元宇宙并不是一個新技術，而是多種信息技術的綜合集成應用。區塊鏈（Block Chain）技術和非同質化代幣（Non-Fungible Token，NFT）技術具有去中心化和不可篡改性，信息安全透明，可為元宇宙構建去中心化基礎設施提供支持。5G、6G等移動通信技術可以為連接設備提供可靠、靈活和低延遲的網絡，為實時數據傳輸提供必要的動力。AI可為元宇宙中的“化身”賦予智能和學習能力，為元宇宙的智能化提供推動。物聯網（Internet of Things，IoT）和三維重建（3D Reconstruction）等技術可以收集和提供來自物理世界的數據，為在計算機中建立表達客觀世界的虛擬現實（Virtual Reality，VR）提供支撐。以VR、增強現實（Augmented Reality，AR）和混合現實（Mixed Reality，MR）為代表的擴展現實（Extended Reality，XR）技術可以將現實中的人們“傳送”至虛擬空間，為人們提供身臨其境的體驗。

智慧農業的興起預示著農業領域正在與現代信息技術深度融合。元宇宙與農業的融合將會為農業領域帶來新的智能革命。目前，農業元宇宙還處于起步階段。隨著元宇宙與農業的深度融合以及元宇宙關鍵技術的突破，農業元宇宙將逐步提高農業生產效率，管理效率以及農產品品質，推動農業發展邁入新階段。農業元宇宙具有顯著的多學科交叉特點，由于農業具有生物特性，直接將元宇宙技術應用于農業領域不能有效解決問題。因此，開展基于農業特性的元宇宙交叉研究，將元宇宙技術與農業基礎原理深度融合，是農業元宇宙發展的重中之重。目前，元宇宙中的部分關鍵技術已在農業領域應用，農業元宇宙技術架構如圖1所示。

圖1 農業元宇宙技術架構圖

Fig.1 The framework of agricultural metaverse

區塊鏈是利用密碼學、分布式共識機制、智能合約等技術手段，在無需互相信任的分布式系統節點間實現去中心化點對點交易、協調和協作的全新的分布式基礎架構和計算范式。區塊鏈具有去中心化、不可篡改、公開透明和合約自治等特性，能夠在多利益主體參與的場景下，以低成本的方式構建信任基礎，重塑信用體系。元宇宙作為與現實世界映射和交互的虛擬世界，必須具有可存續性，不會因為某個公司或政府的決策而消失。區塊鏈技術為元宇宙提供了理想的去中心化環境，在去中心化數據傳輸、存儲與管理等方面提供了一套完整的解決方案。

NFT是基于區塊鏈技術的非同質化數字資產。具有不可分割性、獨一無二性和高度透明性。目前已廣泛應用于農產品追溯、數字藏品、游戲等領域。NFT通過將數字資產和唯一加密貨幣令牌進行綁定，使數字資產永久保存在區塊鏈上。NFT還可將數字資產與實體商品進行錨定，通過數字令牌的交易實現實體商品所有權的轉移。此外，區塊鏈技術和NFT技術在構建元宇宙經濟體系上也起到了關鍵性作用，參與者可通過數字資產的交易、展覽等方式從虛擬經濟中獲取利潤。

區塊鏈技術和NFT技術目前主要應用于農產品追溯領域，對農產品追溯信息進行鏈上存儲，保證追溯信息安全可信。在農業元宇宙中，區塊鏈技術和NFT技術是構建農業元宇宙底層金融架構必不可少的一環，可使得農業元宇宙中的虛擬農產品獲得現實意義上的價值并實現價值的流通。

5G是具有高速率、低延遲和大連接等特點的新一代移動通信技術。6G作為5G的必然演進方向，將具有更高的性能和更低的功耗。要實現元宇宙的沉浸式體驗，就要實現數據的實時渲染。數據的傳輸速率和延遲是影響參與者體驗的關鍵因素。

農業元宇宙的構建需要在農田中部署大量傳感器進行數據的實時采集，5G與6G可為農業元宇宙提供高速率、低延遲、大連接的網絡通信基礎。此外，無線傳感網與5G和6G的結合將是大連接場景下農業元宇宙實現的基礎。

