數字孿生在現代農業發展中的應用探索

摘" 要：數字孿生技術應用前景廣闊，農業數字孿生是構建現代農業新發展格局，貫徹新發展理念的重要路徑。但是，農業數字孿生研究和應用當前還不成熟，亟需進一步推動數字孿生技術和農業融合發展。通過探究數字孿生在現代農業產業及數字化的發展現狀和發揮的作用，分析臨沂市平邑縣九間棚村農業數字孿生典型應用場景及案例，分析數字孿生賦能現代農業高質量發展的基礎條件、應用前景和發展建議，結合農業數字化基礎建設成果，進一步提出實現數字孿生在服務現代農業縱深應用的創新路徑，為推進數字農業和農業數字孿生系統應用提供參考。

關鍵詞：智慧農業；數字孿生；農文旅融合；物聯網技術；數據采集

中圖分類號：F323.3" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2096-9902（2024）04-0006-05

Abstract： Digital twin technology has a broad application prospect. Agricultural digital twin is an important way to construct a new development pattern of modern agriculture and implement the new development concept. However， the research and application of agricultural digital twins are not mature at present， and there is an urgent need to further promote the integrated development of digital twin technology and agriculture. By exploring the present situation and role of digital twins in modern agricultural industry and digitalization， this paper analyzes the typical application scenarios and cases of agricultural digital twins in Jiujianpeng Village， Pingyi County， Linyi City. This paper analyzes the basic conditions， application prospects and development suggestions of digital twins for the high-quality development of modern agriculture. Furthermore， based on the achievements of agricultural digital infrastructure， this paper puts forward an innovative path to realize the in-depth application of digital twin in serving modern agriculture， so as to provide a reference for promoting the application of digital agriculture and agricultural digital twin system.

Keywords： smart agriculture; digital twins; integration of agriculture， literature and tourism; Internet of Things technology; data collection

數字農業是以數字化技術處理和分析農業生產過程、環境和全過程的信息管理的農業生產資料綜合。通過引入數字農業，我們可以大幅度改善傳統的農業生產模式，并且將數字技術與農業的各個環節緊密結合，從而發揮出更大的作用。通過運用先進的科學技術，農業技術人員可以有效地優化農業資源的配置和管理，從而大大減少資源的浪費，提升農產品的競爭力，這是農業發展的必由之路。數字孿生技術作為產業數字化的關鍵技術之一正成為數字技術領域的焦點[1]。近年來，隨著面向行業的數字孿生政策頻頻出臺，推動了數字孿生技術在多種行業領域的縱深應用，我國數字孿生政策體系逐漸形成，為多產業融合創造了較好的環境。數字孿生與農業的結合將極大地推動農業數字化和智能化發展，為農業現代化、智能化轉型升級提供新基礎[2]。

1" 國內外研究現狀

數字孿生經歷長期發展已成為和人工智能、區塊鏈等并列的數字技術，數字孿生是對物理實體發數字化仿真呈現，以不同時間和空間數據為基礎，融合多種數字模型，實現對物理對象的映射呈現、分析優化、診斷預測及閉環控制。2018年，美國國防部發布國防數字工程戰略為數字孿生的大規模應用奠定基礎，數字孿生應用不斷跨行業延申，從航天制造業領域向城市、醫療、交通等領域拓展。2020年，聯合國啟動了海洋數字孿生項目，幫助預測海洋未來的演變。2022年3月歐盟計劃投資1.5億歐元，發起旨在建立一個全面和高精度的數字孿生地球。

隨著國內農業數字模型、空天地一體化農業管控、區塊鏈農產品溯源等科技成果的不斷成熟，現代農業不同階段領域已經快速實現了初步數字化，正在走向智能化。數字孿生在農業生產管理方面應用不斷深入，王志強等[3]提出將數字孿生用于農業領域，可以幫助管理人員進行農業生產的在線管控，農民可以根據實時的數字信息輕松檢測故障和錯誤并遠程啟動操作，數字孿生形成農業數字化的整體方案設計，形成了種植、生產、營銷全過程的信息化系統。還有研究基于農業生產系統所產生的數據集，通過分析處理和決策控制，有效實現對作物生產系統的數字化管理[4]。很多學者將圖像處理和數據分析應用于農業領域的數字孿生，進行檢測和提取農作物植物表型，進而建立虛擬數字植物模型[5]。在植物表型方面對植物形態結構的參數測量、點云提取和三維重建。利用農業數字孿生技術構建植物生長發育基本模型，建立數字植物數字系統幫助以水稻為研究對象進行分子設計育種工作[6-7]。

