——记中国农业大学教授郭焱 

               
　　本刊记者  刘 赋
　　
　　
　　

　　
　　数字化浪潮澎湃而来，正重塑我们的生活。轻点电脑或手机屏幕，即可进行工作、安排衣食住行，不仅大都市的白领对此已习以为常，小城镇乃至乡村的年轻人也开始熟悉起来。
　　上世纪90年代，美国学者预测了未来的一种生存方式，即人类将生存于一个虚拟的、数字化的空间，人们应用数字技术进行工作和生活的各项活动，这便是所谓的数字化生存。才过去短短20来年，这种生存方式已呈现在眼前。那么，对于新科技浪潮通常很晚才会波及的农业领域，又会是怎样的情景呢？为此，记者走访了中国农业大学资源与环境学院的郭焱教授。
　　在办公室里，郭焱在电脑上给记者展示了团队的成果。电脑逼真地模拟出玉米、水稻群体，随着鼠标移动人们可在作物群体里漫游，看到阳光照进大田后洒落在作物叶片上、地面上的熠熠光斑，一切都栩栩如生。
　　郭焱告诉记者，这就是数字植物，它还有个特别的名字：虚拟植物。能想象得到，开发这样复杂的计算机模型需要有很好的数学、计算机方面的能力，记者很好奇这个农业大学里的团队为何能开展这个研究，也想知道这种模型是如何实现的、有何应用价值。
　　

序曲

　　当年，郭焱考入北京农业大学（今中国农业大学）时，在土壤农业化学专业中学习了大量的化学与农学的课程。“我本来应该成为一个典型的农业科研人员，要么在大田做实验，要么身穿白大褂在实验室进行化学分析。”他笑着说。不过，当他硕士阶段进入到石元春院士的团队后，一切都发生了变化。
　　在上世纪80年代初，石元春的团队就开始了应用计算机进行农业研究的探索。在团队里，老先生们思想开放，年轻人思维活跃。通过国际合作，在那个年代实验室里就配备了国内稀有的微机。“1985年时我就开始用微机编程，当时的微机还没有硬盘，用8英寸软盘。”郭焱说。很快，研究生们就用上了X86系列的第一代微机。到1995年时，实验室装备了中国农业大学的第一台大屏幕586计算机。那些年，计算机硬软件技术的发展激动人心，年轻人们的计算机技能也飞速提高。
　　1994年，团队的李保国教授去参加计算机展销会。在会场上，他被一台计算机上模拟出的美轮美奂的三维植物所吸引，虽然这只是对植物形态的简化模拟，但已令他深为震撼，他觉得这种模型改进后在农业上应该大有应用前途。回来后，他和郭焱一拍即合，联手开始了虚拟植物的研究。
　　

探索

　　当时，国际上已进行了多年的作物模型研究，但这些模型在植物形态方面的模拟很简化。郭焱知道，植物叶片的形状和空间分布，会显著地影响植物对太阳辐射的截获，进而影响光合产量。精确模拟植物形态，会更好地模拟植物生长过程。但当时的模型还不足以达到农业领域的高要求，比如，农业研究人员甚至老农，一眼就能分辨出两个不同品种的玉米植株，而当时的虚拟植物模型则还不具备模拟这种差异的能力。
　　要对植物形态进行精确研究，就得有合适的测量方法。郭焱想到，只要获得了一个叶片上特征点的三维坐标值，就能很好地勾画出这个叶片的几何轮廓，也就有可能精确地模拟出叶片的形状及空间姿态了。于是，郭焱在浩如烟海的文献库里开始查寻，希望找到合适的测量方法。功夫不负有心人，最后终于在国家图书馆里找到了一篇20多年前发表的国外文献。根据文献中的原理，他在学校电子教研组老师的帮助下，开发出了一台三维数字化仪，艰难地完成了玉米植株形态的测定。有趣的是，后来郭焱和国际上差不多同时开始虚拟作物模型探索的同行交流时，发现大家都找到了同一篇文献、制作了同样的三维数字化仪！
　　在获取了数据后，接下来面临的问题是要有功能强大的计算机来建模，这就需要使用图形工作站。由于图形工作站价格昂贵，当时国内只有中国科学院计算技术研究所等个别单位才有。通过牵线搭桥，郭焱获得了到计算所上机的机会，不仅要啃下几本厚厚的三维图形编程英文手册，还要恶补从没接触过的计算机图形学原理，但郭焱硬是在短短的3个月内就完成了虚拟玉米模型。“这是国内第一个真正意义上的虚拟植物模型。”郭焱得意地说。
　　