AI是指使機器能夠從經驗中學習并執行各種任務的理論和技術，在自然語言處理、計算機視覺和推薦系統等領域廣泛應用。AI是推動元宇宙發展的重要一環，可以使得元宇宙世界中的“化身”更為逼真，賦予他們學習人類語言和對話風格的能力，使其學會理解人類意圖并有效表達自我意圖。AI還可用于輔助元宇宙中用戶的決策、管理、服務問題。此外，AI可以解決元宇宙中的語言問題，使得使用不同語言的元宇宙參與者實現無障礙溝通。

AI主要應用于農產品精準信息服務和輔助決策等領域。在農業元宇宙中，AI是農業元宇宙的大腦，為農業元宇宙提供智慧，在農業虛擬人物等領域具有廣闊的應用前景。

IoT是一種將從不同種類的設備獲得的數據融合到現有互聯網基礎設施上的方法。其通過各類傳感器設備、射頻識別技術、全球定位系統等裝置與技術實時采集各類信息，通過各類網絡接入實現物與物，人與人之間的廣泛連接。未來可通過IoT將現實世界的物體轉化為虛擬世界的智能“化身”。IoT增強了元宇宙與現實世界的聯系。

IoT目前在農業領域應用廣泛，農業物聯網在農業大棚、生鮮產銷和病害識別等領域均有應用。在農業元宇宙中，IoT負責采集現實世界的農業數據，利用這些數據可以提高元宇宙虛擬世界與現實世界的一致性，使其更加精準地描述現實世界，是農業元宇宙獲取現實農業狀態的主要途徑之一。

三維重建是指在計算機中建立一個表達客觀世界三維物體的數學模型，并可對其進行處理、操作和分析。三維重建目前已廣泛應用于土木工程［、城市重建、文化遺產數字化等多個領域。對于虛擬世界的三維環境重建，建筑物重建以及虛擬世界和現實世界的位置對應具有重要意義。

三維重建技術在農業領域主要應用于農產品分級、產量預測和作物表型研究等領域。在農業元宇宙中，三維重建技術可以為農業元宇宙描述現實世界提供技術支持，可將現實世界的農業環境數據提供給農業元宇宙系統，是IoT數據采集的有力補充。

云計算即通過互聯網而不是計算機硬盤存儲和訪問數據和程序。邊緣計算則為在靠近數據源頭的一側，采用“存算一體化”的平臺就近提供端服務。

農業元宇宙不可避免地會產生大量數據，元宇宙的規模和完整性直接取決于現實世界的計算能力和存儲能力。云計算在成本、穩定性、安全性和效率方面具有極大的優勢。此外，邊緣計算的引入可以增強系統的處理能力，使得處理更靠近用戶，元宇宙的體驗更加流暢。

在農業領域，云計算和邊緣技術在害蟲識別和農業決策領域應用廣泛。農業數據量大且多源異構，云計算和邊緣計算是擴展農業元宇宙系統計算能力和存儲能力的關鍵技術。

XR是AR、VR、MR等多種技術的統稱，指的是由計算機技術和可穿戴設備產生的真實和虛擬結合的環境和人機交互。AR是一種將數字信息疊加在現實世界中的物體或地點上增強用戶體驗的技術，具有結合現實和數字信息的能力。VR通過計算機模擬虛擬環境從而給人以環境沉浸感，是一種完全沉浸式、引人入勝的交互體驗。參與者可以通過特殊的人機交互設備感受和觸摸虛擬對象，從而產生這些對象確實存在的感覺。MR則通過在虛擬環境中引入現實環境的場景信息，在虛擬世界、現實世界和用戶之間搭建起一個交互反饋的信息回路，以增強用戶體驗的真實感。

農業元宇宙要為用戶提供身臨其境的體驗，XR技術是必不可少的。XR技術可以為農業元宇宙提供通往虛擬世界的門戶，是農業元宇宙的接入點。農業元宇宙參與者可通過XR技術體驗到農旅休閑和虛擬種植等沉浸式元宇宙體驗。

