試論元宇宙在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理中的應(yīng)用

徐瑞曜，周勁松

（1.巢湖學(xué)院 文學(xué)傳媒與教育科學(xué)學(xué)院，安徽 巢湖 238024；2.合肥市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，安徽 合肥 230071）

0 引 言

元宇宙（Metaverse）是2021年度網(wǎng)絡(luò)上的流行詞，但至今沒(méi)有一個(gè)權(quán)威的定義。說(shuō)起它的來(lái)源，可以追溯到1981年，美國(guó)數(shù)學(xué)家和計(jì)算機(jī)專(zhuān)家弗諾·文奇教授在小說(shuō)《真名實(shí)姓》中構(gòu)思了一個(gè)虛擬世界，人們通過(guò)人腦與計(jì)算機(jī)接口相連，就可以進(jìn)入這個(gè)虛擬世界并獲得感官體驗(yàn)。1992年，美國(guó)科幻作家尼爾·斯蒂芬森在其科幻小說(shuō)《雪崩》中提出了“元宇宙”概念，描述了人類(lèi)通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備與虛擬人共同生活在平行于真實(shí)世界的數(shù)字虛擬空間[1]。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)、擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)、虛擬世界、數(shù)字孿生等為代表的視覺(jué)沉浸技術(shù)的發(fā)展[2]，人們可以輕易創(chuàng)造一個(gè)三維（3D）虛擬世界應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)、遠(yuǎn)程互動(dòng)，體驗(yàn)虛擬世界的神奇之處。

近年來(lái)，互聯(lián)網(wǎng)、5G通信、區(qū)塊鏈、大數(shù)據(jù)、人工智能、機(jī)器視覺(jué)、物聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)云運(yùn)算、高清晰度全息影像、高性能傳感器等高新技術(shù)快速發(fā)展，使得人們把現(xiàn)實(shí)世界和虛擬世界融合在一起成為可能，人們把現(xiàn)實(shí)世界中采集的靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)投送到虛擬世界的構(gòu)成設(shè)計(jì)中，形成一個(gè)在同一時(shí)間軸上與現(xiàn)實(shí)世界平行的虛擬世界—元宇宙。

元宇宙通過(guò)提供“虛擬人”形式進(jìn)行人機(jī)互動(dòng)，“虛擬人”通過(guò)人臉識(shí)別技術(shù)辨識(shí)人類(lèi)的身份；通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)接受人類(lèi)詢(xún)問(wèn)和下達(dá)指令；通過(guò)搭載人體動(dòng)作傳感器的人體穿戴設(shè)備接收人類(lèi)肢體語(yǔ)言表示的內(nèi)容?！疤摂M人”在接受人類(lèi)的詢(xún)問(wèn)和指令后，通過(guò)查詢(xún)數(shù)據(jù)庫(kù)向人類(lèi)展示相關(guān)數(shù)據(jù)、影像資料，啟動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)貫徹人類(lèi)的指令。人類(lèi)也可以“化身”為“虛擬人”，在虛擬世界里互相交流，甚至可以進(jìn)行商業(yè)活動(dòng)，如舉行會(huì)議、簽訂合同等。

進(jìn)一步來(lái)說(shuō)，元宇宙的英文為Metaverse，其由“meta”（意為“超越”）與“verse”（意為“宇宙”）組合而成[2]，元宇宙的本質(zhì)就是超越[3]，元宇宙雖然是與現(xiàn)實(shí)世界在同一時(shí)間軸上平行的虛擬世界，但它可以依據(jù)大量的歷史數(shù)據(jù)，如利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界未來(lái)一段時(shí)間的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，并形成虛擬的未來(lái)世界視覺(jué)感官場(chǎng)景，這也是其超越現(xiàn)實(shí)世界的一種表現(xiàn)。

元宇宙具有8大要素和5大特點(diǎn)：8大要素是身份、社交、沉浸感、低延遲、多元化、隨時(shí)隨地、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、文明，5大特點(diǎn)是沉浸式體驗(yàn)、虛擬化身份、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)穩(wěn)定、社交屬性強(qiáng)、開(kāi)放式創(chuàng)造[4]。8大要素和5大特點(diǎn)決定了元宇宙在人們生產(chǎn)、生活中的各個(gè)領(lǐng)域都會(huì)有廣泛應(yīng)用，如游戲、金融業(yè)、房地產(chǎn)業(yè)、服裝業(yè)、農(nóng)業(yè)等。所謂“萬(wàn)物皆可元宇宙”[5]，就是指一切現(xiàn)實(shí)世界的事物都可以映射到虛擬世界，幫助人們透過(guò)時(shí)空的屏障，沉浸式探知現(xiàn)實(shí)世界。

1 元宇宙在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用場(chǎng)景

元宇宙能夠跨越時(shí)空，采集現(xiàn)實(shí)世界的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、靜態(tài)數(shù)據(jù)后，構(gòu)成一個(gè)虛擬世界展示在人們面前，其在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的應(yīng)用場(chǎng)景一般有以下幾個(gè)方面。

