试论元宇宙在现代农业生产管理中的应用

徐瑞曜，周劲松

（1.巢湖学院 文学传媒与教育科学学院，安徽 巢湖 238024；2.合肥市农业农村局，安徽 合肥 230071）

0 引 言

元宇宙（Metaverse）是2021年度网络上的流行词，但至今没有一个权威的定义。说起它的来源，可以追溯到1981年，美国数学家和计算机专家弗诺·文奇教授在小说《真名实姓》中构思了一个虚拟世界，人们通过人脑与计算机接口相连，就可以进入这个虚拟世界并获得感官体验。1992年，美国科幻作家尼尔·斯蒂芬森在其科幻小说《雪崩》中提出了“元宇宙”概念，描述了人类通过虚拟现实设备与虚拟人共同生活在平行于真实世界的数字虚拟空间[1]。随着虚拟现实、扩展现实、虚拟世界、数字孪生等为代表的视觉沉浸技术的发展[2]，人们可以轻易创造一个三维（3D）虚拟世界应用，实现人机互动、远程互动，体验虚拟世界的神奇之处。

近年来，互联网、5G通信、区块链、大数据、人工智能、机器视觉、物联网、网络云运算、高清晰度全息影像、高性能传感器等高新技术快速发展，使得人们把现实世界和虚拟世界融合在一起成为可能，人们把现实世界中采集的静态数据和动态数据投送到虚拟世界的构成设计中，形成一个在同一时间轴上与现实世界平行的虚拟世界—元宇宙。

元宇宙通过提供“虚拟人”形式进行人机互动，“虚拟人”通过人脸识别技术辨识人类的身份；通过语音识别技术接受人类询问和下达指令；通过搭载人体动作传感器的人体穿戴设备接收人类肢体语言表示的内容。“虚拟人”在接受人类的询问和指令后，通过查询数据库向人类展示相关数据、影像资料，启动执行机构贯彻人类的指令。人类也可以“化身”为“虚拟人”，在虚拟世界里互相交流，甚至可以进行商业活动，如举行会议、签订合同等。

进一步来说，元宇宙的英文为Metaverse，其由“meta”（意为“超越”）与“verse”（意为“宇宙”）组合而成[2]，元宇宙的本质就是超越[3]，元宇宙虽然是与现实世界在同一时间轴上平行的虚拟世界，但它可以依据大量的历史数据，如利用大数据分析技术对现实世界未来一段时间的状态进行预测，并形成虚拟的未来世界视觉感官场景，这也是其超越现实世界的一种表现。

元宇宙具有8大要素和5大特点：8大要素是身份、社交、沉浸感、低延迟、多元化、随时随地、经济系统、文明，5大特点是沉浸式体验、虚拟化身份、经济系统稳定、社交属性强、开放式创造[4]。8大要素和5大特点决定了元宇宙在人们生产、生活中的各个领域都会有广泛应用，如游戏、金融业、房地产业、服装业、农业等。所谓“万物皆可元宇宙”[5]，就是指一切现实世界的事物都可以映射到虚拟世界，帮助人们透过时空的屏障，沉浸式探知现实世界。

1 元宇宙在现代农业中的应用场景

元宇宙能够跨越时空，采集现实世界的动态数据、静态数据后，构成一个虚拟世界展示在人们面前，其在现代农业的应用场景一般有以下几个方面。

1.1 现代农业生产管理方面的应用

元宇宙在农业物联网建设的基础上，采集农田土壤墒情数据、气象数据、影像资料，构建“虚拟农田”，沉浸式向人们展示农业生产的实时状态，如农作物生长状态及环境、土壤墒情、气象数据等，还能够主动应对农作物病虫害，优化农作物生长环境，安排农事活动。

1.2 农产品销售、展示方面的应用

元宇宙以“虚拟展厅”的方式展示农产品。与平面图片展示不同，“虚拟展厅”以三维方式直观、生动地展示农产品的品种、形状、大小、色彩。“虚拟展厅”设置“虚拟讲解员”，引导人们漫步“虚拟展厅”，介绍农产品情况，回答人们的咨询。

