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政策青睞！數字孿生賦能智慧農業科學發展

2024-08-28 16:52:10

[ 導讀 ] 數字孿生賦能智慧農業科學發展~

政策背景

農業是國民經濟的基礎，農村經濟是現代化經濟體系的重要組成部分。中國的“鄉村振興”戰略是對農村脫貧攻堅工作的銜接、鞏固與深化，也是為建設現代化經濟體系、實現第二個百年奮斗目標提出的重要任務。而“數字鄉村”是鄉村振興戰略的重要內容和戰略方向。

數字鄉村主要涉及三個方面：一是增強數字鄉村基礎設施和物流基礎設施；二是推進農村相關產業的數字化轉型，擴展數字技術在農村的應用場景；三是數據增強鄉村治理能力，為動態研判、實施監管提供支撐。

2019年《數字鄉村發展戰略綱要》將“數字鄉村”定義為“伴隨網絡化、信息化和數字化在農業農村經濟社會發展中的應用，以及農民現代信息技能的提高而內生的農業農村現代化發展和轉型進程 ”。為數字鄉村戰略的實施劃定“四步走”計劃，力圖“到本世紀中葉，全面建成數字鄉村，助力鄉村全面振興，全面實現農業強、農村美、農民富的戰略目標”。

2022年《數字鄉村標準體系建設指南》，劃定了從基礎與通用標準、數字基礎設施標準、農業農村數據標準、農業信息化標準、鄉村數字化標準、建設與管理標準、安全與保障標準等 7個方面的國家標準。

農業生產的科學技術創新

智能農業解決方案正在優化生產，通過降低成本提高生產力，提供更好的市場機會，增加價值鏈的可追溯性。在農業機械上運用的先進數字信息化技術主要包括智能感知、衛星導航定位、自動導航駕駛、數字孿生三維可視化應用、路徑規劃與復雜軌跡復用等。

01、智能感知技術

智能感知技術包括機外感知和機內感知。機外感知指對農機作業環境和對象信息參數的感知，包括作物生長及病蟲草害信息感知、作業環境與障礙物信息感知等；機內感知指對農業裝備自身的工作參數及作業狀態參數的感知。農業裝備機內共性參數包括發動機信息、動力輸出信息、扭矩信息、滑轉率、姿態信息、安全隱患信息等。

02、微星導航定位技術

衛星導航定位技術是目前農業機械應用最為廣泛的技術之一。將衛星定位信息與已有的地圖系統進行算法結合，便可實現實時導航功能。目前應用在農業機械上的衛星導航自動駕駛系統，精度誤差可控制在 ±2.5cm 以內。國內高精度差分導航與定位技術基本通過國內三大運營商信號基站來提供 RTK 信號，可在全國大部分區域得到有效覆蓋。據統計，截止 2021 年末，中國安裝高精度衛星導航自動駕駛系統的農機已超過 6 萬臺，涵蓋拖拉機、收割機、插秧機、植保機等眾多機械類別。

03、自動導航駕駛技術

自動導航駕駛技術可以大幅度提高農業機械的作業質量和作業效率。為實現這一功能，需要農業機械按照衛星導航的路徑進行自動調整姿態自主作業。以輪式農業機械為例，當前實現的方法是利用姿態傳感器、角度傳感器感知車輛姿態、車輪轉向角度，然后將衛星導航信息與農業機械當前的運用狀態參數綜合計算，通過液壓或電控方向盤控制農機行走路線，從而實現自動駕駛作業。中國目前已將該技術廣泛應用于旋耕機、播種機、插秧機、噴霧機和收獲機等眾多農業機械上，其中水田作業機械自動導航系統已居國際領先水平。特別是大型地塊區域作業過程中，由于其作業精度高、穩定性好、誤差修正反應靈敏，可以極大地提高土地利用率，減低生產成本。研究表明，采用自動導航的農業機械作業，可提高作物產量 2%-3%，減少肥料和農藥用量 5%-10%，降低生產成本 5%-10%。

04、數字孿生技術

數字孿生技術還可以與虛擬現實、物聯網等技術結合，搭建三維可視化監控平臺。平臺可以實現對農場環境、農產設備、農作物、顯示傳感器等多種數據的實時監控和可視化，農場主可以通過大屏和移動端對農場設備進行遠程精準控制，對農作物實時勘察農業資源、作物墑情，對農產品線上瀏覽、交易等實現產品溯源。同時，平臺還可以通過GIS地理信息定位技術實現生產環節、物流環節的監控，對農場業務運營和管理進行賦能，打造農產品安全產業鏈。

05、路徑規劃與復雜軌跡復用技術

路徑規劃與復雜軌跡復用技術具備作業路徑自動規劃能力是農業機械實現自動駕駛的前提。當前一般采用“S”形、“幾”字形、“回”字形以及兩者方式組合的路徑進行作業。智能農機按照規劃的路徑進行作業后，軌跡上傳至遠程管理平臺，可以利用平臺數據進行軌跡復用。目前規則地塊的全覆蓋路徑規劃算法已經比較成熟，未來的研究方向是不規則地塊及多障礙、多約束的全覆蓋路徑規劃算法。