1.1 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理方面的應(yīng)用

元宇宙在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的基礎(chǔ)上，采集農(nóng)田土壤墑情數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、影像資料，構(gòu)建“虛擬農(nóng)田”，沉浸式向人們展示農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，如農(nóng)作物生長(zhǎng)狀態(tài)及環(huán)境、土壤墑情、氣象數(shù)據(jù)等，還能夠主動(dòng)應(yīng)對(duì)農(nóng)作物病蟲(chóng)害，優(yōu)化農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境，安排農(nóng)事活動(dòng)。

1.2 農(nóng)產(chǎn)品銷(xiāo)售、展示方面的應(yīng)用

元宇宙以“虛擬展廳”的方式展示農(nóng)產(chǎn)品。與平面圖片展示不同，“虛擬展廳”以三維方式直觀、生動(dòng)地展示農(nóng)產(chǎn)品的品種、形狀、大小、色彩?！疤摂M展廳”設(shè)置“虛擬講解員”，引導(dǎo)人們漫步“虛擬展廳”，介紹農(nóng)產(chǎn)品情況，回答人們的咨詢(xún)。

1.3 農(nóng)產(chǎn)品追溯方面的應(yīng)用

元宇宙在農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采集田間管理、農(nóng)產(chǎn)品加工、存儲(chǔ)、物流等數(shù)據(jù)和各節(jié)點(diǎn)的影像資料，圍繞“從農(nóng)田到餐桌”的安全管理理念，在三維全景沉浸式地圖上展示農(nóng)產(chǎn)品從產(chǎn)地、運(yùn)輸、加工、銷(xiāo)售的追溯過(guò)程。元宇宙為人們提供VR眼鏡，實(shí)現(xiàn)在三維全景沉浸式地圖上的漫游功能。首先，展示農(nóng)產(chǎn)品自田間采摘到零售的總時(shí)間，顯示農(nóng)產(chǎn)品的新鮮程度，進(jìn)一步展示農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)地環(huán)境、農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中使用農(nóng)藥化肥的時(shí)間、用量情況、加工農(nóng)產(chǎn)品場(chǎng)所的實(shí)時(shí)衛(wèi)生情況和加工時(shí)間、農(nóng)殘檢測(cè)場(chǎng)所的實(shí)時(shí)檢測(cè)過(guò)程、農(nóng)殘檢測(cè)證書(shū)、農(nóng)產(chǎn)品運(yùn)輸路線和農(nóng)產(chǎn)品批發(fā)零售交易情況等。

1.4 農(nóng)資追溯方面的應(yīng)用

元宇宙在農(nóng)資追溯管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采集農(nóng)資從工廠到零售全過(guò)程及各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)和影像資料，并展示在三維全景沉浸式地圖上。漫步地圖，咨詢(xún)“虛擬農(nóng)資導(dǎo)購(gòu)”，會(huì)向人們展示農(nóng)資生產(chǎn)廠家的資質(zhì)、生產(chǎn)農(nóng)資的實(shí)景影像，如《農(nóng)作物種子經(jīng)營(yíng)許可證》《農(nóng)藥經(jīng)營(yíng)許可證》《獸藥經(jīng)營(yíng)許可證》等許可資料，防止農(nóng)藥、化肥、種子等農(nóng)資產(chǎn)品的假冒行為。

1.5 高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目評(píng)審和施工方面的應(yīng)用

在高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案評(píng)審時(shí)，依據(jù)項(xiàng)目范圍，按照地形圖建立一個(gè)與現(xiàn)實(shí)世界對(duì)應(yīng)的元宇宙，同時(shí)按照設(shè)計(jì)方案圖紙建立一個(gè)與建成后高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目對(duì)應(yīng)的未來(lái)世界元宇宙。評(píng)審專(zhuān)家沉浸式進(jìn)入兩個(gè)虛擬世界，通過(guò)觀察、分析、對(duì)比，更容易找到設(shè)計(jì)方案的不足之處，以豐富完善高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案。如觀察虛擬現(xiàn)狀田塊的地形、地勢(shì)、高程差，評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)田塊劃分的合理性，減少對(duì)耕作層的破壞及優(yōu)化土方平衡。

在高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目施工時(shí)，為了方便管理，采集施工單位的電子施工日記、監(jiān)理單位的電子監(jiān)理日記、施工現(xiàn)場(chǎng)的影像資料，建立現(xiàn)實(shí)工地的元宇宙映射—“虛擬工地”?！疤摂M工地”展示了施工現(xiàn)場(chǎng)投入施工機(jī)械的數(shù)量、位置，施工人員的數(shù)量，使用建筑材料的來(lái)源、用量，隱蔽工程的圖片，施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)影像資料，建設(shè)項(xiàng)目的工程進(jìn)度。農(nóng)田建設(shè)部門(mén)管理人員完成項(xiàng)目督查工作，無(wú)須奔波于各處建設(shè)工地，便可及時(shí)掌握施工現(xiàn)場(chǎng)的資料和進(jìn)度。

