政策青睐！数字孪生赋能智慧农业科学发展

2024-08-28 16:52:10

[ 导读 ] 数字孪生赋能智慧农业科学发展~

政策背景

农业是国民经济的基础，农村经济是现代化经济体系的重要组成部分。中国的“乡村振兴”战略是对农村脱贫攻坚工作的衔接、巩固与深化，也是为建设现代化经济体系、实现第二个百年奋斗目标提出的重要任务。而“数字乡村”是乡村振兴战略的重要内容和战略方向。

数字乡村主要涉及三个方面：一是增强数字乡村基础设施和物流基础设施；二是推进农村相关产业的数字化转型，扩展数字技术在农村的应用场景；三是数据增强乡村治理能力，为动态研判、实施监管提供支撑。

2019年《数字乡村发展战略纲要》将“数字乡村”定义为“伴随网络化、信息化和数字化在农业农村经济社会发展中的应用，以及农民现代信息技能的提高而内生的农业农村现代化发展和转型进程 ”。为数字乡村战略的实施划定“四步走”计划，力图“到本世纪中叶，全面建成数字乡村，助力乡村全面振兴，全面实现农业强、农村美、农民富的战略目标”。

2022年《数字乡村标准体系建设指南》，划定了从基础与通用标准、数字基础设施标准、农业农村数据标准、农业信息化标准、乡村数字化标准、建设与管理标准、安全与保障标准等 7个方面的国家标准。

农业生产的科学技术创新

智能农业解决方案正在优化生产，通过降低成本提高生产力，提供更好的市场机会，增加价值链的可追溯性。在农业机械上运用的先进数字信息化技术主要包括智能感知、卫星导航定位、自动导航驾驶、数字孪生三维可视化应用、路径规划与复杂轨迹复用等。

01、智能感知技术

智能感知技术包括机外感知和机内感知。机外感知指对农机作业环境和对象信息参数的感知，包括作物生长及病虫草害信息感知、作业环境与障碍物信息感知等；机内感知指对农业装备自身的工作参数及作业状态参数的感知。农业装备机内共性参数包括发动机信息、动力输出信息、扭矩信息、滑转率、姿态信息、安全隐患信息等。

02、微星导航定位技术

卫星导航定位技术是目前农业机械应用最为广泛的技术之一。将卫星定位信息与已有的地图系统进行算法结合，便可实现实时导航功能。目前应用在农业机械上的卫星导航自动驾驶系统，精度误差可控制在 ±2.5cm 以内。国内高精度差分导航与定位技术基本通过国内三大运营商信号基站来提供 RTK 信号，可在全国大部分区域得到有效覆盖。据统计，截止 2021 年末，中国安装高精度卫星导航自动驾驶系统的农机已超过 6 万台，涵盖拖拉机、收割机、插秧机、植保机等众多机械类别。

03、自动导航驾驶技术

自动导航驾驶技术可以大幅度提高农业机械的作业质量和作业效率。为实现这一功能，需要农业机械按照卫星导航的路径进行自动调整姿态自主作业。以轮式农业机械为例，当前实现的方法是利用姿态传感器、角度传感器感知车辆姿态、车轮转向角度，然后将卫星导航信息与农业机械当前的运用状态参数综合计算，通过液压或电控方向盘控制农机行走路线，从而实现自动驾驶作业。中国目前已将该技术广泛应用于旋耕机、播种机、插秧机、喷雾机和收获机等众多农业机械上，其中水田作业机械自动导航系统已居国际领先水平。特别是大型地块区域作业过程中，由于其作业精度高、稳定性好、误差修正反应灵敏，可以极大地提高土地利用率，减低生产成本。研究表明，采用自动导航的农业机械作业，可提高作物产量 2%-3%，减少肥料和农药用量 5%-10%，降低生产成本 5%-10%。

04、数字孪生技术

数字孪生技术还可以与虚拟现实、物联网等技术结合，搭建三维可视化监控平台。平台可以实现对农场环境、农产设备、农作物、显示传感器等多种数据的实时监控和可视化，农场主可以通过大屏和移动端对农场设备进行远程精准控制，对农作物实时勘察农业资源、作物墒情，对农产品线上浏览、交易等实现产品溯源。同时，平台还可以通过GIS地理信息定位技术实现生产环节、物流环节的监控，对农场业务运营和管理进行赋能，打造农产品安全产业链。

05、路径规划与复杂轨迹复用技术

路径规划与复杂轨迹复用技术具备作业路径自动规划能力是农业机械实现自动驾驶的前提。当前一般采用“S”形、“几”字形、“回”字形以及两者方式组合的路径进行作业。智能农机按照规划的路径进行作业后，轨迹上传至远程管理平台，可以利用平台数据进行轨迹复用。目前规则地块的全覆盖路径规划算法已经比较成熟，未来的研究方向是不规则地块及多障碍、多约束的全覆盖路径规划算法。

