虚拟现实技术在植物表型研究中的应用＊

丁子涵 ， 彭辰晨 ， 崔富荣 ， 焦 祥

（1.无锡职业技术学院，江苏 无锡 214121；2.江苏大学无锡机电学院，江苏 无锡 214121）

0 引言

植物表型是基因型和环境因素相互作用所决定的形状、结构、大小、颜色等植物外在特征，反映了植物细胞、组织器官、植株和群体结构及功能特征的物理、生理和生化性状，其本质是植物基因图谱的时序三维表达及其地域分异特征和代际演进规律。传统的表型检测主要是通过肉眼观察、利用量具测量植物表型性状特征，缺乏规范化的表征，只能手工记录大量表型数据，无法满足农林生产实践需求。

随着虚拟现实技术的飞速发展并广泛应用于农林业。植物虚拟生长模型能够在较短的时间内模拟植物在不同水、肥、温度、湿度等环境条件下的表型变化规律，直观地分析各环境胁迫因子对植物表型的影响。利用植物虚拟生长模型开展试验研究不受时间季节、场地、生长周期和不可再重现等因素制约，可为农林植物表型研究提供仿真手段和基础数据。相比于传统植物表型研究，可显著提高实验安全性、缩短试验周期、降低实验成本。

鉴于目前国内外较为广泛地开展了植物虚拟仿真研究，但不同生长环境因素胁迫下植物表型虚拟仿真研究相对较少，拟在分析植物表型研究必要性的基础上，系统综述国内外开展的植物虚拟生长模型研究，探讨分析基于虚拟现实技术的不同环境胁迫下植物表型虚拟模型，以期促进农林植物表型更好地指导不同环境条件下、不同生长时期农林植物的管理作业。

1 植物表型检测技术研究现状

在全球人口数量激增而耕地面积逐渐减少导致粮食产量骤减的情况下，研究具有高产、高质量、高抗性的植物尤其是农林植物有着重要意义。传统植物表型检测需要借助人工难以获得大样本量的植物表型性状信息，只能选择关键生长期记录相应表型数据，劳动量大、效率低、无法对大批量样本进行全生命周期的检测。并且测量所得数据不能直观地呈现植物生长的动态变化以及环境胁迫对其表型的影响。随着VR虚拟仿真技术的快速发展及其在农林植物表型研究应用中的优势，国内外已开展相关研究并取得了大量研究成果。

1.1 国外研究现状

植物学界对基因组学的研究重点逐渐转向表型组学，而表型组学的关键是表型检测技术以及高通量植物表型平台的构建，国外许多研究团队已展开了相关研究和表型平台的研制，并应用于农林植物表型研究[1]。

表型数据的获取是植物栽培与管理的重要支撑。目前，有多种方法来检测植物表型信息。Mohanty等调用Plant Village数据库中植物叶片图像，利用GoogLeNet卷积神经网络建模监测作物疾病[2]。Wakholi等利用高光谱成像技术根据生存力对玉米种子进行了准确分类，为开发快速、无损大规模高光谱玉米活力测定分选系统奠定了基础[3]。Hang等开发了一款全自动玉米幼苗表型分析平台，实现了对玉米幼苗叶片数、叶长、茎高等形态结构特征的三维重建并输出[4]。Osroosh等开发了一款高度和宽度可调的大田高通量表型检测平台，可适用于不同大田环境和植物高度[5]。Furbank等综述了高通量和高分辨率表型分析工具，并讨论了其在植物生物学、功能基因组学和作物育种中的应用[6]。

1.2 国内研究现状

相比于国外，我国植物表型组学起步较晚，但发展较迅速，取得了大量研究成果。高宇设计开发了一款温室条件下基于机器视觉的作物表型监测系统，并对算法进行优化，可更加准确地诊断作物水分胁迫状态[7]。张慧春等构建了经济实用、面向模式植物拟南芥生长过程的形态表型测量机器视觉系统[8]。翟鹏设计开发了一款适用于温室栽培环境下的葡萄表型特征视觉检测系统，并通过实验验证了其可行性和有效性[9]。吴婷荣等利用图像处理技术对籽棉含杂率进行检测，解决了籽棉含杂率检测繁杂的难题[10]。冯雷等利用多光谱成像技术检测水稻叶瘟病，为科学防治稻叶瘟提供了决策支持[11]。

目前，我国对植物表型研究越发重视，并将植物表型研究成果应用于植物育种、农林植物栽培管理。如，根据植物表型信息指导喷药、施肥、灌溉等，乃至指导农林植保机械设计，取得了显著进展。

2 虚拟现实技术在植物表型研究中的应用现状

随着计算机信息水平的不断提高以及信息科学和农林科学的不断融合，可在计算机上模拟植物在三维空间的生长情况，从三维可视化的角度研究植物表型参数随时间推移的变化规律，使传统大田实验不受场地、时间季节、试验成本、危险性以及不可再重现等因素的制约。目前，国内外开展了大量研究，并取得了丰硕成果。

2.1 国外研究现状

1968年美国生物学家Lindenmeyer提出了L-系统理论基础，为植物表型可视化奠定了基础。澳大利亚学者在L-系统的基础上设计了虚拟植物生长软件 Virtual Plants，并利用其对水稻、小麦、玉米等农作物进行了生长模拟。2016年Schnepf等利用L-系统建立根与菌丝生长三维模型，对生态系统功能和商业接种有重要的意义[12]。2005年Lars Mündermann等提出了拟南芥生长发育模型，可更好地理解植物在遗传、生理、生态和进化等方面的发育状况[13]。

国外许多学者一直投身于虚拟植物研究，并形成了有名的研究组织，如法国农业发展国际合作研究中心(CIRAD)、德国哥廷根大学、英国Westminster大学和荷兰Wageningen大学等。

2.2 国内研究现状

我国在农林植物虚拟研究方面起步较晚，但近年来取得了大量研究成果。唐卫东等构建反映植株—环境交互作用的虚拟植物动态模型[14]。罗燕等利用L-系统实现了“竹”的三维建模，并对原有粒子系统模型的随机分布算法进行改进，提出了模拟“竹”群分布形态仿真算法[15]。唐丽玉在自主研发的ParaTree系统上扩展杉木动态生长模拟模块，实现了杉木的生长发育模拟[16]。李东阳利用Visual C + +的软件平台创建了三维果园、仓房场景、漫游小车及附属设施，可以根据不同应用进行改善，从而实现虚拟现实技术在农业方面的相应应用[17]。雷文等设计开发了“农业机械学”仿真教学系统，该系统可模拟农机设备生产作业,并虚拟拆装主要农机设备等，具有一定的实用性和教学价值[18]。

我国在虚拟植物表型研究方面取得了大量成果，通过对不同生长环境、不同生长时期植物表型进行虚拟可视化，可直观地研究不同环境因子（光照、温度、湿度等）、不同管理措施（药、肥、水等）对植物表型的影响，为农林生产实践提供基础数据。

3 结语

虚拟现实技术能够很好地构建植物生长发育的三维模型，模拟植物在不同生长阶段的表型特征，但在农林生产实践中应用较少，主要是由于植物表型受基因、环境等因素的影响，而大田环境等因素不可控，无法精准地量化分析各因素对植物表型的影响，进而无法还原植物全生命周期表型变化规律。因此，如何准确模拟大田环境下植物三维生长模型、指导农林生产实践，将是虚拟农林植物研究的重点。