精準農業

精準農業作為一種農場管理策略，通過收集有關土壤、天氣、作物產量和健康等方面的數據，將其輸入決策支持系統，在保護資源的同時優化農場的投入產出。為了捕捉和處理數據，精準農業整合了包括產量監測器、灌溉控制器、無人機、衛星遙感和拖拉機自動導航系統在內的硬件，以及軟件和服務等進行操作。

根據操作的技術強度，精準農業可分為 " 軟性 " 或 " 硬性 " 兩類。硬性精準農業涉及應用復雜的技術和大數據分析技能，更適合大型農場。除了日本、中國的國有農場，以及一些種植園和生產高價值作物的大型農場之外，硬性精準農業在其他地方的實踐仍處于早期階段。

另一方面，軟性精準農業依賴于對作物和土壤的視覺觀察，以及數字土壤測試工具和葉綠素儀等低成本工具的使用。軟性精準農業的服務通常通過應用程序或短信提供，如天氣預報等。通過創新數字商業模式，軟性精準農業正逐漸為小農戶所接受。

數字孿生智慧賦能

數字孿生技術在智慧農業上有著應用廣泛，它借助傳感器、大數據、云計算、物聯網等先進技術，將真實世界的農業環境、設備、作物等要素映射到數字世界中，實現對農業生產的精細化、智能化管理。

01、智慧環境孿生

通過傳感器實時監測農田環境、作物生長狀況等數據，建立農田的數字孿生模型，實現對農業生產的智能化管理和決策。農民可以實時監測土壤溫濕度、光照強度、養分含量等關鍵參數，并對灌溉、施肥、病蟲害防治等進行精細化管理，從而提高農作物的產量和質量。

02、智慧水肥一體化

數字孿生技術可以實現農田的水肥一體化管理。通過傳感器實時監測土壤的水分和養分狀況，數字孿生智慧系統可以計算出作物所需的水肥量，并自動控制灌溉和施肥設備，實現精準的水肥管理。

03、智能農機裝備

將數字孿生技術與智能農機裝備相結合，可以實現農機的精準導航、自動駕駛和智能控制。這不僅可以提高農機的作業效率，減少人力成本，還可以減少農機作業對農田的損害，保護生態環境。數字孿生技術還可以對農業設備進行建模和仿真，以優化其使用和維護，包括農機的工作效率、能源消耗和故障診斷等方面。通過數字孿生技術農民可以實時監控農業設備的運行狀態，及時發現并解決潛在問題，從而提高設備的運行效率和減少成本。

04、智慧病蟲害防治

通過對農田的數字孿生模型進行分析，可以及時發現病蟲害的發生和擴散情況，輔助科學采取針對性的防治措施，減少病蟲害對作物生長的影響，提高農作物的抗病能力和產量。

05、農產品溯源與質量控制

利用數字孿生三維可視化技術可以記錄農產品的生長、加工、儲存和運輸等全過程信息，實現農產品的溯源管理。這有助于保障農產品的質量安全，提高消費者對農產品的信任度和滿意度。

06、智能管廊孿生

在農業設施中，如溫室或大棚內，可以通過數字孿生技術建立智能管廊的數字模型。智能管廊的數字孿生模型能夠實時監控管道狀態、流體流動和環境條件，確保資源的有效分配和系統的穩定運行，有助于減少資源浪費、提高生產效率，并為農民提供更加可靠的農業設施服務。

07、智慧光照孿生

在溫室或大棚等農業設施中，光照是一個重要的環境因素。通過數字孿生技術，可以建立溫室光照的數字模型，實時監測溫室內的光照強度、光照時間等參數。農民可以根據數字孿生系統的反饋，自動調節溫室內的光照條件，為作物提供最佳的光照環境，促進作物的生長和發育。

智慧農業的未來展望

隨著數字孿生、大數據、物聯網、人工智能等技術的不斷發展，智慧農業的前景愈發廣闊。未來，智慧農業將不僅局限于提高生產效率和降低成本，更將深入到農業生態系統的各個環節，實現農業的可持續發展。

智慧農業將進一步推動農業生產方式的轉型升級。通過數字孿生技術農民可以更加精準地管理農田，實現個性化、精細化的農業生產。同時，結合大數據和人工智能技術，農民可以更加準確地預測市場需求，調整種植結構，提高農產品的市場競爭力。

智慧農業將促進農業生態系統的保護和恢復，通過孿生模擬和優化農田生態系統，實現生態平衡和可持續發展，結合物聯網技術可以實時監控農田的環境參數，及時發現并解決生態問題，保護農業生態系統的健康和穩定。

隨著數字孿生技術的不斷發展和完善，其在智慧農業領域的應用前景將更加廣闊。未來，數字孿生技術將與物聯網、大數據、人工智能等新一代信息技術深度融合，推動智慧農業向更高層次、更廣領域發展。同時，隨著數字孿生技術在智慧農業領域的廣泛應用，也將進一步促進農業與工業、服務業等領域的深度融合，推動農業產業轉型升級和可持續發展。

內容來源：阿里研究院農業行業觀察全網推薦

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智慧農業農業

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