近年來，國內對數字孿生和農業相結合開展相關應用集成和示范取得較好的效果。江蘇省農業科學院建設的“基于web3.0的新一代農業認養平臺”通過去中心化、開放、共享的理念，打造全新的農業認養模式與用戶體驗，讓消費者借助數字技術親身感受更加安全、透明、有趣的農業生產全過程。通過新技術和新理念的應用，將虛擬農業與現實農業結合，為數字農業與未來農業的發展提供關鍵技術支持和應用場景示范；通過VR、數字孿生、物聯網等技術綜合構建元宇宙虛擬農場[8-9]。中國聯通黑龍江省分公司通過元宇宙數字孿生技術整合涉農資源，打造數字孿生植物工廠并通過數字孿生技術實現農作物三維建模，利用無人機傾斜攝影制作3D地圖，實現農田精細化管理，為農業智能化轉型升級提供新動能。

相較于國內對于數字孿生領域的研究，國外的相關研究時間更長，許多發達國家的探索路徑是值得借鑒的，雖然各地區受地域影響不能將全部經驗付諸實踐，具體的實施過程也存在著差異性，但是在科技研發力量上的投入都是不斷增大的，近年來，現代農業和數字孿生技術的結合點越來越多。通過數字孿生技術的應用，將大大提高數據的利用水平，推動現代農業的生產力與經濟效益的提升。在數字經濟快速發展的新時代，農業現代化必須適應農業發展新道路，貫徹新發展理念，以數字孿生為代表創新技術應用培育新動能，推動新發展。

2" 數字孿生在現代農業中的應用邏輯

2.1" 數字孿生技術及特征

數字孿生是在2018年前后第一次在美國密歇根大學的相關課程上出現的。美國NASA在2010年正式提出數字孿生的一詞。后續美軍開展了數字孿生在飛機操控管理中的應用研究。2012年，NASA和美軍聯合發表了一篇關于“Digital Twin”的論文，指出數字孿生是可以推動未來飛行器的進一步發展。IOS將數字雙生定義為——數字孿生是指在物理狀態和虛擬狀態之間保持同步變化，具有數據交互的物理實體或業務流程的數字化呈現。數字孿生的學術定義一般為：數字孿生是指借助以往數據和實時數據，基于相關算法以數字化方式創建的真實物體的虛擬模型，仿真、檢測、估算和管理物體的技術方法。從數字孿生的定義可以看出，數字孿生具有可擴展性、閉環性、互操作性、實時性和保真性等典型特點。

數字孿生的數據來源是行業應用的各種傳感器，這些傳感器采集對應實體不同方面的信息（如濕度、光照、土壤環境等），然后將該數據提交到數據中臺并產生數據模型。繼而使用虛擬模型對真實系統進行仿真模擬，整個過程可以挖掘出新的應用效益，進而優化提升物理實體的運行質量和效果。

2.2" 數字孿生在現代農業中的應用邏輯

數字孿生是運用新一代的信息智能技術研發出來的基礎應用支撐，用來實現產業流程數字化和智能化為目的的技術革新。在信息數據海量產生的時代，數據的增長已經是按毫秒尺度進行計量，來源復雜多樣、數據種類繁多，各種能夠體現出價值的數據密度卻非常低，那么在大數據時代的背景下，如何解決通過數據模擬在物理世界中的狀態，并解決物理世界的困難，是一個可以解決“智能”關鍵性的問題。在此背景下，人們更加注重數據的精準性，真正對物體實現有效控制就必須把精準的信息進行收集采集處理和有效組織，最終輸出有效信息并加以利用。無論是無人農場，還是智能溫室或大田，建立有效的信息鏈路，提升數據精確度，重點都是建立完整的數據循環鏈路，實現數據互通。目前，農業物聯網系統能夠采集降雨、溫濕度、光照和土壤環境等物理量的傳感器已在部分示范園區大量使用，讓平臺高效采集更多優質的農業生產信息。數字技術的出現和升級為各種信息在網絡鏈路中的循環運行提供了基礎條件。

數字孿生的關鍵邏輯是把基本原理應用于生產實踐的高級階段，是為真實物理實體在虛擬平行空間建立數字體，在數字模型體的基礎上進一步模擬實體環境數據，虛擬物體在真實環境中所產生的狀態，核心邏輯依賴于計算機科學及物理等多方面技術支撐。在數字孿生系統中可以實現對農業物理實體進行數字感知、實時控制，對物理實體在未來某時刻的狀態和行為進行預測，減少不確定因素的干擾。

