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虚拟果树修剪系统的研究 王剑 周国民 (中国农业科学院农业信息研究所 北京 100081) 摘 要：为解决果树修剪技术推广过程中所遇到的问题，提出了构建虚拟果树修剪系统的方法，介 绍了该方法的设计思路和关键技术，并总结了此方法的应用前景。 关键词：果树修剪；虚拟现实；农业 1 引言 我国是果树种植大国，全面提高果品质量，稳定果品产量是维系到果业健康、可持续发展的关 键。果树修剪技术是果树管理措施中的重要技术手段，对提高果品质量，调控果品产量起着至关重 要的作用，因此，在广大果区推广和普及先进实用的修剪技术是一项非常重要的工作。然而，在实 际生产和技术推广工作中，主要存在着两大困难：一是，掌握果树修剪技术的科技人员相对短缺； 二是，在农村普及正确的修剪技术有一定难度。由于果树修剪具有不可逆性，一次错误的修剪往往 带来不可弥补的损失。在实际生产中，这样的事例比比皆是，严重影响了我国果业的可持续发展。 虚拟现实技术正是可以在虚拟的农田环境中进行虚拟试验的先进技术，可以部分的替代现实生 活中比较费时、费力以及昂贵的试验。如将其应用到果树修剪技术推广工作中，将使此项工作的困 境得以改善，为广大果农掌握先进的修剪技术提供一种全新的途径。本文在中国农业科学院多年研 究积累的丰富科学数据资源的基础上，利用虚拟现实技术，探讨并研究了面向广大果农进行技术推 广的虚拟果树修剪系统。 2 系统设计 本文研究的“虚拟果树修剪系统”是一个果树修剪仿真培训系统，该系统的设计思路是模拟真 实果树的各种生长状况并对各种因素的改变作出近似于实际的反应。应用这个系统学习果树修剪技 术能让学员在虚拟的学习环境中扮演一个角色，全身心地投入到学习环境中，可以随心所欲地使用 “虚拟剪刀”试验各种修剪方法，任意地修剪每一个枝条，而系统则根据剪枝人的行为，模拟出不 同的修剪后果。在剪枝的同时，马上看到修剪的状况，还可以模拟出因修剪而产生的一系列影响和 后果，如：枝量的改变，枝条生长方向的改变，树形的改变等；以及因这些改变带来的影响和产生 的结果——花芽的变化、坐果率的变化、产量的变化、果实品质的变化等。通过这种方法，把果树 基金来源：国家高技术研究发展计划(2002AA243041) 王剑(1976一)，男，博士在读，研究方向：作物信息科学 周国民(1969一)，男，博士，研究员，研究方向：农业信息技术 104 虚拟墨挝修煎系统的班究 较长的生长周期浓缩到短时间模拟生长中，使抽象的概念、理论直观化、形象化，方便使用者对抽 象概念的理解。同时，这个虚拟的训练系统无任何风险，学员可以不厌其烦地反复练习，直至掌握 修剪技能为止。 这个系统的实质是果树修剪知识和信息技术集成的技术平台，它主要由软件系统、数据库系统 和硬件系统组成。数据库系统包括果树修剪知识数据库(规则库)、三维果树树形数据库(对象 库)、三维环境数据库和修剪工具数据库。软件系统包括可视化输出模块、交互模块等。系统模拟 运行和可视化环境的逻辑结构如图1所示： 图1 系统模拟运行和可视化环境的结构图 3关键技术 3．1 果树树形三维模型数据库 三维果树树形库存储的是果树树形的表现，并通过可视化输出模块实现果树修剪数据到表现之 间的映射。在此数据库中其主要的对象以三维扫描的方式获得，像枝条、果实等小型的果树对象可 以用手持三维扫描完成，如美国的F鹪tscan利用红外扫描的原理，可以快速形成三维立体模型，在 静态扫描时利用其探笔定位，精度可以达到0．5cm；对于那些大型的果树对象，如果树的树冠、大 的果枝等，则可以利用大型三维扫描设备完成。三维扫描得到的图像可以利用三维图像处理软件进 行细致的处理，并转换成恰当的格式如VRML格式，存储在对象数据库中，并将位置固定不变的物 体的真实位置记录在数据库中。 3．2果树修剪规则的表示 在系统的实际操作时，修剪规则是一个至关重要的内容，用户的输入内容最终是要映射成相应 的规则，才能正确地选取相应的对象模型进行可视化输出，因此将果树的修剪知识用规则表示出来 是一个关键性的问题。在本文的果树修剪知识库中，修剪知识通过判定树来转化为规则，利用这种