植物的虛擬世界
——記中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)教授郭焱

本刊記者 劉 賦

郭焱在辦公室

數(shù)字化浪潮澎湃而來，正重塑我們的生活。輕點(diǎn)電腦或手機(jī)屏幕，即可進(jìn)行工作、安排衣食住行，不僅大都市的白領(lǐng)對(duì)此已習(xí)以為常，小城鎮(zhèn)乃至鄉(xiāng)村的年輕人也開始熟悉起來。

上世紀(jì)90年代，美國(guó)學(xué)者預(yù)測(cè)了未來的一種生存方式，即人類將生存于一個(gè)虛擬的、數(shù)字化的空間，人們應(yīng)用數(shù)字技術(shù)進(jìn)行工作和生活的各項(xiàng)活動(dòng)，這便是所謂的數(shù)字化生存。才過去短短20來年，這種生存方式已呈現(xiàn)在眼前。那么，對(duì)于新科技浪潮通常很晚才會(huì)波及的農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，又會(huì)是怎樣的情景呢？為此，記者走訪了中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院的郭焱教授。

在辦公室里，郭焱在電腦上給記者展示了團(tuán)隊(duì)的成果。電腦逼真地模擬出玉米、水稻群體，隨著鼠標(biāo)移動(dòng)人們可在作物群體里漫游，看到陽光照進(jìn)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(shù)字植物，它還有個(gè)特別的名字：虛擬植物。能想象得到，開發(fā)這樣復(fù)雜的計(jì)算機(jī)模型需要有很好的數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)方面的能力，記者很好奇這個(gè)農(nóng)業(yè)大學(xué)里的團(tuán)隊(duì)為何能開展這個(gè)研究，也想知道這種模型是如何實(shí)現(xiàn)的、有何應(yīng)用價(jià)值。

序曲

當(dāng)年，郭焱考入北京農(nóng)業(yè)大學(xué)（今中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)）時(shí)，在土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)專業(yè)中學(xué)習(xí)了大量的化學(xué)與農(nóng)學(xué)的課程?！拔冶緛響?yīng)該成為一個(gè)典型的農(nóng)業(yè)科研人員，要么在大田做實(shí)驗(yàn)，要么身穿白大褂在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行化學(xué)分析。”他笑著說。不過，當(dāng)他碩士階段進(jìn)入到石元春院士的團(tuán)隊(duì)后，一切都發(fā)生了變化。

在上世紀(jì)80年代初，石元春的團(tuán)隊(duì)就開始了應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行農(nóng)業(yè)研究的探索。在團(tuán)隊(duì)里，老先生們思想開放，年輕人思維活躍。通過國(guó)際合作，在那個(gè)年代實(shí)驗(yàn)室里就配備了國(guó)內(nèi)稀有的微機(jī)?！?985年時(shí)我就開始用微機(jī)編程，當(dāng)時(shí)的微機(jī)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(jī)。到1995年時(shí)，實(shí)驗(yàn)室裝備了中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的第一臺(tái)大屏幕586計(jì)算機(jī)。那些年，計(jì)算機(jī)硬軟件技術(shù)的發(fā)展激動(dòng)人心，年輕人們的計(jì)算機(jī)技能也飛速提高。

1994年，團(tuán)隊(duì)的李保國(guó)教授去參加計(jì)算機(jī)展銷會(huì)。在會(huì)場(chǎng)上，他被一臺(tái)計(jì)算機(jī)上模擬出的美輪美奐的三維植物所吸引，雖然這只是對(duì)植物形態(tài)的簡(jiǎn)化模擬，但已令他深為震撼，他覺得這種模型改進(jìn)后在農(nóng)業(yè)上應(yīng)該大有應(yīng)用前途?；貋砗?，他和郭焱一拍即合，聯(lián)手開始了虛擬植物的研究。

探索

當(dāng)時(shí)，國(guó)際上已進(jìn)行了多年的作物模型研究，但這些模型在植物形態(tài)方面的模擬很簡(jiǎn)化。郭焱知道，植物葉片的形狀和空間分布，會(huì)顯著地影響植物對(duì)太陽輻射的截獲，進(jìn)而影響光合產(chǎn)量。精確模擬植物形態(tài)，會(huì)更好地模擬植物生長(zhǎng)過程。但當(dāng)時(shí)的模型還不足以達(dá)到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的高要求，比如，農(nóng)業(yè)研究人員甚至老農(nóng)，一眼就能分辨出兩個(gè)不同品種的玉米植株，而當(dāng)時(shí)的虛擬植物模型則還不具備模擬這種差異的能力。

要對(duì)植物形態(tài)進(jìn)行精確研究，就得有合適的測(cè)量方法。郭焱想到，只要獲得了一個(gè)葉片上特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)值，就能很好地勾畫出這個(gè)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(tài)了。于是，郭焱在浩如煙海的文獻(xiàn)庫里開始查尋，希望找到合適的測(cè)量方法。功夫不負(fù)有心人，最后終于在國(guó)家圖書館里找到了一篇20多年前發(fā)表的國(guó)外文獻(xiàn)。根據(jù)文獻(xiàn)中的原理，他在學(xué)校電子教研組老師的幫助下，開發(fā)出了一臺(tái)三維數(shù)字化儀，艱難地完成了玉米植株形態(tài)的測(cè)定。有趣的是，后來郭焱和國(guó)際上差不多同時(shí)開始虛擬作物模型探索的同行交流時(shí)，發(fā)現(xiàn)大家都找到了同一篇文獻(xiàn)、制作了同樣的三維數(shù)字化儀！

