1、基 于 文 献 统计 的 国 际 虚拟 农 业 研 究态 势 分析 刘长娥 徐琳 君 陶雪 娟 程 彬彬 上 海 市农 业 科学 院 农业 科 技信 息 研究 所 摘 要： 虚拟现实是21 世纪社会发展最主要的技术之一, 相关资料表明, 虚拟现实技术 已成功应用于播种、 生产、 管理、 销售、 病虫 害防治以及农业教学和农机检测与 制造等方面。 为了进一步推进我国农业结构性改革, 创新现代农业体制机制, 需 要把虚拟现实技术贯穿于农业现代化的全过程, 加快农业现代化发展步伐。 本文 采用文献计量法, 通过对近 10 年国际虚拟农 业相关研究文献的统计与信息抓取, 探明虚拟现实在农业领域中的发展
2、态势及前沿应用, 为更好地发挥虚拟现实技 术在农业中的作用提供参考。 关键词 ： 虚拟现实; 虚拟农业; 发展态势; 前沿应用; 作 者简 介： 刘长娥 (1967-) , 女, 博士, 副研究员, 研究方向:农业信息化、 信 息分析加工、生态环境保护 作 者简 介： 程彬彬 (1983-) , 女, 硕士, 副研究员, 研究方向:信息分析加工、 农业信息化 基 金：2017 年度上海 市农业科学院青年 人才成长计划 (沪农青字 (2017) 第 1-25 号) Trend Analysis of International Research on Virtual Agriculture Ba
3、sed on Literature Statistics LIU Change XU Linjun TAO Xuejuan CHENG Binbin Agricultural Information Institute of Science and Technology, Shanghai Academy of Agricultural Sciences; Abstract ： Virtual reality is one of the main technologies for social development in the Twenty-first Century. Relevant
4、data shows that virtual reality has been successfully applied in production, management, sales, planting, pest control, agricultural machinery testing and teaching and manufacturing etc. In order to further promote the structural reform of agriculture and innovate modern agricultural system and mech
5、anism, it is necessary to speed up the pace of agricultural modernization by making the virtual reality technology run through the whole process of agricultural modernization.This paper used bibliometric method to gather the statistics and information from relevant research literature of internation
6、al virtual agriculture in recent 10 years, and found out the development trend in agriculture and the application of virtual reality, so as to provide reference for better use of virtual reality technology in agriculture. 虚拟现实 (V R) 应用于农业领域是将人们的生产活动以及与之相关的对象 (农 机、 农作物、 畜禽、 水 产、 市场、 资源、 环境 等) 形成一个虚拟环
