农业元宇宙技术研究

农业元宇宙技术研究

韩松衡  赵微雪

黑龙江工商学院  黑龙江  哈尔滨  150025

关键词：

农业元宇宙  区块链  扩展现实  数字孪生 平行农业  虚拟农场  农产品追溯系统  农业教学系统

1 概述

元宇宙在世界范围内掀起一股热潮，行业专家们将2021年称为“元宇宙元年”。2021年3月，元宇宙第一股Roblox在美国上市。10月，Facebook更名为Meta，希望被视为一家元宇宙公司。国内来看，腾讯、百度、阿里、字节跳动等企业也在不断布局元宇宙相关产业。与此同时，三大通信运营商（中国移动、中国联通和中国电信）也宣布成立国内首家元宇宙行业协会，元宇宙这一新兴概念受到了产、学、研各界的广泛关注。

具体到农业领域，随着互联网、大数据、云计算、人工智能等现代信息技术与农业的深度融合，农业的智能革命已经到来[1]。农业元宇宙技术将有机整合农业生产的物理实体和数字空间，提供虚实结合的仿真平台和沉浸式的设计仿真环境，有望为农业智能化转型升级提供新动能。本文介绍了元宇宙及其关键技术在农业领域的应用、农业元宇宙的应用情景，阐述了农业元宇宙还将面临的挑战，同时提出了对农业元宇宙未来发展趋势的设想，为元宇宙在农业领域的发展提供参考。

2 农业元宇宙关键技术

元宇宙并不是一个新技术，而是多种信息技术的综合集成应用[2]。区块链技术和非同质化代币技术具有去中心化和不可篡改性，信息安全透明，可为元宇宙构建去中心化基础设施提供支持。5G、6G等移动通信技术可以为连接设备提供可靠、灵活和低延迟的网络，为实时数据传输提供必要的动力。AI可为元宇宙中的"化身"赋予智能和学习能力，为元宇宙的智能化提供推动。物联网和三维重建等技术可以收集和提供来自物理世界的数据，为在计算机中建立表达客观世界的虚拟现实提供支撑。以VR、增强现实和混合现实为代表的扩展现实技术可以将现实中的人们“传送”至虚拟空间，为人们提供身临其境的体验。

2.1农业元宇宙基础

区块链与非同质化代币

区块链是利用密码学、分布式共识机制、智能合约等技术手段，在无需互相信任的分布式系统节点间实现去中心化点对点交易、协调和协作的全新的分布式基础架构和计算范式[3]。区块链具有去中心化、不可篡改、公开透明和合约自治等特性，能够在多利益主体参与的场景下，以低成本的方式构建信任基础，重塑信用体系[4]。

2.2　虚实交互

2.2.1　物联网

IoT是一种将从不同种类的设备获得的数据融合到现有互联网基础设施上的方法[21]。其通过各类传感器设备、射频识别技术、全球定位系统等装置与技术实时采集各类信息，通过各类网络接入实现物与物，人与人之间的广泛连接

IoT目前在农业领域应用广泛，农业物联网在农业大棚[、生鲜产销[5]和病害识别[6]等领域均有应用。在农业元宇宙中，IoT负责采集现实世界的农业数据，利用这些数据可以提高元宇宙虚拟世界与现实世界的一致性，使其更加精准地描述现实世界，是农业元宇宙获取现实农业状态的主要途径之一。

2.2.2　三维重建

三维重建技术在农业领域主要应用于农产品分级、产量预测和作物表型研究[7]等领域。在农业元宇宙中，三维重建技术可以为农业元宇宙描述现实世界提供技术支持，可将现实世界的农业环境数据提供给农业元宇宙系统，是IoT数据采集的有力补充。

3 元宇宙农业应用情景

对于农业领域，元宇宙技术的应用会为农业数字孪生、农业信息感知、农业智能化管理、虚拟农场、农业教育、农产品溯源等领域提供虚实结合的农业元宇宙平台和沉浸式环境，极大推动农业领域发展。

