bob.com首都科学讲堂｜第786期：数字植物——农林植物的数字化生存方式

　　bob.com本文内容来自北京市科学技术协会主办、北京科学中心承办、北京科技报社协办的首都科学讲堂。讲堂每周邀请院士专家开讲，传播科学知识、科学方法，弘扬科学精神、科学文化，促使公众全面、正确理解科学。

　　大数据时代下，数字经济、数字消费、数字教育等概念蓬勃发展，当然还有数字植物。什么是数字植物？如何把植物数字化和可视化？数字植物技术成果又如何助力智慧农业和数字乡村的高质量发展？

　　本期首都科学讲堂邀请北京市农林科学院信息技术研究中心研究员、数字植物北京市重点实验室主任郭新宇，为我们揭开数字植物的奥秘，了解数字植物如何为都市型现代农业高质量发展增值赋能。

　　北京市农林科学院信息技术研究中心研究员、数字植物北京市重点实验室主任、国家农业信息化工程技术研究中心动漫技术部主任

　　二十一世纪正迎来以互联网、云计算、大数据和人工智能等数字技术为核心内容的新一轮通用技术和产业变革浪潮，人们处于万物皆互联、无处不计算的社会发展格局中，愈加需要用大数据和大数据思维来认知世界。

　　具体到农林植物方面，过去人们主要通过人眼来观察、人力来获取、人脑来认知植物，这是一种典型的小数据模式，不足以满足现代科学发展的要求；现在人们通过各种各样的传感器和自动化表型平台来感知和获取，提高植物生命系统、生产系统、生态系统的分辨率，形成植物表型组大数据；再利用电脑来处理大数据，结合人工智能来提高对植物的认识。

　　因此，“数字植物”的概念应运而生。所谓数字植物，就是指综合运用数字化技术，通过高通量的信息获取及智能处理来研究农林植物的生命、生产和生态系统，实现对复杂系统行为定量化、可视化，高效感知和认知的理论技术体系和平台系统。

　　大数据时代，农业科学正在从理论科学、实验科学和计算科学，步入以数据密集型知识发现为研究范式的学科发展阶段；农业生产也要迈向可感知、可定量、可计算、可调控和可预测的智慧生产管理阶段，迫切需要利用数字化技术来构建全新的生产方式，实现农业生产全链条信息感知、定量决策、智能控制、bob.com精准投入和个性化服务。

　　在数据密集型知识发现和信息感知方面，首先，研究者需要有植物表型的大数据，如植物的颜色纹理、形态结构等。农林植物具有丰富的表型信息，传统表型观测手段还停留在百年前“一把尺子一杆秤”的阶段，不能满足需要，迫切需要高通量、自动化、高效率、高精度、低成本的表型组数据获取解析技术装备。

　　其次，整合多领域技术力量，在基因组水平上系统研究表型组合信息的表型组学，会产生海量数据，传统人工交互处理方式不能满足需要，迫切需要管道化、在线化的数据解析手段。这些都是数字植物研究要解决的问题。

　　总体来说，数字植物技术要通过机器对农林植物表型组数据进行高通量的获取，再结合三维可视化技术实现植物器官个体、群体，乃至显微水平的三维可视化。在此基础上进行结构功能计算，实现资源高效利用。同时也要把表型组数据跟基因组数据结合起来，通过多组学分析来揭示基因型、表型和环境的关系。为了更好地建立人-机-植物的联系，我们借助VR、AR等终端设备，实现人和植物更好的交互。最后再围绕产业进行应用，实现增值赋能。bob.com

　　构建什么样的高通量表型平台，来实现对植物表型数据的获取及数字化呢？为了实现这一目标，我们构建了作物室内-温室-田间全链条表型数据获取技术装备体系，希望能用机器取代人工，用电脑来强化人脑，用我们自主创新的产品来取代国外进口的产品。

　　在传感器阵列研发方面，我们研发了便携式四合一植物表型高通量采集传感器Croplidar。该装置高度集成、体积小、重量轻，数据采集效率为30万点/秒，测距精度±2毫米，实现了在统一空间坐标系下三维激光点云、光谱、热红外和高分辨率影像的高精度同步采集及叠加分析，是目前市场上少有的、集成了四个传感器的可用于机载的轻小型表型测量系统。

　　在成像单元研发方面，我们研发了多款适合于轨道、无人车、机器人等的成像单元，集成了表型传感器、环境传感器和补光等设备，支持多维、多元、异构传感器，可以进行组合式的拆装。

　　有了采集到的数据以后，我们研发了轨道式作物表型高通量获取平台。数据获取后会传到云端，在云端进行自动解析，最后提取出植物的表型数据。

　　围绕作物3D表型的高效率、高精度获取，我们基于多视角重建技术原理，研发了成像室式作物3D表型高通量获取平台，极大提高了植物3D形态结构信息的获取效率。同时，我们还研发了自走式无人车作物表型高通量获取平台，可应用于大田作物、温室蔬菜及花卉等植物种质资源单株，以及器官尺度表型性状高效获取、解析、鉴定及管理。另外，我们在无人机、机器人表型平台研发，田间风洞建设及玉米品种抗倒伏精准鉴定技术研究、玉米自动化考种系统研发、作物显微表型解析方法研究等方面都做了大量的工作。

