数字孪生在现代农业发展中的应用探索

摘" 要：数字孪生技术应用前景广阔，农业数字孪生是构建现代农业新发展格局，贯彻新发展理念的重要路径。但是，农业数字孪生研究和应用当前还不成熟，亟需进一步推动数字孪生技术和农业融合发展。通过探究数字孪生在现代农业产业及数字化的发展现状和发挥的作用，分析临沂市平邑县九间棚村农业数字孪生典型应用场景及案例，分析数字孪生赋能现代农业高质量发展的基础条件、应用前景和发展建议，结合农业数字化基础建设成果，进一步提出实现数字孪生在服务现代农业纵深应用的创新路径，为推进数字农业和农业数字孪生系统应用提供参考。

关键词：智慧农业；数字孪生；农文旅融合；物联网技术；数据采集

中图分类号：F323.3" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：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

数字农业是以数字化技术处理和分析农业生产过程、环境和全过程的信息管理的农业生产资料综合。通过引入数字农业，我们可以大幅度改善传统的农业生产模式，并且将数字技术与农业的各个环节紧密结合，从而发挥出更大的作用。通过运用先进的科学技术，农业技术人员可以有效地优化农业资源的配置和管理，从而大大减少资源的浪费，提升农产品的竞争力，这是农业发展的必由之路。数字孪生技术作为产业数字化的关键技术之一正成为数字技术领域的焦点[1]。近年来，随着面向行业的数字孪生政策频频出台，推动了数字孪生技术在多种行业领域的纵深应用，我国数字孪生政策体系逐渐形成，为多产业融合创造了较好的环境。数字孪生与农业的结合将极大地推动农业数字化和智能化发展，为农业现代化、智能化转型升级提供新基础[2]。

1" 国内外研究现状

数字孪生经历长期发展已成为和人工智能、区块链等并列的数字技术，数字孪生是对物理实体发数字化仿真呈现，以不同时间和空间数据为基础，融合多种数字模型，实现对物理对象的映射呈现、分析优化、诊断预测及闭环控制。2018年，美国国防部发布国防数字工程战略为数字孪生的大规模应用奠定基础，数字孪生应用不断跨行业延申，从航天制造业领域向城市、医疗、交通等领域拓展。2020年，联合国启动了海洋数字孪生项目，帮助预测海洋未来的演变。2022年3月欧盟计划投资1.5亿欧元，发起旨在建立一个全面和高精度的数字孪生地球。

随着国内农业数字模型、空天地一体化农业管控、区块链农产品溯源等科技成果的不断成熟，现代农业不同阶段领域已经快速实现了初步数字化，正在走向智能化。数字孪生在农业生产管理方面应用不断深入，王志强等[3]提出将数字孪生用于农业领域，可以帮助管理人员进行农业生产的在线管控，农民可以根据实时的数字信息轻松检测故障和错误并远程启动操作，数字孪生形成农业数字化的整体方案设计，形成了种植、生产、营销全过程的信息化系统。还有研究基于农业生产系统所产生的数据集，通过分析处理和决策控制，有效实现对作物生产系统的数字化管理[4]。很多学者将图像处理和数据分析应用于农业领域的数字孪生，进行检测和提取农作物植物表型，进而建立虚拟数字植物模型[5]。在植物表型方面对植物形态结构的参数测量、点云提取和三维重建。利用农业数字孪生技术构建植物生长发育基本模型，建立数字植物数字系统帮助以水稻为研究对象进行分子设计育种工作[6-7]。

近年来，国内对数字孪生和农业相结合开展相关应用集成和示范取得较好的效果。江苏省农业科学院建设的“基于web3.0的新一代农业认养平台”通过去中心化、开放、共享的理念，打造全新的农业认养模式与用户体验，让消费者借助数字技术亲身感受更加安全、透明、有趣的农业生产全过程。通过新技术和新理念的应用，将虚拟农业与现实农业结合，为数字农业与未来农业的发展提供关键技术支持和应用场景示范；通过VR、数字孪生、物联网等技术综合构建元宇宙虚拟农场[8-9]。中国联通黑龙江省分公司通过元宇宙数字孪生技术整合涉农资源，打造数字孪生植物工厂并通过数字孪生技术实现农作物三维建模，利用无人机倾斜摄影制作3D地图，实现农田精细化管理，为农业智能化转型升级提供新动能。