1.6 農(nóng)機(jī)管理方面的應(yīng)用

元宇宙在智慧農(nóng)機(jī)信息化管理平臺(tái)的基礎(chǔ)上采集農(nóng)機(jī)的權(quán)屬、種類(lèi)、型號(hào)、農(nóng)機(jī)證等基礎(chǔ)信息及作業(yè)項(xiàng)目名稱(chēng)、作業(yè)范圍、機(jī)手姓名、農(nóng)機(jī)定位位置、作業(yè)進(jìn)度、農(nóng)機(jī)安全監(jiān)理人員姓名、農(nóng)機(jī)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)影像資料、自動(dòng)駕駛農(nóng)機(jī)動(dòng)作數(shù)據(jù)等信息，并在三維全景沉浸式地圖上展示。使用VR眼鏡漫步地圖，全轄區(qū)的農(nóng)機(jī)信息一目了然。詢(xún)問(wèn)“虛擬農(nóng)機(jī)管家”可快速定位農(nóng)機(jī)，顯示農(nóng)機(jī)相關(guān)資料、播放農(nóng)機(jī)實(shí)時(shí)動(dòng)作影像。元宇宙在農(nóng)機(jī)管理方面的應(yīng)用加強(qiáng)了農(nóng)機(jī)的綜合管理，規(guī)范了農(nóng)機(jī)安全監(jiān)理人員的管理。

1.7 農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣、培訓(xùn)、教育方面的應(yīng)用

元宇宙以“虛擬農(nóng)民課堂”的方式展示農(nóng)業(yè)新技術(shù)成果、農(nóng)作物種植技術(shù)、農(nóng)產(chǎn)品供求信息等內(nèi)容?！疤摂M農(nóng)民課堂”設(shè)有“虛擬教師”，使用自然語(yǔ)言和人們互動(dòng)，傳授知識(shí)、解答問(wèn)題。農(nóng)業(yè)相關(guān)人員足不出戶(hù)就能夠遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)農(nóng)業(yè)知識(shí)，獲取各種農(nóng)業(yè)科技和農(nóng)產(chǎn)品供求信息。

2 元宇宙在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的應(yīng)用意義

元宇宙在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用是智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的一種探索活動(dòng)。元宇宙把在廣袤農(nóng)村土地上進(jìn)行的農(nóng)業(yè)建設(shè)、生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)活動(dòng)，在尺寸之間以虛擬世界的方式向人們展示，縮短了時(shí)空距離，形式新穎、生動(dòng)、直觀，映射的現(xiàn)實(shí)世界的內(nèi)容真實(shí)、準(zhǔn)確。同時(shí)結(jié)合視覺(jué)沉浸技術(shù)、4G/5G技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能等高新技術(shù)，推動(dòng)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高效化、精細(xì)化、綠色化發(fā)展，改善了農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，改造升級(jí)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈，提高了農(nóng)業(yè)管理水平，為可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展作出貢獻(xiàn)。

3 元宇宙在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理中應(yīng)用的社會(huì)環(huán)境背景

3.1 高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)夯實(shí)了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)

高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田是指土地平整、集中連片、設(shè)施完善、農(nóng)田配套、土壤肥沃、生態(tài)良好、抗災(zāi)能力強(qiáng)，與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)方式相適應(yīng)的旱澇保收、高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，劃定為永久基本農(nóng)田的耕地。黨和政府一直高度重視高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)，不斷增加對(duì)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)的財(cái)政投入，并強(qiáng)調(diào)了高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田的宜機(jī)化、高效節(jié)水設(shè)計(jì)，以適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)方式的需要。經(jīng)過(guò)數(shù)十年的建設(shè)，高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田面積在農(nóng)田面積中的占比大幅提高，據(jù)統(tǒng)計(jì)：截至2021年，安徽省各地級(jí)市高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田面積在農(nóng)田面積中的占比均已超過(guò)50%，最高達(dá)87.5%，距離實(shí)現(xiàn)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田全覆蓋目標(biāo)已不再遙遠(yuǎn)，高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田的建設(shè)夯實(shí)了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展基礎(chǔ)。

3.2 高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田的建設(shè)成果推動(dòng)了農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的提高

在高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)過(guò)程中，從初步設(shè)計(jì)開(kāi)始加強(qiáng)農(nóng)田宜機(jī)化的設(shè)計(jì)，小田變大田，確保每塊農(nóng)田的農(nóng)機(jī)下田通道，完善農(nóng)村機(jī)耕道網(wǎng)絡(luò)；在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，強(qiáng)化工程質(zhì)量監(jiān)督管理，保證機(jī)耕路的質(zhì)量和使用耐久性。高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田的建設(shè)成果加快了農(nóng)機(jī)的推廣速度、普及程度以及農(nóng)機(jī)的效率和作業(yè)質(zhì)量。

3.3 傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式占比減少

由于農(nóng)村“空心化”現(xiàn)象普遍，農(nóng)村勞動(dòng)力數(shù)量減少。據(jù)調(diào)研：某鄉(xiāng)農(nóng)村戶(hù)口6 000余人，而在農(nóng)村常駐的人口不足2 000人，其中40歲以下青壯勞力尚不足百。精耕細(xì)作的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式不能適應(yīng)當(dāng)前農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力的現(xiàn)狀，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式中的占比進(jìn)一步縮小。

3.4 農(nóng)業(yè)高科技人才在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)中發(fā)揮巨大的作用

由于土地流轉(zhuǎn)制度的施行、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的改變和政策鼓勵(lì)，吸引了大量農(nóng)業(yè)高科技人才到農(nóng)村發(fā)展創(chuàng)業(yè)，并在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)中發(fā)揮著巨大的作用。他們具有碩士研究生、博士研究生等學(xué)歷，以及豐富的農(nóng)學(xué)知識(shí)和現(xiàn)代農(nóng)田管理經(jīng)驗(yàn)，容易接受現(xiàn)代高新技術(shù)帶來(lái)的新概念、新事物，對(duì)于新概念、新事物、新技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用推廣起到了主力軍的作用。