1.3 农产品追溯方面的应用

元宇宙在农产品追溯系统的基础上，采集田间管理、农产品加工、存储、物流等数据和各节点的影像资料，围绕“从农田到餐桌”的安全管理理念，在三维全景沉浸式地图上展示农产品从产地、运输、加工、销售的追溯过程。元宇宙为人们提供VR眼镜，实现在三维全景沉浸式地图上的漫游功能。首先，展示农产品自田间采摘到零售的总时间，显示农产品的新鲜程度，进一步展示农产品的产地环境、农产品生产过程中使用农药化肥的时间、用量情况、加工农产品场所的实时卫生情况和加工时间、农残检测场所的实时检测过程、农残检测证书、农产品运输路线和农产品批发零售交易情况等。

1.4 农资追溯方面的应用

元宇宙在农资追溯管理系统的基础上，采集农资从工厂到零售全过程及各节点的数据和影像资料，并展示在三维全景沉浸式地图上。漫步地图，咨询“虚拟农资导购”，会向人们展示农资生产厂家的资质、生产农资的实景影像，如《农作物种子经营许可证》《农药经营许可证》《兽药经营许可证》等许可资料，防止农药、化肥、种子等农资产品的假冒行为。

1.5 高标准农田建设项目评审和施工方面的应用

在高标准农田建设项目设计方案评审时，依据项目范围，按照地形图建立一个与现实世界对应的元宇宙，同时按照设计方案图纸建立一个与建成后高标准农田建设项目对应的未来世界元宇宙。评审专家沉浸式进入两个虚拟世界，通过观察、分析、对比，更容易找到设计方案的不足之处，以丰富完善高标准农田建设项目设计方案。如观察虚拟现状田块的地形、地势、高程差，评价设计田块划分的合理性，减少对耕作层的破坏及优化土方平衡。

在高标准农田建设项目施工时，为了方便管理，采集施工单位的电子施工日记、监理单位的电子监理日记、施工现场的影像资料，建立现实工地的元宇宙映射—“虚拟工地”。“虚拟工地”展示了施工现场投入施工机械的数量、位置，施工人员的数量，使用建筑材料的来源、用量，隐蔽工程的图片，施工现场的实时影像资料，建设项目的工程进度。农田建设部门管理人员完成项目督查工作，无须奔波于各处建设工地，便可及时掌握施工现场的资料和进度。

1.6 农机管理方面的应用

元宇宙在智慧农机信息化管理平台的基础上采集农机的权属、种类、型号、农机证等基础信息及作业项目名称、作业范围、机手姓名、农机定位位置、作业进度、农机安全监理人员姓名、农机作业现场影像资料、自动驾驶农机动作数据等信息，并在三维全景沉浸式地图上展示。使用VR眼镜漫步地图，全辖区的农机信息一目了然。询问“虚拟农机管家”可快速定位农机，显示农机相关资料、播放农机实时动作影像。元宇宙在农机管理方面的应用加强了农机的综合管理，规范了农机安全监理人员的管理。

1.7 农业技术推广、培训、教育方面的应用

元宇宙以“虚拟农民课堂”的方式展示农业新技术成果、农作物种植技术、农产品供求信息等内容。“虚拟农民课堂”设有“虚拟教师”，使用自然语言和人们互动，传授知识、解答问题。农业相关人员足不出户就能够远程学习农业知识，获取各种农业科技和农产品供求信息。

2 元宇宙在现代农业的应用意义

元宇宙在现代农业中的应用是智慧农业发展的一种探索活动。元宇宙把在广袤农村土地上进行的农业建设、生产、经营活动，在尺寸之间以虚拟世界的方式向人们展示，缩短了时空距离，形式新颖、生动、直观，映射的现实世界的内容真实、准确。同时结合视觉沉浸技术、4G/5G技术、大数据技术、人工智能等高新技术，推动了农业生产的高效化、精细化、绿色化发展，改善了农业生态环境，改造升级农业产业链，提高了农业管理水平，为可持续农业发展作出贡献。

