研究進展：作物生長過程模擬模型與形態三維視覺化技術
作物生長過程是一個涉及作物基因、生長環境、管理措施等諸多變化因素的複雜巨系統，作物生長過程模擬一直都是作物生長過程數字化研究的重點內容之一。目前發達國家已經建立了比較完善的作物生長模擬模型，如美國的DSSAT模型、澳大利亞的APSIM模型、荷蘭的SUCROS模型等。我國的作物生長過程模擬研究雖然起步晚，但發展較快，並形成了一些具有代表性的模型。曹宏鑫等、曹衛星等以及高亮之和金之慶主要以作物栽培學為主，從作物科學與資訊科技相結合角度，探討了數字化栽培的框架與技術體系；潘學標等結合中國棉花栽培研究成果研製了棉花生長髮育模擬模型COTGROW；馮利平和韓學信建立了棉花的生長模擬模型COTSYS；孫忠富和陳人傑建立了以太陽輻射為基本驅動因子的溫室番茄生長髮育動態模型。2005年，作者團隊完成了小麥、玉米及連作模擬模型構建；趙春江院士團隊、曹衛星團隊、曹宏鑫團隊還整合專家系統、決策支援系統等技術，構建了相應技術的作物模擬系統。隨著數字化技術的發展，作物生長過程模擬模型得到了越來越多的重視和科研投入，並且正在向實用化方向邁進。
現有的作物模擬技術都是針對各要素建立相應的模擬模組，並最終整合形成整體的作物生長模擬模型，在各個模擬模組的協同性和模型的可擴充套件性上均存在明顯的不足。出現於20世紀70年代末的智慧體（Agent）技術是人工智慧技術的一個重要分支，具有較強的自主性、協同性、響應性及智慧性，能夠有效地解決作物生長模擬模型在協同和擴充套件方面存在的問題，已經成為作物生長過程模擬研究的新手段。隨著理論和技術的不斷成熟，Agent技術逐漸發展為多智慧體系統（Multi-Agent System，MAS）。國內外學者對Agent技術在農業領域的應用開展了一定的研究，Badjonski和Ivanovi 研製了一個遺傳育種Multi-Agent專家系統，實現了模擬育種專家選擇合適品種；Bentham在作物生產管理方面進行了嘗試，構建了開放性的基於Agent技術的決策支援系統，可以為農場主提供決策支援；Berger提出了一個基於Multi-Agent的農業經濟空間模型，該模型將經濟和水文模組融合到同一個空間框架內，以便及時反饋灌溉帶來的影響；作者團隊將Agent技術融於現代農業經濟管理決策支援系統的研究與開發中，設計了基於Agent的農業經濟智慧決策支援系統；王紀章針對溫室作物生長模擬生理生態模型的特點，開展了基於Multi-Agent技術的溫室作物模型自動整合機制研究，建立了溫室作物模型庫系統。但是，現有研究多數屬於Agent技術與專家系統或統計模型的結合應用，Agent技術尤其是MAS技術與大田作物模擬模型的結合應用未見報道。引入Agent技術研究作物生長過程數字化模擬，對提高作物不同生理過程間的協同性將具有顯著作用，對促進作物生長過程模擬研究向網路化、分散式發展具有重要意義。
作物形態結構建模是作物生長視覺化研究關鍵內容之一，如何快速地提取作物器官的形態特徵引數，並真實、準確地重建作物器官形態和器官間的拓撲結構已經成為了視覺化研究的重點。20世紀90年代以來，L-系統得到不斷髮展與完善，並形成了一系列作物形態結構模型，如棉花、大豆、玉米、大麥及水稻等。在作物生長過程模擬方面，澳大利亞Queensland大學、加拿大Calgary大學基於L-系統分別研發了Virtual Plants和L-Studio系統，用於模擬棉花、大豆、玉米等農作物的生長過程；法國農業發展研究中心（Agricultural Research for Development， CIRAD）也基於參考軸技術開發了一系列AMAP軟體，用於模擬植物三維結構、植物—環境間相互作用，分析計算器官大小。國內這方面的研究起步較晚，1995年作者團隊研製了“小麥模擬實驗系統”，建立了小麥生長過程模擬模型，並最早開展了三維視覺化技術研究探索，隨後結合三維動畫、計算機元件技術和小麥生長數字化模型開發了小麥三維視覺化系統；中國科學院自動化所、中國農業大學、中國科技大學等與法國CIRAD中心合作，在原有的AMAP軟體基礎上，開發了雙尺度自動機模型GreenLab。南京農業大學將水稻的生長模擬模型、形態結構模型、虛擬現實模型及策略分析模型等深度結合，開發了基於模型的視覺化水稻生長系統。隨著技術的進步，作物模擬模型和形態結構模型相結合的要求越來越高，也吸引了更多的農學家和育種學家的關注，但是在作物模擬模型和三維結構視覺化的有機結合、模型內部的有效協同、程式碼重用等方面還存在很多問題和不足。
為提高作物形態模擬的時效性和真實感，為合理的株型設計、冠層光截獲模擬及作物長勢評估等研究提供支援，本研究應用物聯網技術進行田間資料實時採集，並與作物模擬模型結合，應用Multi-Agent技術開展了作物模擬方法的研究和框架設計。並以作物典型代表小麥為研究物件，在田間試驗的基礎上，構建了Logistic方程模擬3個品種冬小麥生長曲線，構造了小麥葉片生長几何模型，繪製了具有較強真實感的小麥形態結構模型，並將小麥主要器官生長模擬模型和形態結構模型有效結合，實現了不同品種小麥在不同施氮條件下的生長過程三維形態視覺化。
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溫馨提示：本文節選自《智慧農業》2019年第1卷第1期。點選文末“閱讀原文”可直達期刊官網免費閱讀、下載。
引用格式：諸葉平, 李世娟, 李書欽. 作物生長過程模擬模型與形態三維視覺化關鍵技術研究[J]. 智慧農業, 2019, 1(1): 53-66.
ZHU Yeping, LI Shijuan, LI Shuqin. Research on key technologies of crop growth process simulation model and morphological 3D visualization[J]. Smart Agriculture, 2019, 1(1): 53-66.
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