【研究意义】精准农业是在信息技术的支持下，定位、定时、定量地实施一整套现代化农事操作技术与管理规范。精准农业技术能够做到按需分配农业生产要素和资源，能够减少资源浪费，降低农业生产成本，提高生产效率，达到社会、经济、资源、环境协调，最终实现农业的可持续发展。近年来，随着作物生理生态理论、试验手段和信息技术的发展，作物生产逐渐向与高科技结合的智能化、数字化生产方式转变^[1-2]。计算机和信息技术在农业领域的广泛应用为农业产业的技术改造和提升注入了巨大活力，也为作物生产管理提供了新的方法和手段^[3-5]。农作物的三维生长过程数字化显示，也就是虚拟作物，对农业科研、生产、教学有着极大的应用价值^[6-7]。【前人研究进展】计算机能以真实感模拟作物的三维生长的关键，是作物的三维几何形态建模和计算机可视化技术^[8]。计算机图形学技术与农业知识的有机结合使得对农作物形态结构和生理功能的研究跨入到数字化、可视化的阶段，在计算机上以三维可视的方式来分析、研究和设计农作物的形态结构和生长过程已经成为可能^[9-11]，数字植物、作物数字化设计等新的研究领域逐渐得到研究者的重视^[12-14]。虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向，是仿真技术与计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、传感技术网络技术等多种技术的集合。虚拟现实技术主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感设备等，通过计算机模拟出实时动态的三维立体逼真图像。除计算机图形技术所生成的视觉感知外，还有听觉、触觉、力觉、运动等感知，由计算机来处理与参与者的动作相适应的数据，并对用户的输入作出实时响应。【本研究切入点】近年来，对于作物个体生长过程的可视化模拟研究，以及对作物生长的形态虚拟化研究越来越少，作物生长的仿真模拟开始向作物生产者的具体应用转变，而以栽培技术为知识模型的虚拟现实技术(VR)是这种转变过程中的一个重要方向。【拟解决的关键问题】通过对玉米的6个生长周期(播前准备、播种期、苗期、穗期、花粒期、收获期)的栽培知识解说、作物生长过程的仿真展示与模拟，为玉米绿色高产定向栽培提供技术支撑。

针对玉米绿色高产高效种植设计，收集并整理玉米生产定向栽培数据资源，集成玉米高产高效知识模型和生长发育模型，向用户推荐玉米定向栽培方案，序列化玉米关键生产环节场景；基于知识网络与生产场景映射进行生产过程的人机交互设计，使知识融于人机交互过程，使用户在使用的过程中掌握玉米定向栽培技术方案。系统总体设计如图 1所示。

图 1 (Fig. 1)

图 1 系统总体设计 Fig.1 The general design of the system

根据玉米定向栽培可视化系统需求，构建玉米播前准备、播种、苗期、穗期、花粒期、收获期6个时期的知识模型。以河南省长葛市为例，构建出6个不同生育时期的管理知识模型库，包括栽培措施，水、肥管理，病虫害防治，防倒伏等。

构建玉米高产定向栽培3D模型库，包括种子模型、虫害模型、药剂模型、杂草模型、玉米苗模型、肥料模型、灌溉模型、农机模型、农机挂件模型、秸秆模型、仓库模型、建筑物模型等各生育时期的所有模型。使用Maya建模软件进行建模，导入Unity 3D引擎中。

根据系统可视化、交互式需求，搭建播前准备、播种、苗期、穗期、花粒期、收获期6个时期的生产环节三维场景。

根据玉米各生育期种植环节的技术要求，对玉米种植主要生育期知识点进行动画视频制作，通过视频解说、flash动画、图片、声音、文字、三维动画等，对实际种植场景的逼真模拟和再现，使粮食生产经营者如同身临其境。

基于Unity 3D引擎实现玉米各生育期三维生产场景渲染与栽培知识可视化交互，构建玉米绿色高产定向栽培可视化系统，趣味形象表达玉米栽培知识运用过程，通过玉米不同生育期场景漫游和交互操作，开发玉米绿色高产定向栽培可视化系统，为粮食生产经营者提供玉米生产知识体验过程，使玉米栽培技术通过人机交互达到“看动画，学知识，玩游戏，长技能”^[15]的效果。

根据玉米绿色高产定向栽培技术的要求，按照玉米栽培的6个时期，对系统功能进行详细设计。系统功能分为2个层次：一级功能对玉米的生育时期进行模块划分，共划分为6个时期：播前准备、播种期、苗期、穗期、花粒期、收获期，其功能设计如表 1所示。二级功能对玉米各生育时期内的栽培技术进行人机交互仿真模拟，包括栽培措施，水、肥管理，病虫害防治，防倒伏等。通过对每个周期知识点的互动视频解说、局部精细展示、声音等形式，来展示玉米栽培技术的知识体系，从而为粮食生产经营者提供生产知识体验过程。按照玉米生产管理的自然流程，将玉米6个生育时期的栽培技术知识体系进行详细设计，如图 2所示。