相较于国内对于数字孪生领域的研究，国外的相关研究时间更长，许多发达国家的探索路径是值得借鉴的，虽然各地区受地域影响不能将全部经验付诸实践，具体的实施过程也存在着差异性，但是在科技研发力量上的投入都是不断增大的，近年来，现代农业和数字孪生技术的结合点越来越多。通过数字孪生技术的应用，将大大提高数据的利用水平，推动现代农业的生产力与经济效益的提升。在数字经济快速发展的新时代，农业现代化必须适应农业发展新道路，贯彻新发展理念，以数字孪生为代表创新技术应用培育新动能，推动新发展。

2" 数字孪生在现代农业中的应用逻辑

2.1" 数字孪生技术及特征

数字孪生是在2018年前后第一次在美国密歇根大学的相关课程上出现的。美国NASA在2010年正式提出数字孪生的一词。后续美军开展了数字孪生在飞机操控管理中的应用研究。2012年，NASA和美军联合发表了一篇关于“Digital Twin”的论文，指出数字孪生是可以推动未来飞行器的进一步发展。IOS将数字双生定义为——数字孪生是指在物理状态和虚拟状态之间保持同步变化，具有数据交互的物理实体或业务流程的数字化呈现。数字孪生的学术定义一般为：数字孪生是指借助以往数据和实时数据，基于相关算法以数字化方式创建的真实物体的虚拟模型，仿真、检测、估算和管理物体的技术方法。从数字孪生的定义可以看出，数字孪生具有可扩展性、闭环性、互操作性、实时性和保真性等典型特点。

数字孪生的数据来源是行业应用的各种传感器，这些传感器采集对应实体不同方面的信息（如湿度、光照、土壤环境等），然后将该数据提交到数据中台并产生数据模型。继而使用虚拟模型对真实系统进行仿真模拟，整个过程可以挖掘出新的应用效益，进而优化提升物理实体的运行质量和效果。

2.2" 数字孪生在现代农业中的应用逻辑

数字孪生是运用新一代的信息智能技术研发出来的基础应用支撑，用来实现产业流程数字化和智能化为目的的技术革新。在信息数据海量产生的时代，数据的增长已经是按毫秒尺度进行计量，来源复杂多样、数据种类繁多，各种能够体现出价值的数据密度却非常低，那么在大数据时代的背景下，如何解决通过数据模拟在物理世界中的状态，并解决物理世界的困难，是一个可以解决“智能”关键性的问题。在此背景下，人们更加注重数据的精准性，真正对物体实现有效控制就必须把精准的信息进行收集采集处理和有效组织，最终输出有效信息并加以利用。无论是无人农场，还是智能温室或大田，建立有效的信息链路，提升数据精确度，重点都是建立完整的数据循环链路，实现数据互通。目前，农业物联网系统能够采集降雨、温湿度、光照和土壤环境等物理量的传感器已在部分示范园区大量使用，让平台高效采集更多优质的农业生产信息。数字技术的出现和升级为各种信息在网络链路中的循环运行提供了基础条件。

数字孪生的关键逻辑是把基本原理应用于生产实践的高级阶段，是为真实物理实体在虚拟平行空间建立数字体，在数字模型体的基础上进一步模拟实体环境数据，虚拟物体在真实环境中所产生的状态，核心逻辑依赖于计算机科学及物理等多方面技术支撑。在数字孪生系统中可以实现对农业物理实体进行数字感知、实时控制，对物理实体在未来某时刻的状态和行为进行预测，减少不确定因素的干扰。

