植物的虛擬世界

劉賦

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

上世紀90年代，美國學者預測了未來的一種生存方式，即人類將生存于一個虛擬的、數字化的空間，人們應用數字技術進行工作和生活的各項活動，這便是所謂的數字化生存。才過去短短20來年，這種生存方式已呈現在眼前。那么，對于新科技浪潮通常很晚才會波及的農業領域，又會是怎樣的情景呢？為此，記者走訪了中國農業大學資源與環境學院的郭焱教授。

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，隨著鼠標移動人們可在作物群體里漫游，看到陽光照進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，這就是數字植物，它還有個特別的名字：虛擬植物。能想象得到，開發這樣復雜的計算機模型需要有很好的數學、計算機方面的能力，記者很好奇這個農業大學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的、有何應用價值。

序曲

當年，郭焱考入北京農業大學（今中國農業大學）時，在土壤農業化學專業中學習了大量的化學與農學的課程?！拔冶緛響摮蔀橐粋€典型的農業科研人員，要么在大田做實驗，要么身穿白大褂在實驗室進行化學分析?！彼χf。不過，當他碩士階段進入到石元春院士的團隊后，一切都發生了變化。

在上世紀80年代初，石元春的團隊就開始了應用計算機進行農業研究的探索。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稀有的微機?！?985年時我就開始用微機編程，當時的微機還沒有硬盤，用8英寸軟盤?！惫驼f。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業大學的第一臺大屏幕586計算機。那些年，計算機硬軟件技術的發展激動人心，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的簡化模擬，但已令他深為震撼，他覺得這種模型改進后在農業上應該大有應用前途?；貋砗?，他和郭焱一拍即合，聯手開始了虛擬植物的研究。

探索

當時，國際上已進行了多年的作物模型研究，但這些模型在植物形態方面的模擬很簡化。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，進而影響光合產量。精確模擬植物形態，會更好地模擬植物生長過程。但當時的模型還不足以達到農業領域的高要求，比如，農業研究人員甚至老農，一眼就能分辨出兩個不同品種的玉米植株，而當時的虛擬植物模型則還不具備模擬這種差異的能力。

要對植物形態進行精確研究，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了。于是，郭焱在浩如煙海的文獻庫里開始查尋，希望找到合適的測量方法。功夫不負有心人，最后終于在國家圖書館里找到了一篇20多年前發表的國外文獻。根據文獻中的原理，他在學校電子教研組老師的幫助下，開發出了一臺三維數字化儀，艱難地完成了玉米植株形態的測定。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，發現大家都找到了同一篇文獻、制作了同樣的三維數字化儀！

在獲取了數據后，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，當時國內只有中國科學院計算技術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原理，但郭焱硬是在短短的3個月內就完成了虛擬玉米模型?！斑@是國內第一個真正意義上的虛擬植物模型?！惫偷靡獾卣f。

學科交叉與合作

隨著第一個虛擬玉米模型開發出來，數學、計算機、氣象等各個學科的人才都匯集到團隊中。團隊將用于虛擬現實的高端數字化系統應用到了精確測定大田作物的形態結構。接著，大田作物冠層空間光分布模型也開發出來了。這種空間關系明晰的虛擬植物模型，與反映客觀環境時空變化的模型結合，就具有了特有的優勢。

當時，美國學者提出“誰來養活中國人”的話題一石激起千層浪，國內為此進行了激烈的爭辯。為培育超高產水稻新品種，袁隆平先生提出了“超級稻”株型的概念，認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：“計算機模擬技術聽說能夠模擬核爆炸過程，實現在沒有核爆炸的情況下進行‘核試驗，如果能應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，研究也展示了應用計算機模型設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行了研究。利用三維模擬機制，能更精確地分析霧霾對農作物受光的影響。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，僅用數十秒就完成了所有的模擬工作。“學農出身的學生，照樣能玩得轉這些高大上的東西。”郭焱對學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。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計高效吸收土壤水分和養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行了廣泛的合作，也和中國科學院自動化所等國內單位進行了長期合作。正是國內外密切合作和團隊內多學科交叉融合，使團隊的研究向更深層探索。

在路上

2014年，郭焱到澳大利亞進行訪問研究，了解到基于無人機平臺的信息獲取系統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行處理，采用機器學習等方法進行分析，已初步建立了快速獲取數據構建農田作物虛擬模型的方法。

郭焱對未來有很多憧憬。他希望采用最新發展起來的數據采集、分析與建模方法，構建虛擬農田系統，讓育種人員在系統里快速評估、設計新型的作物品種，讓栽培管理人員精確地設計節約資源、環境友好而高產的栽培方案，讓孩子們在虛擬農場上體驗田園牧歌的生活。當然，面臨的挑戰還有很多，路還長。