3" 數字孿生典型案例應用分析

以平邑縣省級現代農業產業園基于大數據、遙感監測、數字孿生等技術，開發建設的金銀花空天地一體化融合感知平臺為實例分析數字孿生在農業產業中的應用狀況。平臺利用三維數字地球基礎平臺，承載農業資源數據、融合農業生產數據、集成遙感大數據，形成農業數字底盤，并建立覆蓋時空數據感知、挖掘分析、管控的全業務流程，對區域種植結構進行分析，形成時空連續的金銀花專題地塊數據集，動態監測土地利用、作物種植面積、土壤環境和作物健康狀況信息。空天地一體化平臺基于大數據、物聯網、數字孿生和人工智能等技術手段，打造了一體化數字農業創新工程，綜合運用衛星遙感監測、空中無人機監測和地面物聯網采集點監測，實時獲取農業生產全過程數據，建立智能化的數據分析與控制系統，實現農業資源的優化配置。依托物聯網技術，運用物聯網生產管控系統，對生產過程進行管控，提高農業生產效率；運用追溯系統，加強消費者對金銀花的信任度，提升品牌形象；運用視頻監控系統，管理人員可以對種植全過程進行生產監控，為農產品安全溯源提供數據保障。采用物聯網技術，通過無線信息采集與組網傳輸、自動控制實現智能化灌溉。

平臺為金銀花種植提供面積監測、墑情監測、長勢監測和產量模型等航天航空遙感生產服務，提高了數據的管理和開發利用水平，實現農業多源數據的集成采集和線上融合分析，進而實現智能化地農業生產、管理、決策。利用衛星遙感、無人機、地面采集點傳感網絡等手段，對金銀花的種植類型、面積、土壤及長勢進行動態監測，為智慧化管理提供決策支持。

數字農業數字孿生應用平臺示意圖如圖1所示。

基于三維地圖實現空天地大數據可視化，通過3D地圖直觀查看金銀花種植的梯田分布、地形條件，不同品種的種植面積和分布，查看地塊監測設備數據和監控攝像機。

4" 數字孿生技術在現代農業應用過程中存在的問題

目前，農業數字孿生取得了較多的技術上的創新發展，并在包括農業在內的多個行業得到應用，但農業數字孿生研究和應用當前還不成熟，其技術、應用、管理方面還存在不少問題有待解決。

4.1" 農業數字孿生系統技術要求高，數據量大

農業行業涉及的因素眾多，系統非常復雜，特別是環境因素和數據對農作物影像較大，且變化較快，這使得農業數字孿生平行虛擬環境的建立較為復雜。以無人機傾斜攝影技術代表的農田大面積三維建模技術可以全方位還原復雜場景，通過高效的數據采集設備，采用全自動化的數據處理方式生成模型數據，再經過勻光勻色等步驟及輕量化處理最終生成三維模型數據成果，可以直觀反映真實場景的空間屬性，數據具有時間和空間多重屬性，數據量大、技術復雜度高。

4.2" 農業種植區域普遍網絡通信基礎薄弱

部分地區農村電信網絡雖然已經全面覆蓋，但是到偏遠農業園區的比例較少。農田山區網絡信號不穩定通信基站布設不夠的問題急需解決。農業數字孿生硬件設備相對發展較慢，混合現實頭盔等設備笨重，攜帶不方便，設備產生的數據分辨率還較低，這也導致了農業數字孿生落地應用不多。

4.3" 管理人員數字化技術能力欠缺

從事農業的實際操作人員多為當地農民，平均年齡大于50歲，在種田的操作經驗上雖然豐富，但在對現代農業的理解和使用上卻存在著許多盲點，如知識儲備不足無法理解操作過程等情況時有發生，這就導致無法與技術人員進行有效溝通，當無法描述具體需求時，技術人員只能根據自己的理解對功能板塊進行構建，很難做出實用于生產，與生產相匹配的系統。九間棚等金銀花特色農業種植區地處沂蒙山區，特色農業資源豐富，但是，業界商人、高新技術人員、資本欠缺，人才數量和能力有限。數字農業技術及數字孿生發展一定無法離開地方政府的支持，這就需要地方政府和園區有真正懂得農業和數字農業技術的人才進行管理。