3.5 近年來(lái)，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用及智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展為元宇宙的實(shí)現(xiàn)打下實(shí)踐基礎(chǔ)

隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的生產(chǎn)發(fā)展，為了進(jìn)行科學(xué)有效的田間管理，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中被廣泛推廣應(yīng)用。它利用溫度傳感器、濕度傳感器、pH值傳感器、電導(dǎo)率傳感器、光照度傳感器、CO2傳感器等設(shè)備，檢測(cè)環(huán)境中的溫度、相對(duì)濕度、pH值、EC值、光照強(qiáng)度、土壤養(yǎng)分、CO2濃度等物理量參數(shù)，并通過(guò)一系列措施，保證農(nóng)作物有一個(gè)良好的、適宜的生長(zhǎng)環(huán)境。

元宇宙在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理中的應(yīng)用社會(huì)環(huán)境條件是大規(guī)模的“田成方、路相通、渠相連、旱能灌、澇能排”的高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田、高水平的農(nóng)業(yè)機(jī)械化、現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式、農(nóng)業(yè)高科技人才、科學(xué)田間管理的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。這些社會(huì)環(huán)境條件滿(mǎn)足后，就可以結(jié)合4G/5G通信技術(shù)、視覺(jué)沉浸等技術(shù)，構(gòu)建現(xiàn)實(shí)農(nóng)田在虛擬世界的映射—農(nóng)情元宇宙。

4 農(nóng)情元宇宙的概念、架構(gòu)及特點(diǎn)

4.1 農(nóng)情元宇宙的概念

“農(nóng)情”一詞意為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)情況，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理服務(wù)的元宇宙稱(chēng)為農(nóng)情元宇宙。

4.2 農(nóng)情元宇宙的構(gòu)架

農(nóng)情元宇宙構(gòu)建在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，架構(gòu)設(shè)計(jì)為5層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層、展示互動(dòng)層和執(zhí)行機(jī)構(gòu)層，如圖1所示。

圖1 農(nóng)情元宇宙構(gòu)架

感知層主要由農(nóng)情哨兵、農(nóng)情無(wú)人偵察機(jī)、農(nóng)情氣象站等構(gòu)成，搭載溫度、濕度、電導(dǎo)率、pH值傳感器等以及RFID設(shè)備、視頻監(jiān)控設(shè)備等數(shù)據(jù)采集設(shè)備。農(nóng)情哨兵是固定式農(nóng)情感知設(shè)備，按照一定密度布置在農(nóng)田中，主要任務(wù)是采集土壤墑情數(shù)據(jù)，監(jiān)視樣株生長(zhǎng)及其健康狀態(tài)。農(nóng)情無(wú)人偵察機(jī)的主要任務(wù)是飛巡全域農(nóng)田或抵近偵察無(wú)農(nóng)情哨兵農(nóng)田區(qū)域，觀察農(nóng)作物的生長(zhǎng)情況和病蟲(chóng)害災(zāi)情。農(nóng)情氣象站的主要任務(wù)是獲得當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)。

網(wǎng)絡(luò)層通過(guò)LAN、WLAN、4G/5G等構(gòu)成高速網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)信息和上層控制命令實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的傳輸與交互。

應(yīng)用層主要包括農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測(cè)和優(yōu)化、農(nóng)事安排、農(nóng)作物病蟲(chóng)害識(shí)別與治理、農(nóng)情預(yù)測(cè)等農(nóng)業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)，構(gòu)成了一個(gè)農(nóng)情元宇宙中心，可實(shí)現(xiàn)對(duì)由感知層采集的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，以及對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的智能化控制與管理。

展示互動(dòng)層包括3D環(huán)幕、VR眼鏡、人體穿戴設(shè)備（含人體動(dòng)作傳感器）用于展示虛擬農(nóng)田和人機(jī)互動(dòng)。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)層包括無(wú)人植保機(jī)、水肥一體化自動(dòng)灌溉設(shè)備及農(nóng)機(jī)協(xié)作組織的社會(huì)服務(wù)，執(zhí)行元宇宙中心下達(dá)的指令，對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化，以及農(nóng)田耕作、灌溉、施肥、收獲等農(nóng)事活動(dòng)的執(zhí)行。

農(nóng)情元宇宙利用現(xiàn)代高新技術(shù)，根據(jù)地形圖和農(nóng)田范圍構(gòu)建虛擬農(nóng)田環(huán)境。通過(guò)農(nóng)情哨兵采集的土壤墑情、圖片/影像資料，農(nóng)情無(wú)人偵察機(jī)采集的圖片/影像資料，在虛擬農(nóng)田中映射顯示現(xiàn)實(shí)農(nóng)田的農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境和生長(zhǎng)情況，可以主動(dòng)采取措施優(yōu)化農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境，監(jiān)測(cè)農(nóng)作物病蟲(chóng)害的發(fā)生并能夠主動(dòng)積極應(yīng)對(duì)。同時(shí)按預(yù)案規(guī)劃并安排農(nóng)事活動(dòng)，保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)正常進(jìn)行。