腦機接口指的是通過大腦活動控制外部設備的硬件和軟件。其通過在人或動物的大腦與外部設備之間創建直接連接，實現大腦與設備的信息交換。腦機接口可對部分患有身體殘疾的用戶提供與健康用戶相同的接入體驗。當前所有的XR設備都依賴于屏幕和傳統的控制系統，腦機接口則旨在完全取代屏幕和物理硬件，實現面向消費者的精神控制系統。使用戶獲得更具沉浸式的元宇宙體驗。

因腦機接口技術成本和接受度問題，在農業領域，腦機接口應用還較少。未來在農業元宇宙中，腦機接口可作為XR技術的補充，提供給農業元宇宙用戶更高的體驗。

數字孿生（Digital Twins，DT）指的是以數字化方式在信息化平臺內建立、模擬一個物理實體、流程或系統在現實環境中的行為。借助于數字孿生，可以通過虛實交互反饋、數據融合分析、決策迭代優化等手段在信息化平臺上了解物理實體的狀態，并對物理實體里預定義的接口元件進行控制。這種物理世界與數字世界的綁定是構建元宇宙的基礎，只有數字世界而無法與物理世界交互的元宇宙僅僅是一個“模型”。此外，數字世界不僅可以表示物理世界的當前狀態，也可基于物理世界的發展和虛實世界的交互去模擬過去狀態和預測未來狀態。

農業中的物理系統或物理世界是一個復雜的動態環境，包括大氣、土壤、作物、農業機械設備、操作員和管理措施等多個層級的信息和特征。通過溫度、土壤、光照等農業物聯網設備采集物理世界的實時信息，通過物理世界的信息感知驅動數字世界的融合建模。農業數字孿生系統架構如圖2所示。

圖2 農業數字孿生系統架構圖

Fig. 2 The framework of digital twins for agriculture

農業數字孿生系統的蓬勃發展有助于推動農業元宇宙的加速落地。表1對一些農業數字孿生系統進行了總結整理，目前農業數字孿生技術已在農業的多個領域應用，其中在農業生產領域應用最為廣泛。

表1 農業數字孿生系統

Table 1 The digital twins system for agriculture

平行系統是指由某一個現實系統和對應的一個或多個虛擬或理想的人工系統所組成的共同系統，實現虛擬和現實的結合。平行系統通過整合人工社會，計算實驗和平行執行等方法， 形成新的計算研究體系。其目的是基于人工系統（Artificial Systems，A）、計算實驗 （Computational Experiments，C）和平行執行 （Parallel Execution，P），即ACP方法，解決難以建模、難以解析、難以預測的復雜系統。

平行農業是指通過在虛擬空間構建人工農業系統描述實際的農業系統問題，并利用構建出的人工農業系統對未來發展進行預估和優化，最終實現人工農業系統與實際農業系統兩者間持續的相互作用、相互反饋和相互引導，指導農業發展，其系統架構如圖3所示。目前，平行農業已在植物生長建模、產量預測和智能決策等領域廣泛引用。

圖3 基于ACP的平行農業系統架構圖

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

農業數字孿生和平行農業有相同之處但也存在側重點的區別。農業數字孿生和平行農業均為解決信息、物理、社會融合這一科學問題提供了新的解決思路，且兩者都與先進傳感采集、仿真、高性能計算、智能算法等的發展有著密不可分的關系。農業數字孿生系統側重于針對機理明確的農業系統，構建農業數字孿生系統通常需要人工構建的虛擬農業系統和實際物理農業系統在狀態轉換、觀測、控制的機理上相互對應。而平行農業可以對尚未明確機理的復雜農業系統做出構建和解釋。

農業數字孿生和平行農業通過構建虛擬世界實現對物理世界的預測和控制，是農業元宇宙的雛形。但農業數字孿生和平行農業構建的虛擬世界和現實世界相對獨立，人在系統中處于輔助地位，無法沉浸于虛擬世界。農業元宇宙相比農業數字孿生和平行農業，更加注重參與人的體驗和交互，關注參與人的沉浸感，而不僅僅是實現對物理系統的虛擬化。

未來農業數字孿生和平行農業還需結合VR、AR和MR等XR技術，增加數字世界與物理世界的交互，結合區塊鏈和NFT等技術解決數據確權等難題，實現更高級的農業元宇宙系統。