在獲取了數(shù)據(jù)后，接下來面臨的問題是要有功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)來建模，這就需要使用圖形工作站。由于圖形工作站價(jià)格昂貴，當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)只有中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所等個(gè)別單位才有。通過牽線搭橋，郭焱獲得了到計(jì)算所上機(jī)的機(jī)會(huì)，不僅要啃下幾本厚厚的三維圖形編程英文手冊(cè)，還要惡補(bǔ)從沒接觸過的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)原理，但郭焱硬是在短短的3個(gè)月內(nèi)就完成了虛擬玉米模型?！斑@是國(guó)內(nèi)第一個(gè)真正意義上的虛擬植物模型。”郭焱得意地說。

學(xué)科交叉與合作

隨著第一個(gè)虛擬玉米模型開發(fā)出來，數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)、氣象等各個(gè)學(xué)科的人才都匯集到團(tuán)隊(duì)中。團(tuán)隊(duì)將用于虛擬現(xiàn)實(shí)的高端數(shù)字化系統(tǒng)應(yīng)用到了精確測(cè)定大田作物的形態(tài)結(jié)構(gòu)。接著，大田作物冠層空間光分布模型也開發(fā)出來了。這種空間關(guān)系明晰的虛擬植物模型，與反映客觀環(huán)境時(shí)空變化的模型結(jié)合，就具有了特有的優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)時(shí)，美國(guó)學(xué)者提出“誰來養(yǎng)活中國(guó)人”的話題一石激起千層浪，國(guó)內(nèi)為此進(jìn)行了激烈的爭(zhēng)辯。為培育超高產(chǎn)水稻新品種，袁隆平先生提出了“超級(jí)稻”株型的概念，認(rèn)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(tuán)隊(duì)的新成果。很快，就收到了老先生的回信：“計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)聽說能夠模擬核爆炸過程，實(shí)現(xiàn)在沒有核爆炸的情況下進(jìn)行‘核試驗(yàn)’，如果能應(yīng)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(tuán)隊(duì)與國(guó)家雜交水稻工程技術(shù)研究中心合作，開始了對(duì)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(jié)果表明，超級(jí)稻株型的確能更高效地利用光能，研究也展示了應(yīng)用計(jì)算機(jī)模型設(shè)計(jì)作物新株型的誘人前景。

近年來，霧霾肆虐大江南北。為評(píng)估霧霾對(duì)我國(guó)作物生長(zhǎng)的影響，團(tuán)隊(duì)采用天空輻射模型與虛擬模型耦合進(jìn)行了研究。利用三維模擬機(jī)制，能更精確地分析霧霾對(duì)農(nóng)作物受光的影響。但這種高精度模擬帶來了巨大的計(jì)算量，十分耗時(shí)，為此，團(tuán)隊(duì)采用了高性能并行計(jì)算系統(tǒng)，僅用數(shù)十秒就完成了所有的模擬工作?！皩W(xué)農(nóng)出身的學(xué)生，照樣能玩得轉(zhuǎn)這些高大上的東西?！惫蛯?duì)學(xué)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(xué)。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(cè)根系，使得對(duì)根系的了解遠(yuǎn)低于對(duì)植物地上部的了解。為此，團(tuán)隊(duì)建立了根系在土壤中生長(zhǎng)的三維模型，研究也許將為未來設(shè)計(jì)高效吸收土壤水分和養(yǎng)分的新型作物根系起到難以估量的作用。

團(tuán)隊(duì)與法國(guó)、澳大利亞和美國(guó)的研究人員進(jìn)行了廣泛的合作，也和中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化所等國(guó)內(nèi)單位進(jìn)行了長(zhǎng)期合作。正是國(guó)內(nèi)外密切合作和團(tuán)隊(duì)內(nèi)多學(xué)科交叉融合，使團(tuán)隊(duì)的研究向更深層探索。

在路上

2014年，郭焱到澳大利亞進(jìn)行訪問研究，了解到基于無人機(jī)平臺(tái)的信息獲取系統(tǒng)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(jī)快速獲取作物三維信息的可能性，能消除長(zhǎng)期以來在作物形態(tài)信息獲取速度上的困擾?；貒?guó)后，他與團(tuán)隊(duì)開始探索。通過對(duì)無人機(jī)獲取的高重疊度航拍圖像進(jìn)行處理，采用機(jī)器學(xué)習(xí)等方法進(jìn)行分析，已初步建立了快速獲取數(shù)據(jù)構(gòu)建農(nóng)田作物虛擬模型的方法。

郭焱對(duì)未來有很多憧憬。他希望采用最新發(fā)展起來的數(shù)據(jù)采集、分析與建模方法，構(gòu)建虛擬農(nóng)田系統(tǒng)，讓育種人員在系統(tǒng)里快速評(píng)估、設(shè)計(jì)新型的作物品種，讓栽培管理人員精確地設(shè)計(jì)節(jié)約資源、環(huán)境友好而高產(chǎn)的栽培方案，讓孩子們?cè)谔摂M農(nóng)場(chǎng)上體驗(yàn)田園牧歌的生活。當(dāng)然，面臨的挑戰(zhàn)還有很多，路還長(zhǎng)。