7、境, 通过相关 设备使其成 为虚拟环境中的一员, 使用者通过语言、 运动或动作等手段, 就能对 虚拟环境中的对象进行操作, 获得视觉、 听觉、 触觉等多种感知, 有身临其境的 感受1 。相关资料表明, 虚拟现实技术已成功应用于科学实验、播种、生产、 管理、 销售、 病虫害防 治以及农业教学和农机检测与制造等方面, 极大地提高了 农业生产设备和农业资源的综合利用率。 V R 在农业中的应用, 早期体现在计算机模拟模型技术的应用, 包括从宏观的农 业经济发展到微观的光合作用过程, 几乎涉及 所有农业问题都有相关的模型。 如 CERES.SIM-COT 作物模拟系统, 除了模拟土壤水分变化、 作物生
8、长的过程等, 还 可以模拟作物种子的萌动与发芽的发育过程6。虚拟现实在农业领域的应用在 发达国家已有不少成功先例, 可以渗透到农业生产中的各个方面, 对农业现代 化研究具有重要意义。 当前为了进一步推进我国农业结构性改革, 创新现代农业体制机制, 需要把虚 拟现实技术贯穿于农业现代化的全过程。本文利用文献统计的方法, 了解近10 年来国际虚拟农 业的研究状况与发展态势, 掌握虚拟农业的科技前沿与先进技 术, 为加快我国现代化农业发展步伐提供科技支撑。 一、数据来源与研究方法 ( 一) 数据 来源 文章中虚拟农业相关文献的统计数据来源于汤姆森科技信息集团的 I S I 数据库 中的引文索引数据库
9、, 该数据库包括8 0 0 0 多种世界范围内最有影响力的、经 过同行专家评审的高质量的期刊, 是大型综合性、 多学科、 核心期刊 引文索引数 据库。 基于Web of Science 核心期刊, 选取2006-2 0 1 7 年间发表的相 关文献, 通过 构建检索式检索获取相关信息。检索式 设置为: (V i r t u a l Agricultur*) OR (Virtual Farm*) , 于 2017 年5 月31 日进行检索, 采用人工辅助计算机的方式 进行数据清洗与处理, 共获取1 943 个记录。 ( 二) 分析 方法 将检索到的文献, 按发表年代、 国家、 机构、 学科等进行
10、分类统计, 采用Excel 2007 制作成图表。 图1 排名前五国家发文量 下载原图 二、研究态势分析 ( 一) 主要 国家分 析 国际上虚拟农业研究文献排名前五的国家分别 为中国、 美国、 法国、 意大利和西 班牙 (图 1) , 中国的虚拟农业研究近 10 年发展较快, 相关研究成果产出较多, 发文量占SCI 总量的 33.2%, 比位居二的美国 (占16.6%) 高出2 倍, 比居第三 的法国 (8.5%) 高出4 倍, 意大利与西班牙的发文量相近, 分别占6.5% 和6.1%。 可以看出, 在虚拟农业研究方面, 中国与美国处于领先地位。 H-index 与引用次数更能反映学者论文的质
11、量, 中国相关文献的数量虽然排名 居世界第一, 但是 H-index 与引用次数相对较低, 表明在虚拟农业领域的研究 水平相对 较低, 其研究观点、 技术等相对落后。 而美国、 法国、 意大 利等发达国 家, 虚拟农业相关研究水平较高, 具有较强地持续产出较高水平文章的能力, 在相关领域的影响力较高、研究能力强 (图 2) 。 图2 主要国家文献质量对比 下载原图 ( 二) 发文 量随时 间变化 国际上虚拟农业相关的文献量在 2006-2017 年随时间呈现波动状态, 这与研究 成果的总结与成果展示的滞后性有关, 其中, 2006-2007 年增加较快 (39 篇) , 2007-2010 年
