了多年的作物模型研究，但這些模型在植物形態(tài)方面的模擬很簡化。郭焱知道，植物葉片的形狀和空間分布，會顯著地影響植物對太陽輻射的截獲，進(jìn)而影響光合產(chǎn)量。精確模擬植物形態(tài)，會更好地模擬植物生長過程。但當(dāng)時的模型還不足以達(dá)到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的高要求，比如，農(nóng)業(yè)研究人員甚至老農(nóng)，一眼就能分辨出兩個不同品種的玉米植株，而當(dāng)時的虛擬植物模型則還不具備模擬這種差異的能力。

要對植物形態(tài)進(jìn)行精確研究，就得有合適的測量方法。郭焱想到，只要獲得了一個葉片上特征點的三維坐標(biāo)值，就能很好地勾畫出這個葉片的幾何輪廓，也就有可能精確地模擬出葉片的形狀及空間姿態(tài)了。于是，郭焱在浩如煙海的文獻(xiàn)庫里開始查尋，希望找到合適的測量方法。功夫不負(fù)有心人，最后終于在國家圖書館里找到了一篇20多年前發(fā)表的國外文獻(xiàn)。根據(jù)文獻(xiàn)中的原理，他在學(xué)校電子教研組老師的幫助下，開發(fā)出了一臺三維數(shù)字化儀，艱難地完成了玉米植株形態(tài)的測定。有趣的是，后來郭焱和國際上差不多同時開始虛擬作物模型探索的同行交流時，發(fā)現(xiàn)大家都找到了同一篇文獻(xiàn)、制作了同樣的三維數(shù)字化儀！

在獲取了數(shù)據(jù)后，接下來面臨的問題是要有功能強大的計算機來建模，這就需要使用圖形工作站。由于圖形工作站價格昂貴，當(dāng)時國內(nèi)只有中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所等個別單位才有。通過牽線搭橋，郭焱獲得了到計算所上機的機會，不僅要啃下幾本厚厚的三維圖形編程英文手冊，還要惡補從沒接觸過的計算機圖形學(xué)原理，但郭焱硬是在短短的3個月內(nèi)就完成了虛擬玉米模型。“這是國內(nèi)第一個真正意義上的虛擬植物模型。”郭焱得意地說。

學(xué)科交叉與合作

隨著第一個虛擬玉米模型開發(fā)出來，數(shù)學(xué)、計算機、氣象等各個學(xué)科的人才都匯集到團隊中。團隊將用于虛擬現(xiàn)實的高端數(shù)字化系統(tǒng)應(yīng)用到了精確測定大田作物的形態(tài)結(jié)構(gòu)。接著，大田作物冠層空間光分布模型也開發(fā)出來了。這種空間關(guān)系明晰的虛擬植物模型，與反映客觀環(huán)境時空變化的模型結(jié)合，就具有了特有的優(yōu)勢。

當(dāng)時，美國學(xué)者提出“誰來養(yǎng)活中國人”的話題一石激起千層浪，國內(nèi)為此進(jìn)行了激烈的爭辯。為培育超高產(chǎn)水稻新品種，袁隆平先生提出了“超級稻”株型的概念，認(rèn)為必須采用這種高效利用光能的新株型。于是，郭焱給袁先生去信介紹了團隊的新成果。很快，就收到了老先生的回信：“計算機模擬技術(shù)聽說能夠模擬核爆炸過程，實現(xiàn)在沒有核爆炸的情況下進(jìn)行‘核試驗’，如果能應(yīng)用到雜交水稻理想株型育種方面，我相信也是很有前途的……”于是，團隊與國家雜交水稻工程技術(shù)研究中心合作，開始了對葉片形狀和角度等各有差異的雜交稻不同株型建模的研究。研究結(jié)果表明，超級稻株型的確能更高效地利用光能，研究也展示了應(yīng)用計算機模型設(shè)計作物新株型的誘人前景。

近年來，霧霾肆虐大江南北。為評估霧霾對我國作物生長的影響，團隊采用天空輻射模型與虛擬模型耦合進(jìn)行了研究。利用三維模擬機制，能更精確地分析霧霾對農(nóng)作物受光的影響。但這種高精度模擬帶來了巨大的計算量，十分耗時，為此，團隊采用了高性能并行計算系統(tǒng)，僅用數(shù)十秒就完成了所有的模擬工作。“學(xué)農(nóng)出身的學(xué)生，照樣能玩得轉(zhuǎn)這些高大上的東西。”郭焱對學(xué)生的出色才能感到很自豪。

郭焱也忘不了自己的老本行——土壤學(xué)。隱藏在土壤里的植物根系，如同處于黑箱之中，研究人員難以直接觀測根系，使得對根系的了解遠(yuǎn)低于對植物地上部的了解。為此，團隊建立了根系在土壤中生長的三維模型，研究也許將為未來設(shè)計高效吸收土壤水分和養(yǎng)分的新型作物根系起到難以估量的作用。

團隊與法國、澳大利亞和美國的研究人員進(jìn)行了廣泛的合作，也和中國科學(xué)院自動化所等國內(nèi)單位進(jìn)行了長期合作。正是國內(nèi)外密切合作和團隊內(nèi)多學(xué)科交叉融合，使團隊的研究向更深層探索。

在路上

2014年，郭焱到澳大利亞進(jìn)行訪問研究，了解到基于無人機平臺的信息獲取系統(tǒng)的性能已得到了迅速提升。從獲取到的多視角植物圖像里，他敏銳地看到了采用無人機快速獲取作物三維信息的可能性，能消除長期以來在作物形態(tài)信息獲取速度上的困擾。回國后，他與團隊開始探索。通過對無人機獲取的高重疊度航拍圖像進(jìn)行處理，采用機器學(xué)習(xí)等方法進(jìn)行分析，已初步建立了快速獲取數(shù)據(jù)構(gòu)建農(nóng)田作物虛擬模型的方法。

郭焱對未來有很多憧憬。他希望采用最新發(fā)展起來的數(shù)據(jù)采集、分析與建模方法，構(gòu)建虛擬農(nóng)田系統(tǒng)，讓育種人員在系統(tǒng)里快速評估、設(shè)計新型的作物品種，讓栽培管理人員精確地設(shè)計節(jié)約資源、環(huán)境友好而高產(chǎn)的栽培方案，讓孩子們在虛擬農(nóng)場上體驗田園牧歌的生活。當(dāng)然，面臨的挑戰(zhàn)還有很多，路還長。