3 元宇宙在现代农业生产管理中应用的社会环境背景

3.1 高标准农田建设夯实了现代农业发展基础

高标准农田是指土地平整、集中连片、设施完善、农田配套、土壤肥沃、生态良好、抗灾能力强，与现代农业生产和经营方式相适应的旱涝保收、高产稳产，划定为永久基本农田的耕地。党和政府一直高度重视高标准农田建设，不断增加对高标准农田建设的财政投入，并强调了高标准农田的宜机化、高效节水设计，以适应现代农业生产和经营方式的需要。经过数十年的建设，高标准农田面积在农田面积中的占比大幅提高，据统计：截至2021年，安徽省各地级市高标准农田面积在农田面积中的占比均已超过50%，最高达87.5%，距离实现高标准农田全覆盖目标已不再遥远，高标准农田的建设夯实了现代农业的发展基础。

3.2 高标准农田的建设成果推动了农业机械化水平的提高

在高标准农田建设过程中，从初步设计开始加强农田宜机化的设计，小田变大田，确保每块农田的农机下田通道，完善农村机耕道网络；在项目实施过程中，强化工程质量监督管理，保证机耕路的质量和使用耐久性。高标准农田的建设成果加快了农机的推广速度、普及程度以及农机的效率和作业质量。

3.3 传统农业生产方式占比减少

由于农村“空心化”现象普遍，农村劳动力数量减少。据调研：某乡农村户口6 000余人，而在农村常驻的人口不足2 000人，其中40岁以下青壮劳力尚不足百。精耕细作的传统农业生产方式不能适应当前农业劳动力的现状，在农业生产方式中的占比进一步缩小。

3.4 农业高科技人才在现代农业生产和经营中发挥巨大的作用

由于土地流转制度的施行、农业生产方式的改变和政策鼓励，吸引了大量农业高科技人才到农村发展创业，并在现代农业生产和经营中发挥着巨大的作用。他们具有硕士研究生、博士研究生等学历，以及丰富的农学知识和现代农田管理经验，容易接受现代高新技术带来的新概念、新事物，对于新概念、新事物、新技术在农业生产中的应用推广起到了主力军的作用。

3.5 近年来，农业物联网系统的应用及智慧农业的发展为元宇宙的实现打下实践基础

随着农业现代化的生产发展，为了进行科学有效的田间管理，农业物联网系统在农业生产中被广泛推广应用。它利用温度传感器、湿度传感器、pH值传感器、电导率传感器、光照度传感器、CO2传感器等设备，检测环境中的温度、相对湿度、pH值、EC值、光照强度、土壤养分、CO2浓度等物理量参数，并通过一系列措施，保证农作物有一个良好的、适宜的生长环境。

元宇宙在现代农业生产管理中的应用社会环境条件是大规模的“田成方、路相通、渠相连、旱能灌、涝能排”的高标准农田、高水平的农业机械化、现代化农业生产方式、农业高科技人才、科学田间管理的农业物联网系统。这些社会环境条件满足后，就可以结合4G/5G通信技术、视觉沉浸等技术，构建现实农田在虚拟世界的映射—农情元宇宙。

4 农情元宇宙的概念、架构及特点

4.1 农情元宇宙的概念

“农情”一词意为农业生产情况，为农业生产管理服务的元宇宙称为农情元宇宙。

4.2 农情元宇宙的构架

农情元宇宙构建在农业物联网系统的基础上，架构设计为5层：感知层、网络层、应用层、展示互动层和执行机构层，如图1所示。

图1 农情元宇宙构架

感知层主要由农情哨兵、农情无人侦察机、农情气象站等构成，搭载温度、湿度、电导率、pH值传感器等以及RFID设备、视频监控设备等数据采集设备。农情哨兵是固定式农情感知设备，按照一定密度布置在农田中，主要任务是采集土壤墒情数据，监视样株生长及其健康状态。农情无人侦察机的主要任务是飞巡全域农田或抵近侦察无农情哨兵农田区域，观察农作物的生长情况和病虫害灾情。农情气象站的主要任务是获得当地气象数据。

网络层通过LAN、WLAN、4G/5G等构成高速网络系统，实现现场数据信息和上层控制命令实时准确的传输与交互。

应用层主要包括农业生产环境监测和优化、农事安排、农作物病虫害识别与治理、农情预测等农业应用系统，构成了一个农情元宇宙中心，可实现对由感知层采集的海量数据进行分析和处理，以及对农业生产现场的智能化控制与管理。