4.3 農(nóng)情元宇宙的特點(diǎn)

農(nóng)情元宇宙的特點(diǎn)就是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的現(xiàn)實(shí)世界到虛擬世界的映射，“虛擬農(nóng)情管家”提供生動(dòng)的人機(jī)互動(dòng)形式，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的自動(dòng)化程度高，實(shí)現(xiàn)了“無(wú)人農(nóng)場(chǎng)”的愿景。

4.4 農(nóng)情元宇宙與農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的區(qū)別

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)一般設(shè)計(jì)為3層，物聯(lián)網(wǎng)感知層、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層[6]。農(nóng)情元宇宙因?yàn)檎故咎摂M農(nóng)田、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、人機(jī)互動(dòng)的需要，增加了展示互動(dòng)層，又因需下達(dá)指令進(jìn)行農(nóng)事活動(dòng)，故增加了執(zhí)行機(jī)構(gòu)層。從拓?fù)錂C(jī)構(gòu)上來(lái)說(shuō)：農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)需要人工干預(yù)的開(kāi)環(huán)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，而農(nóng)情元宇宙是一個(gè)全自動(dòng)的閉環(huán)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)。

5 農(nóng)情元宇宙的功能

農(nóng)情元宇宙由農(nóng)情元宇宙中心、虛擬農(nóng)情管家、農(nóng)情無(wú)人偵察機(jī)、無(wú)人植保機(jī)、農(nóng)情哨兵、農(nóng)情氣象站、水肥一體化自動(dòng)灌溉設(shè)備及農(nóng)機(jī)協(xié)作組織的社會(huì)服務(wù)等構(gòu)成。

5.1 農(nóng)情元宇宙中心

農(nóng)情元宇宙中心硬件包含一組服務(wù)器和路由器、交換機(jī)、防火墻等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，并與因特網(wǎng)互聯(lián)，另有3D環(huán)幕、VR眼鏡、人體穿戴動(dòng)作捕獲等設(shè)備用于虛擬農(nóng)田的演示和人機(jī)互動(dòng)。軟件方面主要實(shí)現(xiàn)以下功能。

5.1.1 虛擬農(nóng)田的演示和人機(jī)互動(dòng)

元宇宙中心依據(jù)地形圖和農(nóng)田的范圍搭建虛擬農(nóng)田環(huán)境。田塊、田間道路、機(jī)耕路、溝渠、橋梁、涵洞、防護(hù)林等一如現(xiàn)實(shí)世界。人們可以借助3D環(huán)幕/VR眼鏡觀察虛擬農(nóng)田，穿上人體穿戴設(shè)備，在設(shè)備中搭載人體動(dòng)作傳感器，可以捕獲人們的動(dòng)作，人們就可以在虛擬農(nóng)田中漫游?？梢钥吹?，農(nóng)情哨兵的位置標(biāo)注著土壤墑情的數(shù)據(jù)，農(nóng)情無(wú)人偵察機(jī)、無(wú)人植保機(jī)從天空飛過(guò)，虛擬農(nóng)田里各種農(nóng)機(jī)正在耕作。

元宇宙中心收集從農(nóng)情哨兵傳來(lái)的土壤墑情數(shù)據(jù)包及圖片/影像資料、農(nóng)情無(wú)人偵察機(jī)傳來(lái)的圖片/影像資料、農(nóng)情氣象站傳來(lái)的氣象數(shù)據(jù)包、水肥一體化自動(dòng)灌溉設(shè)備的施肥及施藥量等數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)一定歷史階段的數(shù)據(jù)，用于農(nóng)產(chǎn)品追溯、歷史數(shù)據(jù)對(duì)比和數(shù)據(jù)挖掘。

5.1.3 農(nóng)事活動(dòng)的規(guī)劃及安排

根據(jù)事先制定的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)預(yù)案，元宇宙中心在設(shè)定的時(shí)間節(jié)點(diǎn)上安排農(nóng)事活動(dòng)。如根據(jù)計(jì)劃種植的農(nóng)作物的不同種類(lèi)，在耕地、播種、灌溉、施肥、收獲時(shí)節(jié)預(yù)先從因特網(wǎng)上獲取當(dāng)?shù)?5天內(nèi)的天氣預(yù)報(bào)，根據(jù)天氣情況及時(shí)租用或出動(dòng)相關(guān)農(nóng)機(jī)。再如可以根據(jù)需要，在因特網(wǎng)上自動(dòng)訂購(gòu)種子、農(nóng)藥、化肥等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料的品種和數(shù)量。

5.1.4 基于機(jī)器視覺(jué)的農(nóng)作物生長(zhǎng)情況判斷與應(yīng)對(duì)

主要從2個(gè)方面對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)情況進(jìn)行判斷：

（1）農(nóng)作物的生長(zhǎng)情況可以體現(xiàn)在大片農(nóng)作物的色彩上，利用機(jī)器視覺(jué)原理和農(nóng)情無(wú)人偵察機(jī)傳來(lái)的圖片/影像資料，與田塊歷史拍攝的圖片/影像資料縱向進(jìn)行比較，與周邊田塊的色彩橫向進(jìn)行比較，判斷田塊的農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)優(yōu)劣。

