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。区块链（Block Chain）技术和非同质化代币（Non-Fungible Token，NFT）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（Internet of Things，IoT）和三维重建（3D Reconstruction）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（Virtual Reality，VR）提供支撑。以VR、增强现实（Augmented Reality，AR）和混合现实（Mixed Reality，MR）为代表的扩展现实（Extended Reality，XR）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。

智慧农业的兴起预示着农业领域正在与现代信息技术深度融合。元宇宙与农业的融合将会为农业领域带来新的智能革命。目前，农业元宇宙还处于起步阶段。随着元宇宙与农业的深度融合以及元宇宙关键技术的突破，农业元宇宙将逐步提高农业生产效率，管理效率以及农产品品质，推动农业发展迈入新阶段。农业元宇宙具有显著的多学科交叉特点，由于农业具有生物特性，直接将元宇宙技术应用于农业领域不能有效解决问题。因此，开展基于农业特性的元宇宙交叉研究，将元宇宙技术与农业基础原理深度融合，是农业元宇宙发展的重中之重。目前，元宇宙中的部分关键技术已在农业领域应用，农业元宇宙技术架构如图1所示。

图1 农业元宇宙技术架构图

Fig.1 The framework of agricultural metaverse

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。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。元宇宙作为与现实世界映射和交互的虚拟世界，必须具有可存续性，不会因为某个公司或政府的决策而消失。区块链技术为元宇宙提供了理想的去中心化环境，在去中心化数据传输、存储与管理等方面提供了一套完整的解决方案。

NFT是基于区块链技术的非同质化数字资产。具有不可分割性、独一无二性和高度透明性。目前已广泛应用于农产品追溯、数字藏品、游戏等领域。NFT通过将数字资产和唯一加密货币令牌进行绑定，使数字资产永久保存在区块链上。NFT还可将数字资产与实体商品进行锚定，通过数字令牌的交易实现实体商品所有权的转移。此外，区块链技术和NFT技术在构建元宇宙经济体系上也起到了关键性作用，参与者可通过数字资产的交易、展览等方式从虚拟经济中获取利润。

区块链技术和NFT技术目前主要应用于农产品追溯领域，对农产品追溯信息进行链上存储，保证追溯信息安全可信。在农业元宇宙中，区块链技术和NFT技术是构建农业元宇宙底层金融架构必不可少的一环，可使得农业元宇宙中的虚拟农产品获得现实意义上的价值并实现价值的流通。

5G是具有高速率、低延迟和大连接等特点的新一代移动通信技术。6G作为5G的必然演进方向，将具有更高的性能和更低的功耗。要实现元宇宙的沉浸式体验，就要实现数据的实时渲染。数据的传输速率和延迟是影响参与者体验的关键因素。

农业元宇宙的构建需要在农田中部署大量传感器进行数据的实时采集，5G与6G可为农业元宇宙提供高速率、低延迟、大连接的网络通信基础。此外，无线传感网与5G和6G的结合将是大连接场景下农业元宇宙实现的基础。

AI是指使机器能够从经验中学习并执行各种任务的理论和技术，在自然语言处理、计算机视觉和推荐系统等领域广泛应用。AI是推动元宇宙发展的重要一环，可以使得元宇宙世界中的“化身”更为逼真，赋予他们学习人类语言和对话风格的能力，使其学会理解人类意图并有效表达自我意图。AI还可用于辅助元宇宙中用户的决策、管理、服务问题。此外，AI可以解决元宇宙中的语言问题，使得使用不同语言的元宇宙参与者实现无障碍沟通。

AI主要应用于农产品精准信息服务和辅助决策等领域。在农业元宇宙中，AI是农业元宇宙的大脑，为农业元宇宙提供智慧，在农业虚拟人物等领域具有广阔的应用前景。

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。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。未来可通过IoT将现实世界的物体转化为虚拟世界的智能“化身”。IoT增强了元宇宙与现实世界的联系。

IoT目前在农业领域应用广泛，农业物联网在农业大棚、生鲜产销和病害识别等领域均有应用。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。

三维重建是指在计算机中建立一个表达客观世界三维物体的数学模型，并可对其进行处理、操作和分析。三维重建目前已广泛应用于土木工程［、城市重建、文化遗产数字化等多个领域。对于虚拟世界的三维环境重建，建筑物重建以及虚拟世界和现实世界的位置对应具有重要意义。

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。

云计算即通过互联网而不是计算机硬盘存储和访问数据和程序。边缘计算则为在靠近数据源头的一侧，采用“存算一体化”的平台就近提供端服务。

农业元宇宙不可避免地会产生大量数据，元宇宙的规模和完整性直接取决于现实世界的计算能力和存储能力。云计算在成本、稳定性、安全性和效率方面具有极大的优势。此外，边缘计算的引入可以增强系统的处理能力，使得处理更靠近用户，元宇宙的体验更加流畅。