展示互动层包括3D环幕、VR眼镜、人体穿戴设备（含人体动作传感器）用于展示虚拟农田和人机互动。

执行机构层包括无人植保机、水肥一体化自动灌溉设备及农机协作组织的社会服务，执行元宇宙中心下达的指令，对农作物生长环境进行优化，以及农田耕作、灌溉、施肥、收获等农事活动的执行。

农情元宇宙利用现代高新技术，根据地形图和农田范围构建虚拟农田环境。通过农情哨兵采集的土壤墒情、图片/影像资料，农情无人侦察机采集的图片/影像资料，在虚拟农田中映射显示现实农田的农作物生长环境和生长情况，可以主动采取措施优化农作物的生长环境，监测农作物病虫害的发生并能够主动积极应对。同时按预案规划并安排农事活动，保证农业生产活动正常进行。

4.3 农情元宇宙的特点

农情元宇宙的特点就是实现农业生产活动的现实世界到虚拟世界的映射，“虚拟农情管家”提供生动的人机互动形式，农业生产活动的自动化程度高，实现了“无人农场”的愿景。

4.4 农情元宇宙与农业物联网的区别

农业物联网架构一般设计为3层，物联网感知层、物联网网络层和物联网应用层[6]。农情元宇宙因为展示虚拟农田、监测数据、人机互动的需要，增加了展示互动层，又因需下达指令进行农事活动，故增加了执行机构层。从拓扑机构上来说：农业物联网是一个需要人工干预的开环监测监控系统，而农情元宇宙是一个全自动的闭环监测监控系统。

5 农情元宇宙的功能

农情元宇宙由农情元宇宙中心、虚拟农情管家、农情无人侦察机、无人植保机、农情哨兵、农情气象站、水肥一体化自动灌溉设备及农机协作组织的社会服务等构成。

5.1 农情元宇宙中心

农情元宇宙中心硬件包含一组服务器和路由器、交换机、防火墙等网络设备，并与因特网互联，另有3D环幕、VR眼镜、人体穿戴动作捕获等设备用于虚拟农田的演示和人机互动。软件方面主要实现以下功能。

5.1.1 虚拟农田的演示和人机互动

元宇宙中心依据地形图和农田的范围搭建虚拟农田环境。田块、田间道路、机耕路、沟渠、桥梁、涵洞、防护林等一如现实世界。人们可以借助3D环幕/VR眼镜观察虚拟农田，穿上人体穿戴设备，在设备中搭载人体动作传感器，可以捕获人们的动作，人们就可以在虚拟农田中漫游。可以看到，农情哨兵的位置标注着土壤墒情的数据，农情无人侦察机、无人植保机从天空飞过，虚拟农田里各种农机正在耕作。

元宇宙中心收集从农情哨兵传来的土壤墒情数据包及图片/影像资料、农情无人侦察机传来的图片/影像资料、农情气象站传来的气象数据包、水肥一体化自动灌溉设备的施肥及施药量等数据，并存储一定历史阶段的数据，用于农产品追溯、历史数据对比和数据挖掘。

5.1.3 农事活动的规划及安排

根据事先制定的农业生产预案，元宇宙中心在设定的时间节点上安排农事活动。如根据计划种植的农作物的不同种类，在耕地、播种、灌溉、施肥、收获时节预先从因特网上获取当地15天内的天气预报，根据天气情况及时租用或出动相关农机。再如可以根据需要，在因特网上自动订购种子、农药、化肥等农业生产资料的品种和数量。

5.1.4 基于机器视觉的农作物生长情况判断与应对

主要从2个方面对农作物的生长情况进行判断：

（1）农作物的生长情况可以体现在大片农作物的色彩上，利用机器视觉原理和农情无人侦察机传来的图片/影像资料，与田块历史拍摄的图片/影像资料纵向进行比较，与周边田块的色彩横向进行比较，判断田块的农作物长势优劣。

（2）对样株进行观察，样株是农情哨兵附近的几株农作物，生长环境和周边农作物一致，只是其位置有利于农情哨兵进行拍摄和观察。利用机器视觉分析样株及果实尺寸、形状、色彩、光泽度等参数，也能获得农作物的生长情况。再依据田块农情哨兵传来的土壤墒情数据分析土壤缺水、缺肥的情况，产生对应的水肥配比，指挥水肥一体化自动灌溉设备对相应田块进行灌溉。