（2）對(duì)樣株進(jìn)行觀察，樣株是農(nóng)情哨兵附近的幾株農(nóng)作物，生長(zhǎng)環(huán)境和周邊農(nóng)作物一致，只是其位置有利于農(nóng)情哨兵進(jìn)行拍攝和觀察。利用機(jī)器視覺(jué)分析樣株及果實(shí)尺寸、形狀、色彩、光澤度等參數(shù)，也能獲得農(nóng)作物的生長(zhǎng)情況。再依據(jù)田塊農(nóng)情哨兵傳來(lái)的土壤墑情數(shù)據(jù)分析土壤缺水、缺肥的情況，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的水肥配比，指揮水肥一體化自動(dòng)灌溉設(shè)備對(duì)相應(yīng)田塊進(jìn)行灌溉。

2.會(huì)計(jì)分錄的影響?！盃I(yíng)改增”之前會(huì)計(jì)科目主要涉及：營(yíng)業(yè)稅金及附加、應(yīng)交稅費(fèi)等科目。而“營(yíng)改增”之后，會(huì)計(jì)科目得到進(jìn)一步明細(xì)劃分，如：應(yīng)交稅費(fèi)—進(jìn)項(xiàng)稅、應(yīng)交稅費(fèi)—應(yīng)交稅金、應(yīng)交稅費(fèi)—銷(xiāo)項(xiàng)稅、應(yīng)交稅費(fèi)—進(jìn)出口退稅等科目。

5.1.5 基于機(jī)器視覺(jué)的農(nóng)作物蟲(chóng)害識(shí)別與應(yīng)對(duì)

農(nóng)情哨兵的攝像設(shè)備具有捕獲微小物體運(yùn)動(dòng)的能力，可以對(duì)空中、植株上運(yùn)動(dòng)的蟲(chóng)類(lèi)進(jìn)行跟蹤拍攝。元宇宙中心根據(jù)這些圖片/影像資料，利用機(jī)器視覺(jué)分析蟲(chóng)類(lèi)的種類(lèi)、數(shù)量、分布、密度和范圍，以及觀察植株受損情況，判斷蟲(chóng)害的嚴(yán)重程度，指揮無(wú)人植保機(jī)按照一定配比配置農(nóng)藥，對(duì)指定農(nóng)田進(jìn)行噴灑。

5.1.6 基于機(jī)器視覺(jué)的農(nóng)作物病害識(shí)別與應(yīng)對(duì)

農(nóng)作物出現(xiàn)病害，則植株相應(yīng)部位的色彩、形狀會(huì)有所反映，比如植株的葉片出現(xiàn)變形、白粉、煤污、銹粉、霜霉等。在農(nóng)情哨兵傳來(lái)的圖片/影像資料中，利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)可以把病害植株從正常植株中分辨出來(lái)。通過(guò)對(duì)比與識(shí)別，確定農(nóng)作物病害的種類(lèi)和使用農(nóng)藥配比，再由農(nóng)情無(wú)人偵察機(jī)抵近偵察，確定農(nóng)藥的噴灑范圍，指揮無(wú)人植保機(jī)進(jìn)行農(nóng)藥噴灑。

5.1.7 基于大數(shù)據(jù)分析、人工智能技術(shù)的農(nóng)情預(yù)測(cè)

利用采集的歷史數(shù)據(jù)、農(nóng)藝經(jīng)驗(yàn)和相應(yīng)數(shù)學(xué)模型等，采用大數(shù)據(jù)分析、人工智能技術(shù)進(jìn)行農(nóng)情預(yù)測(cè)，并在虛擬農(nóng)田上標(biāo)識(shí)預(yù)測(cè)結(jié)果。例如農(nóng)作物生長(zhǎng)情況預(yù)測(cè)：觀測(cè)農(nóng)作物生長(zhǎng)情況，結(jié)合氣象因子和農(nóng)田土壤墑情數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)農(nóng)作物成熟時(shí)期、農(nóng)作物收成，及時(shí)安排收獲和銷(xiāo)售；病蟲(chóng)害災(zāi)情影響預(yù)測(cè)：發(fā)現(xiàn)農(nóng)作物病蟲(chóng)害后，從病蟲(chóng)害的發(fā)生范圍、種類(lèi)、數(shù)量，預(yù)測(cè)病蟲(chóng)害給農(nóng)作物造成的損失情況，在虛擬農(nóng)田標(biāo)識(shí)病蟲(chóng)害損失的影響范圍和損失程度；氣象災(zāi)害損失預(yù)測(cè)：如遇見(jiàn)百年不遇的旱災(zāi)、水災(zāi)、雪災(zāi)等情況，根據(jù)農(nóng)情氣象站數(shù)據(jù)和從因特網(wǎng)獲取的天氣預(yù)報(bào)，結(jié)合農(nóng)田地形，預(yù)測(cè)極端天氣可能造成的損失情況，在虛擬農(nóng)田標(biāo)識(shí)受災(zāi)范圍和程度。

5.1.8 農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的優(yōu)化

根據(jù)農(nóng)情哨兵上傳的數(shù)據(jù)，元宇宙中心可以根據(jù)農(nóng)田中不同農(nóng)作物、不同生長(zhǎng)時(shí)期的需水、需肥特點(diǎn)，以及不同農(nóng)田區(qū)域的土壤環(huán)境和養(yǎng)分含量狀況，動(dòng)態(tài)調(diào)整水肥配比，下指令給水肥一體化自動(dòng)灌溉設(shè)備，對(duì)指定區(qū)域的農(nóng)田進(jìn)行灌溉，使農(nóng)作物主要根系土壤始終保持疏松、適宜的含水量和土壤肥力，保證農(nóng)作物優(yōu)良的生長(zhǎng)環(huán)境。