3" 数字孪生典型案例应用分析

以平邑县省级现代农业产业园基于大数据、遥感监测、数字孪生等技术，开发建设的金银花空天地一体化融合感知平台为实例分析数字孪生在农业产业中的应用状况。平台利用三维数字地球基础平台，承载农业资源数据、融合农业生产数据、集成遥感大数据，形成农业数字底盘，并建立覆盖时空数据感知、挖掘分析、管控的全业务流程，对区域种植结构进行分析，形成时空连续的金银花专题地块数据集，动态监测土地利用、作物种植面积、土壤环境和作物健康状况信息。空天地一体化平台基于大数据、物联网、数字孪生和人工智能等技术手段，打造了一体化数字农业创新工程，综合运用卫星遥感监测、空中无人机监测和地面物联网采集点监测，实时获取农业生产全过程数据，建立智能化的数据分析与控制系统，实现农业资源的优化配置。依托物联网技术，运用物联网生产管控系统，对生产过程进行管控，提高农业生产效率；运用追溯系统，加强消费者对金银花的信任度，提升品牌形象；运用视频监控系统，管理人员可以对种植全过程进行生产监控，为农产品安全溯源提供数据保障。采用物联网技术，通过无线信息采集与组网传输、自动控制实现智能化灌溉。

平台为金银花种植提供面积监测、墒情监测、长势监测和产量模型等航天航空遥感生产服务，提高了数据的管理和开发利用水平，实现农业多源数据的集成采集和线上融合分析，进而实现智能化地农业生产、管理、决策。利用卫星遥感、无人机、地面采集点传感网络等手段，对金银花的种植类型、面积、土壤及长势进行动态监测，为智慧化管理提供决策支持。

数字农业数字孪生应用平台示意图如图1所示。

基于三维地图实现空天地大数据可视化，通过3D地图直观查看金银花种植的梯田分布、地形条件，不同品种的种植面积和分布，查看地块监测设备数据和监控摄像机。

4" 数字孪生技术在现代农业应用过程中存在的问题

目前，农业数字孪生取得了较多的技术上的创新发展，并在包括农业在内的多个行业得到应用，但农业数字孪生研究和应用当前还不成熟，其技术、应用、管理方面还存在不少问题有待解决。

4.1" 农业数字孪生系统技术要求高，数据量大

农业行业涉及的因素众多，系统非常复杂，特别是环境因素和数据对农作物影像较大，且变化较快，这使得农业数字孪生平行虚拟环境的建立较为复杂。以无人机倾斜摄影技术代表的农田大面积三维建模技术可以全方位还原复杂场景，通过高效的数据采集设备，采用全自动化的数据处理方式生成模型数据，再经过匀光匀色等步骤及轻量化处理最终生成三维模型数据成果，可以直观反映真实场景的空间属性，数据具有时间和空间多重属性，数据量大、技术复杂度高。

4.2" 农业种植区域普遍网络通信基础薄弱

部分地区农村电信网络虽然已经全面覆盖，但是到偏远农业园区的比例较少。农田山区网络信号不稳定通信基站布设不够的问题急需解决。农业数字孪生硬件设备相对发展较慢，混合现实头盔等设备笨重，携带不方便，设备产生的数据分辨率还较低，这也导致了农业数字孪生落地应用不多。

4.3" 管理人员数字化技术能力欠缺

从事农业的实际操作人员多为当地农民，平均年龄大于50岁，在种田的操作经验上虽然丰富，但在对现代农业的理解和使用上却存在着许多盲点，如知识储备不足无法理解操作过程等情况时有发生，这就导致无法与技术人员进行有效沟通，当无法描述具体需求时，技术人员只能根据自己的理解对功能板块进行构建，很难做出实用于生产，与生产相匹配的系统。九间棚等金银花特色农业种植区地处沂蒙山区，特色农业资源丰富，但是，业界商人、高新技术人员、资本欠缺，人才数量和能力有限。数字农业技术及数字孪生发展一定无法离开地方政府的支持，这就需要地方政府和园区有真正懂得农业和数字农业技术的人才进行管理。

4.4" 数字孪生系统农业应用场景单一，促进一二三产融合发展能力不足

数字孪生系统在工业领域、娱乐领域发展迅速，和行业应用更贴合，而在现代农业方面需要创新和探索，在农业行业的应用方式不够清晰。就数字孪生技术在农业行业应用现状来看，可有效赋能现代农业创新应用，但是应用场景较为单一，功能领域覆盖不足，一般只实现了对农业园区的视频监控、环境数据监测、查看基础农业资源等。

