虛擬現實技術在植物表型研究中的應用＊

丁子涵 ， 彭辰晨 ， 崔富榮 ， 焦 祥

（1.無錫職業技術學院，江蘇 無錫 214121；2.江蘇大學無錫機電學院，江蘇 無錫 214121）

0 引言

植物表型是基因型和環境因素相互作用所決定的形狀、結構、大小、顏色等植物外在特征，反映了植物細胞、組織器官、植株和群體結構及功能特征的物理、生理和生化性狀，其本質是植物基因圖譜的時序三維表達及其地域分異特征和代際演進規律。傳統的表型檢測主要是通過肉眼觀察、利用量具測量植物表型性狀特征，缺乏規范化的表征，只能手工記錄大量表型數據，無法滿足農林生產實踐需求。

隨著虛擬現實技術的飛速發展并廣泛應用于農林業。植物虛擬生長模型能夠在較短的時間內模擬植物在不同水、肥、溫度、濕度等環境條件下的表型變化規律，直觀地分析各環境脅迫因子對植物表型的影響。利用植物虛擬生長模型開展試驗研究不受時間季節、場地、生長周期和不可再重現等因素制約，可為農林植物表型研究提供仿真手段和基礎數據。相比于傳統植物表型研究，可顯著提高實驗安全性、縮短試驗周期、降低實驗成本。

鑒于目前國內外較為廣泛地開展了植物虛擬仿真研究，但不同生長環境因素脅迫下植物表型虛擬仿真研究相對較少，擬在分析植物表型研究必要性的基礎上，系統綜述國內外開展的植物虛擬生長模型研究，探討分析基于虛擬現實技術的不同環境脅迫下植物表型虛擬模型，以期促進農林植物表型更好地指導不同環境條件下、不同生長時期農林植物的管理作業。

1 植物表型檢測技術研究現狀

在全球人口數量激增而耕地面積逐漸減少導致糧食產量驟減的情況下，研究具有高產、高質量、高抗性的植物尤其是農林植物有著重要意義。傳統植物表型檢測需要借助人工難以獲得大樣本量的植物表型性狀信息，只能選擇關鍵生長期記錄相應表型數據，勞動量大、效率低、無法對大批量樣本進行全生命周期的檢測。并且測量所得數據不能直觀地呈現植物生長的動態變化以及環境脅迫對其表型的影響。隨著VR虛擬仿真技術的快速發展及其在農林植物表型研究應用中的優勢，國內外已開展相關研究并取得了大量研究成果。

1.1 國外研究現狀

植物學界對基因組學的研究重點逐漸轉向表型組學，而表型組學的關鍵是表型檢測技術以及高通量植物表型平臺的構建，國外許多研究團隊已展開了相關研究和表型平臺的研制，并應用于農林植物表型研究[1]。

表型數據的獲取是植物栽培與管理的重要支撐。目前，有多種方法來檢測植物表型信息。Mohanty等調用Plant Village數據庫中植物葉片圖像，利用GoogLeNet卷積神經網絡建模監測作物疾病[2]。Wakholi等利用高光譜成像技術根據生存力對玉米種子進行了準確分類，為開發快速、無損大規模高光譜玉米活力測定分選系統奠定了基礎[3]。Hang等開發了一款全自動玉米幼苗表型分析平臺，實現了對玉米幼苗葉片數、葉長、莖高等形態結構特征的三維重建并輸出[4]。Osroosh等開發了一款高度和寬度可調的大田高通量表型檢測平臺，可適用于不同大田環境和植物高度[5]。Furbank等綜述了高通量和高分辨率表型分析工具，并討論了其在植物生物學、功能基因組學和作物育種中的應用[6]。