表 1(Table 1)

表 1 系统一级模块功能设计 Table 1 The primary function of the system 一级模块 Level 1 module 功能设计 Function design Pre-sowing preparation Seed quality, seed screening, pelleting seed Sowing time Straw turnover, sow fertilizer and seeds concurrently, watering for seed germination, formulation of pesticides for weeding, spraying in sowing time Seedling stage Spacing and singling, disease discovery, formulation of pesticides in seedling stage, spraying in seedling stage Ear period Water and fertilizer management, disease discovery, formulation of pesticides in ear period, spraying in ear period Flowering and milking stage Topdressing and earth up, drought control and drainage, formulation of pesticides in flowering and milking stage, spraying in flowering and milking stage Harvest time Maturity symbol, mechanical harvest, standard for storing in granary

表 1 系统一级模块功能设计 Table 1 The primary function of the system

图 2 (Fig. 2)

图 2 系统功能设计图 Fig.2 The diagram of the system

系统场景可分为静态部分和动态部分两大部分，静态部分主要是地形、地貌、植被建筑以及相应的光照纹理渲染等优化手段；动态部分主要是实现虚拟互动技术，如动态信息、虚拟漫游、视听效果、虚拟农作体验和病虫害防治等。

三维模型库的精细建模是玉米绿色高产定向栽培虚拟互动交互的基础，集成应用参数化建模、基于点云的三维重建、曲面重构等几何造型技术，开发三维场景模型库，包括种子模型、虫害模型、药剂模型、杂草模型、玉米苗模型、肥料模型、农机模型、秸秆模型、仓库模型等。为了快速、精确地对玉米不同品种各生育时期的三维模型进行建模，采用三维数字化仪在田间对玉米的茎节、叶片进行关键点三维坐标获取；对于叶片数据的获取规则是获取叶边缘与叶脉上的三维数据关键点。玉米生长建模参照肖伯祥等^[16]的方法，对叶片进行参数化建模，并进行网格简化；参照乔桂新等^[17]的方法对植物茎秆进行建模。部分模型如图 3~6所示。

图 3 (Fig. 3)

图 3 建筑物模型 Fig.3 The model of buildings

图 4 (Fig. 4)

图 4 农机模型 Fig.4 The model of the agricultural machinery

图 5 (Fig. 5)

图 5 药剂模型 Fig.5 The model of chemical bottles

图 6 (Fig. 6)

图 6 植株模型 Fig.6 The model of the plants

根据玉米各生育期种植环节的栽培技术要求，对玉米播种、玉米生长变化过程等知识的演示采用动画的形式进行表达。采用Maya动画制作软件进行动画视频制作，通过对实际种植场景的动画模拟对玉米栽培技术及玉米的生长过程进行快速模拟展示。如图 7、图 8所示。

图 7 (Fig. 7)

图 7 种子展示动画 Fig.7 The show of seeds animation

图 8 (Fig. 8)

图 8 玉米生长过程展示动画 Fig.8 The show of corn growth animation

基于Unity 3D引擎详细实现玉米播前准备、播种、苗期、穗期、花粒期、收获期6个时期的玉米生产三维场景，以及渲染与栽培知识可视化展示与人机交互。通过系统程序对模型素材、动画素材、声音素材、图片素材、文本素材等进行加载和调用，并按照玉米的6个生育时期模拟展示玉米的定向栽培管理措施，系统界面友好，UI设计新颖，易于用户操作和学习。系统场景及部分操作界面如图 9~13所示。

图 9 (Fig. 9)

图 9 玉米生育时期选择界面 Fig.9 The interface of the software on maize growth period

图 10 (Fig. 10)

图 10 系统演示大厅场景 Fig.10 The scene of the hall

图 11 (Fig. 11)

图 11 种子包衣操作间场景 Fig.11 The scene of the console

图 12 (Fig. 12)

图 12 农机室场景 Fig.12 The scene of the console

图 13 (Fig. 13)

图 13 农田场景 Fig.13 The scene of the farm

基于虚拟现实技术的数字化玉米种植能够缩短作物品种学习周期，方便直观，降低成本，是实现快速农业知识学习的关键。本研究重点研究了基于数字交互技术，以三维虚拟世界为载体，以农业仿真模型为科学计算依据，以任务驱动为特色的虚拟农业仿真平台架构，并基于Unity 3D引擎实现了交互式虚拟农业仿真平台。平台模拟展示了玉米绿色高产播种6个生育时期的栽培管理技术，并针对不同时期的不同情况模拟展示了具体的管理措施。通过趣味形象虚拟现实的方式表达了玉米栽培管理知识，为粮食生产经营者提供生产知识的体验性过程，达到学习知识，增长技能的效果，为玉米绿色高产定向栽培提供技术支撑。