12、间增加缓 慢 (3 年间总计增加了31 篇) , 紧接着发文量 大幅度增加 (58 篇) , 之后减少 (9 篇) , 然后又迅速增加 (47 篇) , 2014-2016 年大幅度 减少 (16 篇) 。 2006-2015 年发文量整体呈现缓慢上升趋势, 在某种程度上表明 国际上对虚拟农业的研究处于稳步发展阶段 (图3) 。 图3 相关文献年度数量变化 下载原图 a-2006;b-2007;c-2008;d-2009;e-2010;f-2011;g-2012;h-2013;i-2014;j-2015 ;k-2016;l-2017 图4 2006-2017 年各国发文量变化 下载原图 图4
13、2006-2017 年各国发文量变化 下载原图 a-2006;b-2007;c-2008;d-2009;e-2010;f-2011;g-2012;h-2013;i-2014;j-2015 ;k-2016;l-2017 表1 主要国家虚拟农业相关学科 下载原表 不同国家虚拟农业相关文献的产出速度不同, 其中, 中国在2010-2011 年成果 产出效率高, 发文量增加速度较快, 达到24 篇;美国在2013-2014 年成果产出速 度快, 研究文献为 18 篇, 法国、意大利与西班牙分别在 2015-2016 年以及 2009-2010 年成果产出速度快, 发文量分别增加10 篇/年、 8 篇/
14、年。 总 体而言, 中 国与美国的研究成果产出速度快, 相关的发文量较领先。表明中国与美国近 10 年对虚拟农业的研究较活跃, 新的研究成果较多 (图4) 。 ( 三) 学科 分析 国际上与虚拟农业相关的学科领域主要为农业、 环境科学生态学、 工程、 计算机 科学、 计算生物学等, 其中, 农业是各国虚拟现实研究与应用的主体, 从宏观的 农业经济发展到微观的光合作用过程, 几乎涉及所有农业问题都有相关的模型。 图5 虚拟农业相关学科占比 下载原图 随着科学技术的不断发展, 虚拟现实技术在农业中的应用愈加普遍, 从种植到 养殖、 环境、 销售已经渗 透到农业领域的各个环节, 学科延伸至环境科学生
15、态学、 植物科学、计算生物学、商业经济学等 领域 (图5) 。 在虚拟农业研究中, 不同国家重点关注领域有所不同, 除了普遍关注的农业外, 中国的虚拟农业研究侧重工程的应用, 美国、 意大利、 西班牙则侧重于环境科学 生态学的应用, 法国侧重于计算生物学的应用。 除此之外, 商业经济学和水资源 等成为西方发达国家虚拟农业研究的重要学科 (表1) 。 ( 四) 研究 机构分 析 我国VR 技术的研究起步较美国晚了近50 年, 而应用于农业领域的研究则更加滞 后, 近几年随着VR 技术的不断发展, 我国众多研究机构将VR 技术应用到农业领 域的研究, 其中, 相关研究成果产出较多的 机构是中国科学
16、院, 发文量占我国 SCI 总发文量的 18.9%, 其次是中国农业大学, 占7.0%, 西北农林科技大学、 清 华大学与西北大学分别占 4.7%、3.3%和3.3%, 可以看出, 中国科学院与中国农 业大学在我国虚拟农业研究中占有重要的地位, 对我国虚拟农业成果的贡献最 大, 在这些机构的引领下, 我国虚拟农业技术研究与应用取得了一系列研究成 果。 相对于西方国家, 我国的虚拟农业技术处于起步阶段, 但发展势头很好, 对 我国现代农业的发展具有重要的推动作用 ( 表2) 。 美国是最早进行虚拟现实技术研究的国家, 在我国虚拟现实研究的初期, 其虚 拟现实技术的研究已经进入突飞猛进的发展阶段,
17、 VR 在农业中的应用, 也较其 他国家成熟, 主要的研究机构是加利福尼亚大学系统 (发文量占9.6%) 、美国 农业部 (发文量占 7.5%) 、佛罗里达州州立大学系统 (发文量占5.0%) 、弗吉 尼亚大学 (发文量占 4.7%) 和美国能源部等部门 (发文量占4.7%) , 由于美国 没有统一的科技管理部门, 故其虚拟农业技术的研究与发展分散于各个部门中, 各研究机构相关研究成果的产出量差异不大, 虚拟现实技术已经进入到各个领 域环节。 表2 主要国家虚拟农业研究机构 下载原表 法国虚拟农业相关技术的研究发展较快, 虽然其虚拟现实技术的研究落后于日 本, 但在农业上的应用研究近 10 年
