农业是一个国家国民经济的基础，农业现代化程度是国家现代化水平高低的重要标志之一。利用虚拟现实和可视化技术对农业进行模拟、仿真，实现数字农业的可视化而发展起来的虚拟农业，是促进农业发展的有效手段。任何传统的农业技术上的创新与进步都需要付出难以想象的时间和金钱。对于普通农作物，一个周期长达一年，而果树和动物则需数年，且实验数据需要多次调整，每次的调整又需要一个生长周期的时间去验证。因此只有大型公司或科研机构有实力去从事农业技术研究，而且科研成果又面临生产地的环境考验。VR技术的出现，可以缩短农业领域重大项目研究的时间，节约经费。同时，还可以用于农业过程研究、农业技术培训等领域，更好地实现农业的增产增值，加快农业现代化进程。

（一）虚拟植物

VR在农业的实际应用中首先体现在虚拟植物领域。虚拟植物是应用计算机模拟三维空间中植物的生长发育状况，其主要特征是以植物个体为研究中心，以植物形态结构为研究重点，所建立的模型是三维的、可视化的。模型的建立主要有三种方法：第一是直接使用编程的方法；第二是使用现有软件如3D Max，实地考察测量，获取资料，设计参数形成模型；第三是通过传感器、摄像机等采集数据，然后输入计算机进行整理。当前研究重点是植物生理生态和形态结构相结合的模型研究，并把作物同周围环境结合起来进行模拟。例如，模拟害虫的活动、天气气候的变化，确定最佳的喷药方式和时间等。利用虚拟植物系统，农户不需要高深的实验技能，只需要借助设备仔细观察，就能得到第一手数据资料。此外，还可以在短短的几十分钟内收集到大量的植物生长数据，一改传统农业难以量化的特点，为智能化和精细化农业提供依据。

虚拟植物的研究方法为：

· 对不同生长条件、不同生长阶段的植物进行定性观察，判别其生长模式，确定描述其形态结构的总体框架。

· 定量化测定植物的拓扑结构、几何特征、机械性质等。

· 将测定数据输入数据库，通过数理统计、模式识别等方法，提取植物形态结构规则；

· 模型依据植物生长规则模拟植物生长，应用可视化技术在计算机上实现虚拟植物。

· 基于所建立的虚拟模型，可进行虚拟实验等方面的研究。

按建模的方法和目的不同可将虚拟植物模型分为两类：静态模型和动态模型。静态模型是应用三维数字化方法等测定植物的形态结构数据后，直接应用这些数据所建立的植物空间结构的相关三维模型，如图1所示。

图1 虚拟植物三维模型（梅花）

虚拟植物的动态模型是基于对植物生长过程中拓扑结构演变和几何形态变化规律的研究，提取植物的生长规则而建立的，模型用于反映植物生长过程中的规律，是虚拟植物模型的主要发展方向。其中作物形态结构的模拟研究发展比较快，有代表性的是1968年丹麦植物学家Lindenmayer提出的L系统。L系统是一种形式语言，其本质是一个重写系统，它通过对公理应用产生式进行有限次迭代后，对产生的字符串进行几何解释，就能生成非常复杂的图形。

由于植物产生分枝、节间伸长也可以视为一种迭代过程，因此 L系统非常适合描述植物的形态结构。加拿大 Calgary大学的Prusinkiewicz等人以 L系统为植物形态结构的描述框架，开发了Vlab虚拟植物系统，该系统能够实现不同类型植物的模拟。其他研究包括美国的Clausnitzer和Hopmans利用有限元方法进行的三维根的生长和瞬时土壤水流的模拟建模。法国农业开发国际研究中心（CIRAD）研制的AMAP（Advanced Modeling of Architecture of Plant）模型。这些模型可以在虚拟环境中体现植物整个生长过程，详细表现了植物株高、结果等各项生产指标与外部环境、农业措施（如虚拟施肥、果树虚拟剪枝、作物虚拟育种的株型分析与选择）之间的关系等。图2是基于L系统开发的树木生长模拟动画。

图2 基于L系统开发的树木生长模拟动画

（二）虚拟养殖

VR同样能运用在农场养殖业上，它能通过以前的真实信息在一个模拟环境中实现对动物从器官、组织、系统到整体的精确模拟，通过操作者的调控，“虚拟动物”将能模仿真实动物作出各种反应。若设置声音和力反馈装置，还可提供视、听、触等直观而又自然的实时感。这对模拟动物生存环境、动物营养需要、遗传资源固定和品种选育等具有重大意义。

以某虚拟猪养殖实验系统为例，该系统采用现代计算机三维交互技术，通过虚拟猪养殖过程的一系列实验，让学生能够了解猪的品种知识，进行猪的品种学习测验，虚拟猪场的选址、虚拟猪场的三维搭建、虚拟猪的喂养、虚拟猪场疫情演示等环节，让学生去猪场实习前对养猪的整个流程有一个直观的体验，同时学生可以模拟在各个三维虚拟猪舍间漫游，了解猪场的设施和养猪的情况，对现代化养猪场产生一定的了解和认识。VR技术的应用提升了学生的学习兴趣和学习效率，如图3所示。

图3 虚拟养殖案例

（三）虚拟农场

利用虚拟植物模型的可视化特征建立虚拟农场，使学生和农民在计算机上种植虚拟作物和虚拟农田管理，从任意角度甚至在作物冠层内漫游，观察作物生长状况和动态过程，并可通过改变环境条件和栽培措施，直观地观察作物生长状况的改变，这样可取得传统方式无法企及的效果，特别是对农业科技成果推广而言，将使农民更易理解和掌握先进的农田管理技术。

除农业生产外，虚拟农场还具有教育、观光的意义。如开发虚拟农场实现网上种田，可以使广大农民和学生更快地掌握先进的农田管理技术和农业知识。佩戴VR眼镜和头盔可以身临其境体验从远古到未来，或只是幻想任意一个农业场景，激发游客的想象力、创造力及增强他们的立体空间感，成为一个人们愿意沉浸其中的娱乐空间。图4是VR游戏《职业农场》的画面，玩家自己管理自己的农场和操作众多的农业车辆，具有良好的体验性。

图4 VR游戏《职业农场》