4.4" 數字孿生系統農業應用場景單一，促進一二三產融合發展能力不足

數字孿生系統在工業領域、娛樂領域發展迅速，和行業應用更貼合，而在現代農業方面需要創新和探索，在農業行業的應用方式不夠清晰。就數字孿生技術在農業行業應用現狀來看，可有效賦能現代農業創新應用，但是應用場景較為單一，功能領域覆蓋不足，一般只實現了對農業園區的視頻監控、環境數據監測、查看基礎農業資源等。

5" 數字孿生技術賦能現代農業高質量發展的路徑

5.1" 夯實融合化的城鄉一體農業數字孿生數字底座

在發展數字經濟的新的時代背景下，面對城鄉數字化轉型的新要求，智慧城市、數字鄉村與數字農業建設將從政府治理向社會經濟的更多領域延伸，從連接流程走向更深入的時空連接，以及數字空間建設與城鄉物理空間建設逐步全面融合。通過數字空間的建設，作用于物理空間與社會空間的解耦與重構，進而推動城鄉經濟社會發展模式的轉變。無論是數字孿生還是城市信息模型（CIM）平臺，都突出了數字底座的時空屬性。無論是天空地一體化觀測網絡還是自然資源三維立體“一張圖”，都對時空數據的匯聚與處理能力提出了更高要求。

需要結合新型智慧城市建設統籌推進信息化基礎設施、系統平臺、數據中心等建設，圍繞業務需求，構建通用化運營平臺，打造城鄉一體統一、集約、融合及智能的數字底座。加強多元數字技術與信息技術的融合，在提升時空大數據智能分析挖掘效率的同時，保障其應用的可信與可靠性，進一步激活數據要素的潛能。通過構建能夠真正映射現實物理世界的數字孿生時空底座，賦能城鄉覆蓋的各行業領域的數智化轉型升級，進而滿足現代農業數字孿生應用和發展。

5.2" 加強鄉土科技人才培養，提升信息化水平

現代農業對數字孿生技術需求較大，但與工業等產業相比，農作物種類繁多且受限于環境無法深層次地做到標準化，因此，需要建立覆蓋基礎科研、工程建設和農業生產相結合的人才儲備，并提供政策和配套等多方面的保障，建立有競爭力的績效評價體系與分配機制，吸引信大數據技術、圖形圖像處理技術和人工智能技術等領域的優秀人才投入到農業數字孿生系統的研究中。借助高等教育、職業教育體系培育農業專業人才，以及建立政產學研結合的農業人才孵化平臺，集聚創新型鄉村人才；加強農民培訓，促進其對數字技術、數字基礎設施、數字農業的理解與認知；提升鄉村基層政府辦公人員的農業數字化素養，培養專業的管理人才。

5.3" 構建多尺度農業數字孿生應用場景

目前基于數字孿生系統農業應用場景單一的問題，研究現代農業發展要創新驅動，以數字化賦能現代農業、鄉村建設，整體帶動農村現代化發展。借鑒特色農業數字孿生應用示范點的科技感，提出構建從縣域全域、農業產業園區、植物生長模型等多種尺度的現代農業數字孿生應用場景，實現一二三產業融合發展，走好“數字孿生，農業賦能”的現代農業智能化管理新路子。

5.3.1" 空天地一體化農業數字孿生場景

在縣域尺度大范圍農業生產領域，基于衛星遙感、低空無人機、地面物聯網等手段構建了空天地全覆蓋的多元信息監測體系，包含衛星遙感數據感知模塊、空中無人機高光譜數據感知模塊、傾斜攝影數據感知模塊和地面傳感數據感知采集模塊等，融合無人機、GIS、傳感器等數據于一張圖，提供高效數據感知、獲取和采集數據支撐，實現大田種植區域的全域數字化生產管理應用。

5.3.2" 數字孿生農業生產管理場景

在村域、產業園區尺度等農業生產領域，基于數字孿生技術構建三維虛擬農場。提出了數字孿生智慧農業產業園，在數字孿生農業產業園中可作物生長周期的動態仿真呈現，可以減少農業生產管理成本，短期內可實現獲取大量作物環境數據，為精細農業提供數據支持和數字資源，同時可通過氣象站、環境監測傳感器等傳感設備實時采集環境、氣象、水肥等各維度數據，根據氣象數據和歷年流通數據，監測作物健康狀況評估產量，還可以對不同環境條件下農作物的品質進行仿真。同時，對園區進行傾斜攝影三維建模，搭建虛擬三維立體空間實現全息數據直觀可視化。