18、来成果不断, 文献产出量超过日本, 居世界 第三, 其中, 以法国国家农业研究院的研究成果最多, 占其国家发文总量的 50% 以上, 从研究机构的发文量看, 法国的科研院所在虚拟农业文献产出方面较 高等院校多, 在某种程度表明法国有关虚拟农业的研究侧重于相关技术的应用 研究。 意大利与西班牙是近年来虚拟技术研究发 展较快的国家, 尤其是农业领域方面, 其中, 意大利的国家核物理研究所、 都灵大学、 米兰大学、 弗吉尼亚大学与欧洲 委员会联合研究中心是虚拟农业研究的主要机构, 各机构研究成果的贡献率差 异不大, 文献产出率为 6%8%, 从事相关研究的机构较多, 成果分散, 表明相 关的技术研究
19、比较普遍, 虚拟农业技术的应用已经深入至各个领域。 西班牙的马 德里理工大学、 热拉哥萨大学、 莱昂大学、 萨拉戈萨大学、 瓦伦西亚理工大学是 主要的研究机构, 在虚拟农业的研究上引领本国的研究前沿。 总体而言, 虚拟农业的研究机构均是各国研究农业的顶尖 大学和科研院所, 这 些高校及研究院所具有雄厚的师资力量和较高的研究水平, 集聚大批高端创新 人才, 引领科技发展前沿, 为本国农业的发展提供科技支撑。 三、讨论 ( 一) 中国 与美国 引领虚 拟农 业的研 究热 潮 近10 年中国与美国的虚拟农业研究产出一直居于领先地位, 中国在2008 年以后 相关研究取得突飞猛进的发展, 在国际上的发
20、文量远超美国, 由于中国虚拟农 业研究机构相对较少, 导致相关的研究成果产出比较集中, 不同年份成果产出 量波动较大, 而国外针对虚拟农业的研究机构较多, 成果产出比较分散, 不同 年份的发文量起伏 较小 (图6) 。 中国与美国发文量占世界发文量的 1/3 以上, 以绝对优势引领了国际虚拟农业 的研究发展, 中国在 2008 年以后, 虚拟农业的研究进入高峰期, 相关研究成果 产出较多, 在国际上的发文量居世界第一 ( 表3) 。美国的发文量在 2006 年以 后开始下降, 虚拟农业的研究由高峰期渐入稳定期。 图6 排名前 5 国家发文量随年份变化 下载原图 a-2006;b-2007;c-
21、2008;d-2009;e-2010;f-2011;g-2012;h-2013;i-2014;j-2015 ;k-2016;l-2017 表3 中国与美国不同年份发文量占比 (%) 下载原表 ( 二) 虚拟 现实技 术在农 业领 域的发 展趋 势 虚拟农业生产、 虚拟植物、 虚拟动物、 农业知识创新虚拟环境体系以及虚拟农业 实验等在农业领域得到了广泛的应用, 预示着虚拟现实技术将为农业科学研究 和农业生产发展带来新一轮的革新。 在农业领域, 除了利用虚拟制造技术来研制农业机械外, 还利用相关软件模拟 生物的真实环境和生长过程或通过传感器采集生 物信息重构生命过程。 虚拟现实技术虽在农业领域的应
22、用已先后取得一定成功, 但仍需向更广、 更深的 领域探索, 农林牧副渔及相关领域利用虚拟现实技术进行研究成为趋势, 林业 调查受成本和生物度量的限制, 为了实时了解与掌握森林的生长状况, 采用虚 拟现实技术, 从架空成像或基于现场的树木调查数据采集方法, 以持续的监测, 将林业生长变化动态数据可视化, 为植树造林和管理提供科学依据10 。另外, 随着全球性的水资源短缺问题日益严重, 虚拟水的研 究成为热点, 包括从生产、 消费和水转移角度的缺水综合分析, 全球虚拟水贸易的特点分析等。 VR 技术应用于农业教学, 建立虚拟教室与学习内容模块, 成为今后教学主流。 另外, 虚拟实验室、 虚拟实训基
23、地的应用, 可以让学生更身临其境的感受知识与 体验技能, 全身心投入其中, 获取更丰富的知识与经验15。高盛在 2016 年2 月发布的VR 与AR: 解读下一个通用计算平台报告指出, VR 有潜力成为教育 领域的标准工具, 将变革学生在基础教育和高等教 育阶段的受教方式, 预计 2020 年该市场规模将达到 3 亿美元, 而2025 年将达到7 亿美元。 虚拟农业的发展, 建立了农业数据库, 使农业生产可视化, 在数据库中可以了 解作物的所有信息, 获取作物的生长形式以及病虫害问题。 今后可以通过虚拟农 业了解农作物生产过程中的病虫害和污染源头, 从根本上进行治理, 保证食品 安全。 可以根