精准农业

精准农业作为一种农场管理策略，通过收集有关土壤、天气、作物产量和健康等方面的数据，将其输入决策支持系统，在保护资源的同时优化农场的投入产出。为了捕捉和处理数据，精准农业整合了包括产量监测器、灌溉控制器、无人机、卫星遥感和拖拉机自动导航系统在内的硬件，以及软件和服务等进行操作。

根据操作的技术强度，精准农业可分为 " 软性 " 或 " 硬性 " 两类。硬性精准农业涉及应用复杂的技术和大数据分析技能，更适合大型农场。除了日本、中国的国有农场，以及一些种植园和生产高价值作物的大型农场之外，硬性精准农业在其他地方的实践仍处于早期阶段。

另一方面，软性精准农业依赖于对作物和土壤的视觉观察，以及数字土壤测试工具和叶绿素仪等低成本工具的使用。软性精准农业的服务通常通过应用程序或短信提供，如天气预报等。通过创新数字商业模式，软性精准农业正逐渐为小农户所接受。

数字孪生智慧赋能

数字孪生技术在智慧农业上有着应用广泛，它借助传感器、大数据、云计算、物联网等先进技术，将真实世界的农业环境、设备、作物等要素映射到数字世界中，实现对农业生产的精细化、智能化管理。

01、智慧环境孪生

通过传感器实时监测农田环境、作物生长状况等数据，建立农田的数字孪生模型，实现对农业生产的智能化管理和决策。农民可以实时监测土壤温湿度、光照强度、养分含量等关键参数，并对灌溉、施肥、病虫害防治等进行精细化管理，从而提高农作物的产量和质量。

02、智慧水肥一体化

数字孪生技术可以实现农田的水肥一体化管理。通过传感器实时监测土壤的水分和养分状况，数字孪生智慧系统可以计算出作物所需的水肥量，并自动控制灌溉和施肥设备，实现精准的水肥管理。

03、智能农机装备

将数字孪生技术与智能农机装备相结合，可以实现农机的精准导航、自动驾驶和智能控制。这不仅可以提高农机的作业效率，减少人力成本，还可以减少农机作业对农田的损害，保护生态环境。数字孪生技术还可以对农业设备进行建模和仿真，以优化其使用和维护，包括农机的工作效率、能源消耗和故障诊断等方面。通过数字孪生技术农民可以实时监控农业设备的运行状态，及时发现并解决潜在问题，从而提高设备的运行效率和减少成本。

04、智慧病虫害防治

通过对农田的数字孪生模型进行分析，可以及时发现病虫害的发生和扩散情况，辅助科学采取针对性的防治措施，减少病虫害对作物生长的影响，提高农作物的抗病能力和产量。

05、农产品溯源与质量控制

利用数字孪生三维可视化技术可以记录农产品的生长、加工、储存和运输等全过程信息，实现农产品的溯源管理。这有助于保障农产品的质量安全，提高消费者对农产品的信任度和满意度。

06、智能管廊孪生

在农业设施中，如温室或大棚内，可以通过数字孪生技术建立智能管廊的数字模型。智能管廊的数字孪生模型能够实时监控管道状态、流体流动和环境条件，确保资源的有效分配和系统的稳定运行，有助于减少资源浪费、提高生产效率，并为农民提供更加可靠的农业设施服务。

07、智慧光照孪生

在温室或大棚等农业设施中，光照是一个重要的环境因素。通过数字孪生技术，可以建立温室光照的数字模型，实时监测温室内的光照强度、光照时间等参数。农民可以根据数字孪生系统的反馈，自动调节温室内的光照条件，为作物提供最佳的光照环境，促进作物的生长和发育。

智慧农业的未来展望

随着数字孪生、大数据、物联网、人工智能等技术的不断发展，智慧农业的前景愈发广阔。未来，智慧农业将不仅局限于提高生产效率和降低成本，更将深入到农业生态系统的各个环节，实现农业的可持续发展。

智慧农业将进一步推动农业生产方式的转型升级。通过数字孪生技术农民可以更加精准地管理农田，实现个性化、精细化的农业生产。同时，结合大数据和人工智能技术，农民可以更加准确地预测市场需求，调整种植结构，提高农产品的市场竞争力。

智慧农业将促进农业生态系统的保护和恢复，通过孪生模拟和优化农田生态系统，实现生态平衡和可持续发展，结合物联网技术可以实时监控农田的环境参数，及时发现并解决生态问题，保护农业生态系统的健康和稳定。

随着数字孪生技术的不断发展和完善，其在智慧农业领域的应用前景将更加广阔。未来，数字孪生技术将与物联网、大数据、人工智能等新一代信息技术深度融合，推动智慧农业向更高层次、更广领域发展。同时，随着数字孪生技术在智慧农业领域的广泛应用，也将进一步促进农业与工业、服务业等领域的深度融合，推动农业产业转型升级和可持续发展。

内容来源：阿里研究院农业行业观察全网推荐

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