在农业领域，云计算和边缘技术在害虫识别和农业决策领域应用广泛。农业数据量大且多源异构，云计算和边缘计算是扩展农业元宇宙系统计算能力和存储能力的关键技术。

XR是AR、VR、MR等多种技术的统称，指的是由计算机技术和可穿戴设备产生的真实和虚拟结合的环境和人机交互。AR是一种将数字信息叠加在现实世界中的物体或地点上增强用户体验的技术，具有结合现实和数字信息的能力。VR通过计算机模拟虚拟环境从而给人以环境沉浸感，是一种完全沉浸式、引人入胜的交互体验。参与者可以通过特殊的人机交互设备感受和触摸虚拟对象，从而产生这些对象确实存在的感觉。MR则通过在虚拟环境中引入现实环境的场景信息，在虚拟世界、现实世界和用户之间搭建起一个交互反馈的信息回路，以增强用户体验的真实感。

农业元宇宙要为用户提供身临其境的体验，XR技术是必不可少的。XR技术可以为农业元宇宙提供通往虚拟世界的门户，是农业元宇宙的接入点。农业元宇宙参与者可通过XR技术体验到农旅休闲和虚拟种植等沉浸式元宇宙体验。

脑机接口指的是通过大脑活动控制外部设备的硬件和软件。其通过在人或动物的大脑与外部设备之间创建直接连接，实现大脑与设备的信息交换。脑机接口可对部分患有身体残疾的用户提供与健康用户相同的接入体验。当前所有的XR设备都依赖于屏幕和传统的控制系统，脑机接口则旨在完全取代屏幕和物理硬件，实现面向消费者的精神控制系统。使用户获得更具沉浸式的元宇宙体验。

因脑机接口技术成本和接受度问题，在农业领域，脑机接口应用还较少。未来在农业元宇宙中，脑机接口可作为XR技术的补充，提供给农业元宇宙用户更高的体验。

数字孪生（Digital Twins，DT）指的是以数字化方式在信息化平台内建立、模拟一个物理实体、流程或系统在现实环境中的行为。借助于数字孪生，可以通过虚实交互反馈、数据融合分析、决策迭代优化等手段在信息化平台上了解物理实体的状态，并对物理实体里预定义的接口元件进行控制。这种物理世界与数字世界的绑定是构建元宇宙的基础，只有数字世界而无法与物理世界交互的元宇宙仅仅是一个“模型”。此外，数字世界不仅可以表示物理世界的当前状态，也可基于物理世界的发展和虚实世界的交互去模拟过去状态和预测未来状态。

农业中的物理系统或物理世界是一个复杂的动态环境，包括大气、土壤、作物、农业机械设备、操作员和管理措施等多个层级的信息和特征。通过温度、土壤、光照等农业物联网设备采集物理世界的实时信息，通过物理世界的信息感知驱动数字世界的融合建模。农业数字孪生系统架构如图2所示。

图2 农业数字孪生系统架构图

Fig. 2 The framework of digital twins for agriculture

农业数字孪生系统的蓬勃发展有助于推动农业元宇宙的加速落地。表1对一些农业数字孪生系统进行了总结整理，目前农业数字孪生技术已在农业的多个领域应用，其中在农业生产领域应用最为广泛。

表1 农业数字孪生系统

Table 1 The digital twins system for agriculture

平行系统是指由某一个现实系统和对应的一个或多个虚拟或理想的人工系统所组成的共同系统，实现虚拟和现实的结合。平行系统通过整合人工社会，计算实验和平行执行等方法， 形成新的计算研究体系。其目的是基于人工系统（Artificial Systems，A）、计算实验 （Computational Experiments，C）和平行执行 （Parallel Execution，P），即ACP方法，解决难以建模、难以解析、难以预测的复杂系统。

平行农业是指通过在虚拟空间构建人工农业系统描述实际的农业系统问题，并利用构建出的人工农业系统对未来发展进行预估和优化，最终实现人工农业系统与实际农业系统两者间持续的相互作用、相互反馈和相互引导，指导农业发展，其系统架构如图3所示。目前，平行农业已在植物生长建模、产量预测和智能决策等领域广泛引用。

图3 基于ACP的平行农业系统架构图

Fig. 3 The framework of parallel agriculture based on artificial systems， computational experiments and parallel execution

农业数字孪生和平行农业有相同之处但也存在侧重点的区别。农业数字孪生和平行农业均为解决信息、物理、社会融合这一科学问题提供了新的解决思路，且两者都与先进传感采集、仿真、高性能计算、智能算法等的发展有着密不可分的关系。农业数字孪生系统侧重于针对机理明确的农业系统，构建农业数字孪生系统通常需要人工构建的虚拟农业系统和实际物理农业系统在状态转换、观测、控制的机理上相互对应。而平行农业可以对尚未明确机理的复杂农业系统做出构建和解释。

农业数字孪生和平行农业通过构建虚拟世界实现对物理世界的预测和控制，是农业元宇宙的雏形。但农业数字孪生和平行农业构建的虚拟世界和现实世界相对独立，人在系统中处于辅助地位，无法沉浸于虚拟世界。农业元宇宙相比农业数字孪生和平行农业，更加注重参与人的体验和交互，关注参与人的沉浸感，而不仅仅是实现对物理系统的虚拟化。

未来农业数字孪生和平行农业还需结合VR、AR和MR等XR技术，增加数字世界与物理世界的交互，结合区块链和NFT等技术解决数据确权等难题，实现更高级的农业元宇宙系统。