5.1.9 農(nóng)田尾水“雙殘檢測(cè)”及處理

對(duì)集水溝、集水井中的農(nóng)田尾水進(jìn)行農(nóng)藥、肥料含量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。對(duì)于不達(dá)標(biāo)的農(nóng)田尾水，不能直接排放到自然水體。一般采用兩種辦法處理農(nóng)田尾水：一是啟動(dòng)農(nóng)田尾水復(fù)用設(shè)備，將尾水沉淀、凈化、過(guò)濾后重新利用；二是啟動(dòng)水泵排入人工濕地，利用濕地中的植物吸收、降解尾水中的農(nóng)藥、肥料。

5.1.10 指揮中心

通過(guò)數(shù)據(jù)鏈指揮農(nóng)情無(wú)人偵察機(jī)定時(shí)按規(guī)劃路徑巡航拍攝農(nóng)田圖片/影像資料，也可以指揮農(nóng)情無(wú)人偵察機(jī)前往指定地點(diǎn)抵近偵察；指揮農(nóng)情哨兵通過(guò)云臺(tái)的調(diào)整，觀察樣株的生長(zhǎng)情況；指揮水肥一體化自動(dòng)灌溉設(shè)備按照指定的水肥配比對(duì)指定農(nóng)田進(jìn)行灌溉；啟動(dòng)農(nóng)田尾水復(fù)用設(shè)備等。

5.1.11 提供政府農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)的接口

通過(guò)數(shù)據(jù)接口向政府管理部門(mén)提供農(nóng)業(yè)企業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)相關(guān)數(shù)據(jù)，如農(nóng)藥、化肥、種子等農(nóng)資的來(lái)源、品種、使用量、使用時(shí)間；使用農(nóng)機(jī)型號(hào)、農(nóng)機(jī)證、機(jī)手姓名、作業(yè)時(shí)間等；農(nóng)產(chǎn)品的品種、產(chǎn)出量、銷(xiāo)售量等。政府依據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)全域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，開(kāi)展農(nóng)資、農(nóng)產(chǎn)品的追溯工作，控制農(nóng)業(yè)面源污染，保證生態(tài)平衡，調(diào)整農(nóng)業(yè)政策，以保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的健康發(fā)展[7]。

5.2 虛擬農(nóng)情管家

虛擬農(nóng)情管家是元宇宙虛擬世界中的“虛擬人”，具有人機(jī)交互功能。虛擬農(nóng)情管家設(shè)計(jì)上采用語(yǔ)音識(shí)別/合成技術(shù)、機(jī)器視覺(jué)技術(shù)、3D全息投影技術(shù)，人們可以使用自然語(yǔ)言、肢體語(yǔ)言跟“他”交談。如聽(tīng)取農(nóng)業(yè)生產(chǎn)情況匯報(bào)，調(diào)整農(nóng)業(yè)生產(chǎn)預(yù)案中的安排，下指令調(diào)取相關(guān)圖片/影像資料等。

5.3 農(nóng)情無(wú)人偵察機(jī)

農(nóng)情無(wú)人偵察機(jī)的任務(wù)是偵察農(nóng)業(yè)生產(chǎn)情況。它具有高精度的定位系統(tǒng)、高分辨率的攝像/照相機(jī)、長(zhǎng)時(shí)間的續(xù)航能力、微距攝影能力等。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，它每日定時(shí)飛越全域農(nóng)田，拍攝高清晰度照片，并將照片通過(guò)4G/5G/WiFi網(wǎng)絡(luò)傳送到農(nóng)情元宇宙中心進(jìn)行分析。農(nóng)情元宇宙中心依據(jù)影像分析，如發(fā)現(xiàn)可能發(fā)生了農(nóng)作物病蟲(chóng)災(zāi)害，需要抵近偵察，就會(huì)給出需要偵察地點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)。農(nóng)情無(wú)人偵察機(jī)接到坐標(biāo)數(shù)據(jù)，自動(dòng)飛行到指定地點(diǎn)進(jìn)行抵近偵察，拍攝現(xiàn)場(chǎng)的微距影像，以供農(nóng)情元宇宙中心驗(yàn)證分析結(jié)果，采取應(yīng)對(duì)措施（圖2）。

圖2 農(nóng)情無(wú)人偵察機(jī)巡農(nóng)田

5.4 無(wú)人植保機(jī)

無(wú)人植保機(jī)已經(jīng)被廣泛使用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，由飛行平臺(tái)（固定翼、直升機(jī)、多軸飛行器）、導(dǎo)航飛控、噴灑機(jī)構(gòu)組成。在定制增加電池自動(dòng)安裝/卸載機(jī)構(gòu)，藥劑/粉劑自動(dòng)配比、罐裝機(jī)構(gòu)后，無(wú)人植保機(jī)可實(shí)現(xiàn)工作全程無(wú)人工干預(yù)。無(wú)人植保機(jī)可以通過(guò)4G/5G網(wǎng)絡(luò)接收農(nóng)情元宇宙中心安排的規(guī)劃路線，對(duì)指定區(qū)域農(nóng)田噴灑藥劑、種子、粉劑[8]。