5" 数字孪生技术赋能现代农业高质量发展的路径

5.1" 夯实融合化的城乡一体农业数字孪生数字底座

在发展数字经济的新的时代背景下，面对城乡数字化转型的新要求，智慧城市、数字乡村与数字农业建设将从政府治理向社会经济的更多领域延伸，从连接流程走向更深入的时空连接，以及数字空间建设与城乡物理空间建设逐步全面融合。通过数字空间的建设，作用于物理空间与社会空间的解耦与重构，进而推动城乡经济社会发展模式的转变。无论是数字孪生还是城市信息模型（CIM）平台，都突出了数字底座的时空属性。无论是天空地一体化观测网络还是自然资源三维立体“一张图”，都对时空数据的汇聚与处理能力提出了更高要求。

需要结合新型智慧城市建设统筹推进信息化基础设施、系统平台、数据中心等建设，围绕业务需求，构建通用化运营平台，打造城乡一体统一、集约、融合及智能的数字底座。加强多元数字技术与信息技术的融合，在提升时空大数据智能分析挖掘效率的同时，保障其应用的可信与可靠性，进一步激活数据要素的潜能。通过构建能够真正映射现实物理世界的数字孪生时空底座，赋能城乡覆盖的各行业领域的数智化转型升级，进而满足现代农业数字孪生应用和发展。

5.2" 加强乡土科技人才培养，提升信息化水平

现代农业对数字孪生技术需求较大，但与工业等产业相比，农作物种类繁多且受限于环境无法深层次地做到标准化，因此，需要建立覆盖基础科研、工程建设和农业生产相结合的人才储备，并提供政策和配套等多方面的保障，建立有竞争力的绩效评价体系与分配机制，吸引信大数据技术、图形图像处理技术和人工智能技术等领域的优秀人才投入到农业数字孪生系统的研究中。借助高等教育、职业教育体系培育农业专业人才，以及建立政产学研结合的农业人才孵化平台，集聚创新型乡村人才；加强农民培训，促进其对数字技术、数字基础设施、数字农业的理解与认知；提升乡村基层政府办公人员的农业数字化素养，培养专业的管理人才。

5.3" 构建多尺度农业数字孪生应用场景

目前基于数字孪生系统农业应用场景单一的问题，研究现代农业发展要创新驱动，以数字化赋能现代农业、乡村建设，整体带动农村现代化发展。借鉴特色农业数字孪生应用示范点的科技感，提出构建从县域全域、农业产业园区、植物生长模型等多种尺度的现代农业数字孪生应用场景，实现一二三产业融合发展，走好“数字孪生，农业赋能”的现代农业智能化管理新路子。

5.3.1" 空天地一体化农业数字孪生场景

在县域尺度大范围农业生产领域，基于卫星遥感、低空无人机、地面物联网等手段构建了空天地全覆盖的多元信息监测体系，包含卫星遥感数据感知模块、空中无人机高光谱数据感知模块、倾斜摄影数据感知模块和地面传感数据感知采集模块等，融合无人机、GIS、传感器等数据于一张图，提供高效数据感知、获取和采集数据支撑，实现大田种植区域的全域数字化生产管理应用。

5.3.2" 数字孪生农业生产管理场景

在村域、产业园区尺度等农业生产领域，基于数字孪生技术构建三维虚拟农场。提出了数字孪生智慧农业产业园，在数字孪生农业产业园中可作物生长周期的动态仿真呈现，可以减少农业生产管理成本，短期内可实现获取大量作物环境数据，为精细农业提供数据支持和数字资源，同时可通过气象站、环境监测传感器等传感设备实时采集环境、气象、水肥等各维度数据，根据气象数据和历年流通数据，监测作物健康状况评估产量，还可以对不同环境条件下农作物的品质进行仿真。同时，对园区进行倾斜摄影三维建模，搭建虚拟三维立体空间实现全息数据直观可视化。