2.会计分录的影响。“营改增”之前会计科目主要涉及：营业税金及附加、应交税费等科目。而“营改增”之后，会计科目得到进一步明细划分，如：应交税费—进项税、应交税费—应交税金、应交税费—销项税、应交税费—进出口退税等科目。

5.1.5 基于机器视觉的农作物虫害识别与应对

农情哨兵的摄像设备具有捕获微小物体运动的能力，可以对空中、植株上运动的虫类进行跟踪拍摄。元宇宙中心根据这些图片/影像资料，利用机器视觉分析虫类的种类、数量、分布、密度和范围，以及观察植株受损情况，判断虫害的严重程度，指挥无人植保机按照一定配比配置农药，对指定农田进行喷洒。

5.1.6 基于机器视觉的农作物病害识别与应对

农作物出现病害，则植株相应部位的色彩、形状会有所反映，比如植株的叶片出现变形、白粉、煤污、锈粉、霜霉等。在农情哨兵传来的图片/影像资料中，利用机器视觉技术可以把病害植株从正常植株中分辨出来。通过对比与识别，确定农作物病害的种类和使用农药配比，再由农情无人侦察机抵近侦察，确定农药的喷洒范围，指挥无人植保机进行农药喷洒。

5.1.7 基于大数据分析、人工智能技术的农情预测

利用采集的历史数据、农艺经验和相应数学模型等，采用大数据分析、人工智能技术进行农情预测，并在虚拟农田上标识预测结果。例如农作物生长情况预测：观测农作物生长情况，结合气象因子和农田土壤墒情数据，预测农作物成熟时期、农作物收成，及时安排收获和销售；病虫害灾情影响预测：发现农作物病虫害后，从病虫害的发生范围、种类、数量，预测病虫害给农作物造成的损失情况，在虚拟农田标识病虫害损失的影响范围和损失程度；气象灾害损失预测：如遇见百年不遇的旱灾、水灾、雪灾等情况，根据农情气象站数据和从因特网获取的天气预报，结合农田地形，预测极端天气可能造成的损失情况，在虚拟农田标识受灾范围和程度。

5.1.8 农作物生长环境的优化

根据农情哨兵上传的数据，元宇宙中心可以根据农田中不同农作物、不同生长时期的需水、需肥特点，以及不同农田区域的土壤环境和养分含量状况，动态调整水肥配比，下指令给水肥一体化自动灌溉设备，对指定区域的农田进行灌溉，使农作物主要根系土壤始终保持疏松、适宜的含水量和土壤肥力，保证农作物优良的生长环境。

5.1.9 农田尾水“双残检测”及处理

对集水沟、集水井中的农田尾水进行农药、肥料含量实时监测。对于不达标的农田尾水，不能直接排放到自然水体。一般采用两种办法处理农田尾水：一是启动农田尾水复用设备，将尾水沉淀、净化、过滤后重新利用；二是启动水泵排入人工湿地，利用湿地中的植物吸收、降解尾水中的农药、肥料。

5.1.10 指挥中心

通过数据链指挥农情无人侦察机定时按规划路径巡航拍摄农田图片/影像资料，也可以指挥农情无人侦察机前往指定地点抵近侦察；指挥农情哨兵通过云台的调整，观察样株的生长情况；指挥水肥一体化自动灌溉设备按照指定的水肥配比对指定农田进行灌溉；启动农田尾水复用设备等。

5.1.11 提供政府农业管理系统的接口

通过数据接口向政府管理部门提供农业企业生产和经营相关数据，如农药、化肥、种子等农资的来源、品种、使用量、使用时间；使用农机型号、农机证、机手姓名、作业时间等；农产品的品种、产出量、销售量等。政府依据数据对全域农业生产情况进行监测，开展农资、农产品的追溯工作，控制农业面源污染，保证生态平衡，调整农业政策，以保证农业生产的健康发展[7]。

5.2 虚拟农情管家

虚拟农情管家是元宇宙虚拟世界中的“虚拟人”，具有人机交互功能。虚拟农情管家设计上采用语音识别/合成技术、机器视觉技术、3D全息投影技术，人们可以使用自然语言、肢体语言跟“他”交谈。如听取农业生产情况汇报，调整农业生产预案中的安排，下指令调取相关图片/影像资料等。