5.5 農(nóng)情哨兵

農(nóng)情哨兵按照一定的密度設(shè)置在農(nóng)田內(nèi)，其搭載有高性能的傳感器，可檢測(cè)空氣溫度、空氣相對(duì)濕度、土壤pH值、土壤EC值、土壤溫度、土壤水分、CO2濃度等物理參數(shù)，形成土壤墑情數(shù)據(jù)包，通過(guò)4G/5G網(wǎng)絡(luò)傳送至元宇宙中心。同時(shí)，農(nóng)情哨兵搭載高清攝像設(shè)備，不僅可以對(duì)農(nóng)作物樣株進(jìn)行全景微距拍攝，觀察樣株的生長(zhǎng)情況和健康情況，還可以對(duì)微小運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行捕獲和拍攝，將相關(guān)圖片、影像發(fā)往元宇宙中心，供元宇宙中心分析農(nóng)作物的生長(zhǎng)情況、健康情況，進(jìn)行農(nóng)作物病蟲(chóng)害檢測(cè)（圖3）。

圖3 農(nóng)情哨兵監(jiān)測(cè)樣株健康狀態(tài)無(wú)人植保機(jī)噴灑化肥、農(nóng)藥

5.6 農(nóng)情氣象站

農(nóng)情氣象站的主要功能是采集農(nóng)田日照強(qiáng)度、日照時(shí)間、降雨量、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速/風(fēng)力等級(jí)等氣象參數(shù)，形成氣象數(shù)據(jù)包，通過(guò)4G/5G網(wǎng)絡(luò)傳送至元宇宙中心，進(jìn)行農(nóng)作物生長(zhǎng)的氣象環(huán)境分析[9]。

5.7 水肥一體化自動(dòng)灌溉設(shè)備

水肥一體化自動(dòng)灌溉設(shè)備能夠接收元宇宙中心的指令，按照指令要求自動(dòng)進(jìn)行可溶性固體或液體肥料和灌溉水配比，對(duì)指定區(qū)域的農(nóng)田進(jìn)行均勻、定時(shí)、定量灌溉。

5.8 農(nóng)機(jī)協(xié)作組織的社會(huì)服務(wù)

農(nóng)機(jī)協(xié)作組織的各類(lèi)農(nóng)機(jī)按要求安裝GPS定位裝置和動(dòng)作傳感器，并有數(shù)據(jù)鏈連接元宇宙中心，以顯示在作業(yè)時(shí)農(nóng)機(jī)在農(nóng)田中的位置、動(dòng)作[10]。

5.9 GPS基準(zhǔn)站

農(nóng)情無(wú)人偵察機(jī)、無(wú)人植保機(jī)和農(nóng)機(jī)等設(shè)備工作時(shí)，需要高精度厘米級(jí)別的定位功能。為了實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)、農(nóng)機(jī)等設(shè)備的高精度定位，需要建設(shè)一個(gè)或若干個(gè)GPS基準(zhǔn)站，這些GPS基準(zhǔn)站的經(jīng)緯度坐標(biāo)經(jīng)測(cè)繪院實(shí)地測(cè)繪，精度達(dá)到毫米級(jí)別。采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（Real Time Kinematic, RTK）載波相位差分技術(shù)，將GPS基準(zhǔn)站采集的載波相位發(fā)送給無(wú)人機(jī)、農(nóng)機(jī)上的用戶(hù)，求差解算坐標(biāo)，使無(wú)人機(jī)、農(nóng)機(jī)的定位精度達(dá)到厘米級(jí)別。

6 農(nóng)情元宇宙實(shí)現(xiàn)的愿景

農(nóng)情元宇宙實(shí)現(xiàn)以后，人們能夠以步行/車(chē)行/飛行器的視角漫步虛擬農(nóng)田之中，可以直接看到農(nóng)田的土壤墑情數(shù)據(jù)，抵進(jìn)觀察農(nóng)作物的生長(zhǎng)情況；農(nóng)情無(wú)人偵察機(jī)按時(shí)飛抵農(nóng)田，農(nóng)情哨兵24小時(shí)不間斷監(jiān)視，農(nóng)作物的生長(zhǎng)狀態(tài)了然于目；無(wú)人植保機(jī)隨時(shí)待命起飛，防治農(nóng)作物病蟲(chóng)害；水肥一體化自動(dòng)灌溉設(shè)備保證了農(nóng)作物良好的生長(zhǎng)環(huán)境；早春三月，元宇宙中心早已與農(nóng)機(jī)合作組織聯(lián)系，各類(lèi)農(nóng)機(jī)在虛擬農(nóng)田耕作，和人們?cè)诂F(xiàn)實(shí)世界農(nóng)田看到的一樣……

7 結(jié) 語(yǔ)

農(nóng)情元宇宙是智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的一種探索和實(shí)踐活動(dòng)，它實(shí)現(xiàn)的社會(huì)環(huán)境條件已經(jīng)滿(mǎn)足，實(shí)施的技術(shù)條件已經(jīng)成熟，它的實(shí)現(xiàn)將為我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理的發(fā)展打開(kāi)嶄新的一頁(yè)。