24、据不同的需求, 操纵影响品质、 口味和产量等因素, 培育出品质最 佳、产量最高、抗虫害能力最强的绿色新产品。 目前, 国内外虚拟现实技术在农业领域已经得到广泛应用, 随着我国对农业投 入力度的不断 加大, 政策支持力度的不断增强, 在打造具有全球影响力的虚拟 农业技术与科技创新中心的大背景下, 大力推进虚拟农业在我国农村的发展, 实现农业虚拟产业的国际化与标准化成为农业发展的一大趋势。 ( 三) 虚拟 现实技 术在农 业中 的前沿 应用 国际上虚拟农业研究主要趋向于农业、 环境科学生态学、 工程与计算机科学等相 关领域, 同时计算生物学、 商业经济学、 水资源、 数学等学科相继在虚拟农业出 现
25、, 并形成一个庞大的学科体系。 虚拟现实技术除了在农业生产、 农机制造等方面充分利用之外, 在风力发电项目 视觉影响评估、 云辅助数字农业虚拟植 物模拟器、 精密农业机器人、 虚拟用水等 方面也广泛应用。 风力发电项目中, 在评估风电场的视觉冲击时, 使用虚拟现实场景可以帮助设 计者在规划过程中整合视觉, 并显示在不同的视图中产生的变化。 这种强大的通 信工具, 提供了展示视觉冲击的一种有效方式。 目前, 为填补虚拟植物仿真技术的空白, 研究了一种实时仿真原型, 包括植物 的拓扑结构的快速生成算法和基于分形的虚拟植物柔性仿真以及系统。 根据采集 到的植物图像, 利用云计算来实现实时绘制。 利用
26、虚拟技术研究的自主农业机器人, 可以针对染病的个体水稻和小麦进行识 别, 然后 进行精准喷雾杀虫, 这种技术的研发, 有助于推进其他领域, 比如对 于今后机器人手术和其他医疗应用相关技术的研发。 随着经济的快速发展, 水危机日益严重, 将成为社会可持续发展的重要障碍。 虚 拟水理论及其在农业中的应用, 为实现水资源的合理利用和可持续发展提供了 重要的策略。利用虚拟农业技术, 通过对农牧业及其时空结构演化的综合评价, 给出虚拟用水量, 可以明确农牧业用水量, 为合理用水和农业结构调整提供建 议。 另外, 植物景观改造设计技术、 虚拟农耕场景技术、 采摘机器人视觉定位及 行为控制技术、 植物生长动
27、态虚拟仿真技术、 果树虚拟修剪技术、 大棚西瓜实训 系统技术以及现代化养殖仿真技术等环境科学生态学、 工程与计算机科学相关领 域不断发展 。 四、结束语 虚拟现实广泛应用于农业领域已经成为今后农业发展的一种趋势, 中国与美国 对虚拟农业研究的贡献较大, 科研成果产出多, 但是中国虚拟农业相关学术研 究水平还有待提高, 其研究成果在国际上的影响力较低。 利用虚拟现实的增强现实技术和增强虚拟环境技术, 将农业领域的各个方面形 成一个虚拟环境, 通过农作物与环境的交互虚拟, 达到“实中有虚” 与“虚中 有实 ”的表现效果, 并在虚拟环境中获得视觉、听觉、触觉、动觉等多种感知。 利用VR 技术溯源与重
28、现病虫害的侵害过程、化肥农药的污染过程, 切断害虫的 入侵通道与污染 源, 从根本上解决食品安全问题指日可待。 随着我国现代化农业的发展, 虚拟农业的产业化发展将逐渐趋于成熟, 中国已 迈入 “互联网 +”时代, 数字、信息化技术是农业发展的驱动力, 以虚拟组织为 创新平台, 有利于提高农业整体技术创新水平, 促进农业现代化发展进程。 参考文献 1 苏郁.虚拟农业的发 展问题研究J.陕西农业科学, 2001 (1) :101-103. 2 李敏, 郭小粉, 王 应君, 等. 虚拟农业技术及其应用J.农学学报, 2014, 4 (11) :100-104. 3 杨沛.虚拟现实技术 及其在农业中的
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