5.3 农情无人侦察机

农情无人侦察机的任务是侦察农业生产情况。它具有高精度的定位系统、高分辨率的摄像/照相机、长时间的续航能力、微距摄影能力等。在农业生产过程中，它每日定时飞越全域农田，拍摄高清晰度照片，并将照片通过4G/5G/WiFi网络传送到农情元宇宙中心进行分析。农情元宇宙中心依据影像分析，如发现可能发生了农作物病虫灾害，需要抵近侦察，就会给出需要侦察地点的经纬度坐标。农情无人侦察机接到坐标数据，自动飞行到指定地点进行抵近侦察，拍摄现场的微距影像，以供农情元宇宙中心验证分析结果，采取应对措施（图2）。

图2 农情无人侦察机巡农田

5.4 无人植保机

无人植保机已经被广泛使用于现代农业生产，由飞行平台（固定翼、直升机、多轴飞行器）、导航飞控、喷洒机构组成。在定制增加电池自动安装/卸载机构，药剂/粉剂自动配比、罐装机构后，无人植保机可实现工作全程无人工干预。无人植保机可以通过4G/5G网络接收农情元宇宙中心安排的规划路线，对指定区域农田喷洒药剂、种子、粉剂[8]。

5.5 农情哨兵

农情哨兵按照一定的密度设置在农田内，其搭载有高性能的传感器，可检测空气温度、空气相对湿度、土壤pH值、土壤EC值、土壤温度、土壤水分、CO2浓度等物理参数，形成土壤墒情数据包，通过4G/5G网络传送至元宇宙中心。同时，农情哨兵搭载高清摄像设备，不仅可以对农作物样株进行全景微距拍摄，观察样株的生长情况和健康情况，还可以对微小运动物体进行捕获和拍摄，将相关图片、影像发往元宇宙中心，供元宇宙中心分析农作物的生长情况、健康情况，进行农作物病虫害检测（图3）。

图3 农情哨兵监测样株健康状态无人植保机喷洒化肥、农药

5.6 农情气象站

农情气象站的主要功能是采集农田日照强度、日照时间、降雨量、气压、风向、风速/风力等级等气象参数，形成气象数据包，通过4G/5G网络传送至元宇宙中心，进行农作物生长的气象环境分析[9]。

5.7 水肥一体化自动灌溉设备

水肥一体化自动灌溉设备能够接收元宇宙中心的指令，按照指令要求自动进行可溶性固体或液体肥料和灌溉水配比，对指定区域的农田进行均匀、定时、定量灌溉。

5.8 农机协作组织的社会服务

农机协作组织的各类农机按要求安装GPS定位装置和动作传感器，并有数据链连接元宇宙中心，以显示在作业时农机在农田中的位置、动作[10]。

5.9 GPS基准站

农情无人侦察机、无人植保机和农机等设备工作时，需要高精度厘米级别的定位功能。为了实现无人机、农机等设备的高精度定位，需要建设一个或若干个GPS基准站，这些GPS基准站的经纬度坐标经测绘院实地测绘，精度达到毫米级别。采用实时动态（Real Time Kinematic, RTK）载波相位差分技术，将GPS基准站采集的载波相位发送给无人机、农机上的用户，求差解算坐标，使无人机、农机的定位精度达到厘米级别。

6 农情元宇宙实现的愿景

农情元宇宙实现以后，人们能够以步行/车行/飞行器的视角漫步虚拟农田之中，可以直接看到农田的土壤墒情数据，抵进观察农作物的生长情况；农情无人侦察机按时飞抵农田，农情哨兵24小时不间断监视，农作物的生长状态了然于目；无人植保机随时待命起飞，防治农作物病虫害；水肥一体化自动灌溉设备保证了农作物良好的生长环境；早春三月，元宇宙中心早已与农机合作组织联系，各类农机在虚拟农田耕作，和人们在现实世界农田看到的一样……

7 结 语

农情元宇宙是智慧农业发展的一种探索和实践活动，它实现的社会环境条件已经满足，实施的技术条件已经成熟，它的实现将为我国现代农业生产管理的发展打开崭新的一页。