　　以上部分都是单个的作物表型平台，实际上要满足多组学的研究，需要将多种设备有机地组合，形成“作物表型工厂”，也就是获取表型组大数据的工厂。在我们搭建的表型工厂里，有连栋温室表型平台作业区、旱棚表型平台作业区、大田表型平台作业区、日光温室表型平台作业区和风洞抗倒伏表型平台作业区等，通过多设备、多设施的协同工作来满足作物多组学研究的需要。

　　在实现植物数字化之后，如何实现植物的可视化呢？在植物3D可视化技术方面，主要存在三个问题：第一是缺乏“像”“准”“快”“可交互体验”的3D可视化技术体系；第二是缺乏系列配套的高精度动植物、设施环境、农业园区三维模型快速构建、真实感显示、场景生成、虚拟漫游、三维交互和动画生成工具软件；第三是缺乏专用的农业职业教育、农产品、农业景观、绿色休闲旅游活动等虚拟体验和展示宣传的开发与运行服务平台。

　　为了解决这些问题，我们提出农林植物3D数字化技术规范，构建品种3D表型数据库；提出3D点云特征提取方法、器官参数化几何建模方法、群体3D建模方法；基于3D重建的作物群体表型参数提取；基于3D可视化模型的作物群体结构和光截获计算分析方法；建立作物表观材质数字化建模和真实感显示方法体系；提出植物动画合成方法；提出作物-设施形态结构3D数字化设计流程，研发PlantCAD系列软件等，实现农林植物品种分辨率的3D建模和可视化。

　　下一步，我们的工作重点是围绕作物生产管理进行结构和功能的分析，以及开发生产精准管理决策的模型系统。我们研发了基于物联网大数据-作物模型的作物数字化栽培管理云平台和手机App，制定“最优”种植计划，实现“最优”播种、“最优”田间管理、“最优”预测、“最优”收获，向着最优化生产的方向努力。

　　同时，我们在作物多重组学分析技术、虚拟交互展现技术等方面都做了一定的研究，在VR、AR设备中，让物联网视频实时接入环境数据可视化，实现人和植物更好的交互。

　　当前，我们身处信息化时代，如何将农业科技、农业景观和农业故事数字化、可视化、互动化、体验参与式地传播，是研究的重点内容。

　　我国在很多地方都建立了现代农业产业示范园，园中部署了大量传感器和物联网系统。如果能将数据可视化后传递给消费者，让消费者更好地了解农产品背后的故事，将极大地扩展农业的科普教育、科技培训、休闲旅游活动等功能。按照这一思路，我们开展数字植物技术成果应用工作。

　　在农业教育培训三维可视互动系统方面，我们将农业知识以视觉体验和三维交互作为知识转化方式和技术传播载体，进行趣味性知识传播，虚拟体验式培训；通过电视、电脑、手机等终端进行高效、快速、bob.com便捷传播，易于及时发布、更新和维护；组织制作农民培训、科普教育三维可视互动系统20套，动画时间超过1000分钟，在全国12个省（区、市）得到了应用，培训农民超过10万人次。

　　在农业虚拟仿真实验、虚拟实训系统方面，我们打破了过去只能在物理世界做农业实验的界限，在虚拟世界中将整个实验过程呈现出来，这样不仅方便老师与学生之间的交流，还可以像玩网游一样在游戏中进行训练，帮助使用者快速地学习知识。

　　在农业科普动画、地理标志农产品宣传片方面，我们围绕不同的农业主题和标志性农产品设计出卡通形象，这种卡通形象和三维的品种、场景的实际建模，既有趣味性的引领作用，又能通过真实感的重建来反映真实的技术效果。

　　在农业园区、景观虚拟互动展示系统方面，我们曾经在上海世博会期间将浦江市民农园的基础设施、绿色休闲旅游活动、科普场所及浦江镇近百年的发展历程都搬到了网络上让游客虚拟体验。

　　在智慧乡村三维互动展示服务方面，我们在微信端做了三维可视互动的特色农产品推广与营销，对乡村民俗旅游进行推广宣传，制作出了基于增强现实的智慧乡村旅游互动展示系统等。

　　在农业主题数字互动体验馆-科技馆-科普馆方面，我们聚焦动植物生命奥秘、农产品生产过程、产业科技支撑、生态景观和食品安全等百姓生活的主题，bob.com利用拥有自主知识产权的植物3D数字化技术实现农林植物品种分辨率的3D建模、场景生成，并与VR眼镜、4D蛋椅等交互终端和互联网平台深度融合，设计开发出特定农业主题的数字互动体验系列系统，形成了数字互动体验馆。

　　总的来说，要想实现数字植物对农业的增值赋能，bob.com就必须通过大数据来打通农业科研、生产和消费的链条，制作出可视农业、体验农业数字系统，甚至农业元宇宙系统，把数据作为主要要素，利用数据打破时间、空间的界限，通过发展数字化、在线化、可视化、模型化、智能化、互动化的技术，来实现整个农业数据的增值和赋能，更好地为乡村振兴和都市型现代农业的发展助力。

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