5.3.3" 數字孿生農文旅融合場景

使用虛擬現實VR技術可以讓用戶瀏覽園區風景，提供直觀導覽的可視化效果。結合時間、空間維度的農業生產數據、農業資源數據，采用三維地圖、圖形圖像等技術對海量數據進行可視化管理。依托大數據分析技術，獲取售票信息、實時游覽等數據情況，圖形化展示旅游月度人次、為游客畫像、消費數據分類分析、熱點景點、旅游線路推介和票務分析等。

運用三維可視化數字孿生技術，對山區全域進行傾斜攝影三維建模，打造三維沉浸式數字化虛擬現實旅游系統，為熱度景點專門打造全景VR虛擬旅游等互動場景，為使用者打造身臨其境的體驗。如針對九間棚紅色旅游景區在三維地圖直觀展示景區獨特的梯田景觀、峽谷景觀，以及觀光游、紅色游、度假游和體驗游四大游覽路線，提供直觀導覽的可視化效果。

5.3.4" 數字孿生植物表型檢測育種場景

在植物生長微觀尺度，農業數字孿生系統通過集成光譜數據采集、高速數據交換、快速分析建模，建立高通量植物表型檢測與分析系統，提供及時、準確、穩定的育種栽培技術支持。利用高光譜成像可以采集植株的空間坐標和光譜數據，既可以像獲取植株的幾何形態結構，又可以穿透植株的內部生理化學特性。

5.3.5" 數字孿生農業文化遺產保護場景

數字孿生技術能夠將農業文化遺產進行數字化還原，為文物保護提供可行方案，能夠讓觀眾通過數字化展示更好地了解農業文化遺產的歷史和文化內涵，建立數字檔案記錄農業文化遺產的歷史、文化、環境等因素，為研究工作提供可靠數據支持。例如臨沂市平邑縣金銀花-山楂復合系統獲批第七批中國重要農業文化遺產候選項目，通過數字孿生建模能有效展示金銀花－山楂復合種植模式的作用機理。

5.3.6" 農業元宇宙應用場景

農業元宇宙是農業數字孿生的高級形式，農業數字孿生通過建立虛擬平行世界實現對真實世界的高效管理和運行模擬。目前，農業數字孿生構建的虛擬系統和現實世界沒有融合統一，用戶處于觀察者模式，使用虛擬世界的進入性不強。農業元宇宙系統和一般意義農業數字孿生系統的區別主要是更加關注虛擬和現實的融合及身臨其境的沉浸感。在農業元宇宙中，農業數字孿生還需結合混合現實技術，增加數字虛擬世界與現實世界的融合互通，同時結合區塊鏈技術實現農業資源的虛擬化和價值通證，實現更全面更先進的農業數字孿生。

6" 結束語

總之，數字孿生技術在智慧農業應用中的作用越來越重要，為數字賦能現代農業提供了新的方法和思路。通過數字孿生技術和應用案例的分析，對數字孿生和現代農業的結合上提供了參考，但是離典型場景實地建設和應用還有很長距離，后續需要針對不同場景研究打造出多種農業細分領域的具有更高社會和經濟價值的農業數字孿生應用。

參考文獻：

[1] YONG H， PENG C N， QIN Z， et al， Agricultural Internet of Things： Technologies and Applications[M].Springer，2021.

[2] TAO F， LIU W R， LIU J H， et al. Digtital twin and potential application exploration[J]. Comput. Integr. Manuf. Syst.，2018，24（1）：1-18．

[3] 王志強，蓋素麗，崔彥，等.基于數字孿生與區塊鏈的智慧農業系統研究[J].河北省科學院學報，2021，38（1）：66-73.

[4] 聶鵬程，張慧，耿洪良，等.農業物聯網技術現狀與發展趨勢[J].浙江大學學報（農業與生命科學版），2021，47（2）：135-146.

[5] 顧生浩，盧憲菊，王勇健，等.數字孿生系統在農業生產中的應用探討[J].中國農業科技導報，2021，23（10）：82-89.

[6] 趙春江，陸聲鏈，郭新宇，等.數字植物研究進展：植物形態結構三維數字化[J].中國農業科學，2015，48（17）：3415-3428.

[7] 朱新廣，常天根，宋青峰，等.數字植物：科學內涵、瓶頸及發展策略[J].合成生物學，2020，1（3）：285-297.

[8] 陳楓，孫傳恒，邢斌，等.農業元宇宙：關鍵技術、應用情景、挑戰與展望[J].智慧農業（中英文），2022，4（4）：126-137.

[9] 趙燕.基于云平臺和三維仿真技術的農機虛擬智能裝配系統[J].農機化研究，2020，42（7）：219-223.