学科交叉与合作

　　随着第一个虚拟玉米模型开发出来，数学、计算机、气象等各个学科的人才都汇集到团队中。团队将用于虚拟现实的高端数字化系统应用到了精确测定大田作物的形态结构。接着，大田作物冠层空间光分布模型也开发出来了。这种空间关系明晰的虚拟植物模型，与反映客观环境时空变化的模型结合，就具有了特有的优势。
　　当时，美国学者提出“谁来养活中国人”的话题一石激起千层浪，国内为此进行了激烈的争辩。为培育超高产水稻新品种，袁隆平先生提出了“超级稻”株型的概念，认为必须采用这种高效利用光能的新株型。于是，郭焱给袁先生去信介绍了团队的新成果。很快，就收到了老先生的回信：“计算机模拟技术听说能够模拟核爆炸过程，实现在没有核爆炸的情况下进行‘核试验’，如果能应用到杂交水稻理想株型育种方面，我相信也是很有前途的......”于是，团队与国家杂交水稻工程技术研究中心合作，开始了对叶片形状和角度等各有差异的杂交稻不同株型建模的研究。研究结果表明，超级稻株型的确能更高效地利用光能，研究也展示了应用计算机模型设计作物新株型的诱人前景。
　　近年来，雾霾肆虐大江南北。为评估雾霾对我国作物生长的影响，团队采用天空辐射模型与虚拟模型耦合进行了研究。利用三维模拟机制，能更精确地分析雾霾对农作物受光的影响。但这种高精度模拟带来了巨大的计算量，十分耗时，为此，团队采用了高性能并行计算系统，仅用数十秒就完成了所有的模拟工作。“学农出身的学生，照样能玩得转这些高大上的东西。”郭焱对学生的出色才能感到很自豪。
　　郭焱也忘不了自己的老本行——土壤学。隐藏在土壤里的植物根系，如同处于黑箱之中，研究人员难以直接观测根系，使得对根系的了解远低于对植物地上部的了解。为此，团队建立了根系在土壤中生长的三维模型，研究也许将为未来设计高效吸收土壤水分和养分的新型作物根系起到难以估量的作用。
　　团队与法国、澳大利亚和美国的研究人员进行了广泛的合作，也和中国科学院自动化所等国内单位进行了长期合作。正是国内外密切合作和团队内多学科交叉融合，使团队的研究向更深层探索。
　　

在路上

　　2014年，郭焱到澳大利亚进行访问研究，了解到基于无人机平台的信息获取系统的性能已得到了迅速提升。从获取到的多视角植物图像里，他敏锐地看到了采用无人机快速获取作物三维信息的可能性，能消除长期以来在作物形态信息获取速度上的困扰。回国后，他与团队开始探索。通过对无人机获取的高重叠度航拍图像进行处理，采用机器学习等方法进行分析，已初步建立了快速获取数据构建农田作物虚拟模型的方法。
　　郭焱对未来有很多憧憬。他希望采用最新发展起来的数据采集、分析与建模方法，构建虚拟农田系统，让育种人员在系统里快速评估、设计新型的作物品种，让栽培管理人员精确地设计节约资源、环境友好而高产的栽培方案，让孩子们在虚拟农场上体验田园牧歌的生活。当然，面临的挑战还有很多，路还长。