1.2 國內研究現狀

相比于國外，我國植物表型組學起步較晚，但發展較迅速，取得了大量研究成果。高宇設計開發了一款溫室條件下基于機器視覺的作物表型監測系統，并對算法進行優化，可更加準確地診斷作物水分脅迫狀態[7]。張慧春等構建了經濟實用、面向模式植物擬南芥生長過程的形態表型測量機器視覺系統[8]。翟鵬設計開發了一款適用于溫室栽培環境下的葡萄表型特征視覺檢測系統，并通過實驗驗證了其可行性和有效性[9]。吳婷榮等利用圖像處理技術對籽棉含雜率進行檢測，解決了籽棉含雜率檢測繁雜的難題[10]。馮雷等利用多光譜成像技術檢測水稻葉瘟病，為科學防治稻葉瘟提供了決策支持[11]。

目前，我國對植物表型研究越發重視，并將植物表型研究成果應用于植物育種、農林植物栽培管理。如，根據植物表型信息指導噴藥、施肥、灌溉等，乃至指導農林植保機械設計，取得了顯著進展。

2 虛擬現實技術在植物表型研究中的應用現狀

隨著計算機信息水平的不斷提高以及信息科學和農林科學的不斷融合，可在計算機上模擬植物在三維空間的生長情況，從三維可視化的角度研究植物表型參數隨時間推移的變化規律，使傳統大田實驗不受場地、時間季節、試驗成本、危險性以及不可再重現等因素的制約。目前，國內外開展了大量研究，并取得了豐碩成果。

2.1 國外研究現狀

1968年美國生物學家Lindenmeyer提出了L-系統理論基礎，為植物表型可視化奠定了基礎。澳大利亞學者在L-系統的基礎上設計了虛擬植物生長軟件 Virtual Plants，并利用其對水稻、小麥、玉米等農作物進行了生長模擬。2016年Schnepf等利用L-系統建立根與菌絲生長三維模型，對生態系統功能和商業接種有重要的意義[12]。2005年Lars Mündermann等提出了擬南芥生長發育模型，可更好地理解植物在遺傳、生理、生態和進化等方面的發育狀況[13]。

國外許多學者一直投身于虛擬植物研究，并形成了有名的研究組織，如法國農業發展國際合作研究中心(CIRAD)、德國哥廷根大學、英國Westminster大學和荷蘭Wageningen大學等。

2.2 國內研究現狀

我國在農林植物虛擬研究方面起步較晚，但近年來取得了大量研究成果。唐衛東等構建反映植株—環境交互作用的虛擬植物動態模型[14]。羅燕等利用L-系統實現了“竹”的三維建模，并對原有粒子系統模型的隨機分布算法進行改進，提出了模擬“竹”群分布形態仿真算法[15]。唐麗玉在自主研發的ParaTree系統上擴展杉木動態生長模擬模塊，實現了杉木的生長發育模擬[16]。李東陽利用Visual C + +的軟件平臺創建了三維果園、倉房場景、漫游小車及附屬設施，可以根據不同應用進行改善，從而實現虛擬現實技術在農業方面的相應應用[17]。雷文等設計開發了“農業機械學”仿真教學系統，該系統可模擬農機設備生產作業,并虛擬拆裝主要農機設備等，具有一定的實用性和教學價值[18]。

我國在虛擬植物表型研究方面取得了大量成果，通過對不同生長環境、不同生長時期植物表型進行虛擬可視化，可直觀地研究不同環境因子（光照、溫度、濕度等）、不同管理措施（藥、肥、水等）對植物表型的影響，為農林生產實踐提供基礎數據。

3 結語

虛擬現實技術能夠很好地構建植物生長發育的三維模型，模擬植物在不同生長階段的表型特征，但在農林生產實踐中應用較少，主要是由于植物表型受基因、環境等因素的影響，而大田環境等因素不可控，無法精準地量化分析各因素對植物表型的影響，進而無法還原植物全生命周期表型變化規律。因此，如何準確模擬大田環境下植物三維生長模型、指導農林生產實踐，將是虛擬農林植物研究的重點。