3.1　虚拟农场

虚拟农场是农业元宇宙最重要的应用之一，是农业元宇宙赋能传统农业的重要方式。

在农业生产领域，传统农业生产效率和资源利用率较低，农业创新和进步需要耗费大量的人力物力，农业领域的创新大多需要较长的周期去验证和调整。因需较高的投入和长周期验证，目前从事农业技术研究的多为有实力大型公司或科研机构。此外，研究成果还面临二次适应的问题，即研究成果应用于不同气候、不同土壤条件的耕地时，原始成果参数需要在基础参数上进行微调。而最关心实际应用的农民，却无力去进行这种微调。农业元宇宙的应用将在一定程度上解决该局面。

3.2　农业生产

农业元宇宙在农业生产领域应用前景巨大。农业元宇宙可以在虚拟环境中建立虚拟农场，模拟实现农作物和畜禽的完整成长过程，可以在极短的时间内收集到大量的农作物生长数据和畜禽生长数据，实现智能化和精细化农业。此外，虚拟农场还可以模拟害虫活动，从而确定最佳的喷药方式和时间，农户无需掌握高深的理论知识，即可得到最新的决策方案。对于畜牧经营管理者，虚拟农场可以实现对动物从器官、组织、系统到整体的精确模拟。当畜牧经营管理者对"虚拟动物"进行操作时，"虚拟动物"会模仿真实动物做出相对应的反应，这对模拟动物生存环境、动物营养需求和品种选育等具有重大意义。

4 农业元宇宙挑战与展望

4.1　主要挑战

尽管目前农业元宇宙取得了一定的技术上的突破，并应用于多个农业领域，但农业元宇宙当前还处于起步阶段，相关技术领域的研究还存在一些需要解决的问题。

农业元宇宙系统建立存在困难。物理世界的农业系统是一个复杂的动态系统，农业生产过程中的不确定因素较多，如地域差异、气候差异、冻害、病虫害和动植物疫病等，这导致农业元宇宙虚拟世界的建立较为困难。

4.2　未来发展展望

随着小型化、低成本、低功耗的XR设备不断研发，元宇宙与AI、云计算、物联网和区块链等技术深度融合，元宇宙在农业领域的科学高效应用，农业元宇宙将会极大地推动农业信息化和智能化发展。因此元宇宙在农业领域前景辽阔，发展潜力巨大。考虑到元宇宙在农业领域面临的多种挑战，未来农业元宇宙将主要从以下方面展开科学研究。

（1）开展元宇宙在农业领域的适用性研究。农业中的物理系统或物理世界是一个复杂的动态环境，只有更紧密地融合农业的地域性、季节性、多样性、周期性等农业特性，才能建立更符合作物生长规律的农业元宇宙模型。

（2）开展农业生长机理研究。建立计算机科学、自动化、电气工程和农学等多学科研究团队，推进农业信息化、智能化发展，为农业元宇宙的应用打好坚实的基础。

（3）研究针对农业应用的低功耗无线通信技术，建立覆盖到户的农村宽带网络。结合物联网、无线传感网和互联网实现农场网络全覆盖。

参考文献

1、赵春江. 智慧农业发展现状及战略目标研究[J]. 智慧农业

2、袁勇, 王飞跃. 区块链技术发展现状与展望[J]. 自动化学报

3、韩军， 林娟， 阮军， 等.农业物联网中生鲜农产品生产与分配联合规划模型[J].IEEE物联网学报

4、朱荣胜, 李帅, 孙永哲, 等. 作物三维重构技术研究现状及前景展望[J].智慧农业（中英文）

5、朱莹， 李玲， 孙莹， 等.作物三维重建技术研究进展与展望[J].智慧农业（中英文）

黑龙江省大学生创新创业训练计划项目（创业训练） 项目编号：X202313300165

项目名称：元宇宙+助农     项目负责人：韩松衡   指导教师：赵微雪.