5.3.3" 数字孪生农文旅融合场景

使用虚拟现实VR技术可以让用户浏览园区风景，提供直观导览的可视化效果。结合时间、空间维度的农业生产数据、农业资源数据，采用三维地图、图形图像等技术对海量数据进行可视化管理。依托大数据分析技术，获取售票信息、实时游览等数据情况，图形化展示旅游月度人次、为游客画像、消费数据分类分析、热点景点、旅游线路推介和票务分析等。

运用三维可视化数字孪生技术，对山区全域进行倾斜摄影三维建模，打造三维沉浸式数字化虚拟现实旅游系统，为热度景点专门打造全景VR虚拟旅游等互动场景，为使用者打造身临其境的体验。如针对九间棚红色旅游景区在三维地图直观展示景区独特的梯田景观、峡谷景观，以及观光游、红色游、度假游和体验游四大游览路线，提供直观导览的可视化效果。

5.3.4" 数字孪生植物表型检测育种场景

在植物生长微观尺度，农业数字孪生系统通过集成光谱数据采集、高速数据交换、快速分析建模，建立高通量植物表型检测与分析系统，提供及时、准确、稳定的育种栽培技术支持。利用高光谱成像可以采集植株的空间坐标和光谱数据，既可以像获取植株的几何形态结构，又可以穿透植株的内部生理化学特性。

5.3.5" 数字孪生农业文化遗产保护场景

数字孪生技术能够将农业文化遗产进行数字化还原，为文物保护提供可行方案，能够让观众通过数字化展示更好地了解农业文化遗产的历史和文化内涵，建立数字档案记录农业文化遗产的历史、文化、环境等因素，为研究工作提供可靠数据支持。例如临沂市平邑县金银花-山楂复合系统获批第七批中国重要农业文化遗产候选项目，通过数字孪生建模能有效展示金银花－山楂复合种植模式的作用机理。

5.3.6" 农业元宇宙应用场景

农业元宇宙是农业数字孪生的高级形式，农业数字孪生通过建立虚拟平行世界实现对真实世界的高效管理和运行模拟。目前，农业数字孪生构建的虚拟系统和现实世界没有融合统一，用户处于观察者模式，使用虚拟世界的进入性不强。农业元宇宙系统和一般意义农业数字孪生系统的区别主要是更加关注虚拟和现实的融合及身临其境的沉浸感。在农业元宇宙中，农业数字孪生还需结合混合现实技术，增加数字虚拟世界与现实世界的融合互通，同时结合区块链技术实现农业资源的虚拟化和价值通证，实现更全面更先进的农业数字孪生。

6" 结束语

总之，数字孪生技术在智慧农业应用中的作用越来越重要，为数字赋能现代农业提供了新的方法和思路。通过数字孪生技术和应用案例的分析，对数字孪生和现代农业的结合上提供了参考，但是离典型场景实地建设和应用还有很长距离，后续需要针对不同场景研究打造出多种农业细分领域的具有更高社会和经济价值的农业数字孪生应用。

参考文献：

[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] 王志强，盖素丽，崔彦，等.基于数字孪生与区块链的智慧农业系统研究[J].河北省科学院学报，2021，38（1）：66-73.

[4] 聂鹏程，张慧，耿洪良，等.农业物联网技术现状与发展趋势[J].浙江大学学报（农业与生命科学版），2021，47（2）：135-146.

[5] 顾生浩，卢宪菊，王勇健，等.数字孪生系统在农业生产中的应用探讨[J].中国农业科技导报，2021，23（10）：82-89.

[6] 赵春江，陆声链，郭新宇，等.数字植物研究进展：植物形态结构三维数字化[J].中国农业科学，2015，48（17）：3415-3428.

[7] 朱新广，常天根，宋青峰，等.数字植物：科学内涵、瓶颈及发展策略[J].合成生物学，2020，1（3）：285-297.

[8] 陈枫，孙传恒，邢斌，等.农业元宇宙：关键技术、应用情景、挑战与展望[J].智慧农业（中英文），2022，4（4）：126-137.

[9] 赵燕.基于云平台和三维仿真技术的农机虚拟智能装配系统[J].农机化研究，2020，42（7）：219-223.