基于數(shù)字孿生的智慧農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王武英， 魏霖靜

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院， 蘭州 730070）

0 引言

在鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略背景下，隨著人工智能技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)字孿生等技術(shù)的發(fā)展，“智慧農(nóng)業(yè)”［1］新概念應(yīng)運(yùn)而生。 智慧農(nóng)業(yè)通過(guò)將上述新型技術(shù)與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)進(jìn)行深度融合，以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、保障農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全、降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益的雙贏發(fā)展為原則。 智慧農(nóng)業(yè)注重構(gòu)建以知識(shí)更新、技術(shù)創(chuàng)新、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)為一體的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展政策體系，注重建立層級(jí)更高、結(jié)構(gòu)更優(yōu)、持續(xù)性更好的智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展體系，注重建立靈敏高效的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)治理體系，開(kāi)啟農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展和現(xiàn)代化建設(shè)新局面。

從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)到現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型的主要驅(qū)動(dòng)力是新興技術(shù)的發(fā)展和在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展是使中國(guó)成為農(nóng)業(yè)強(qiáng)國(guó)的關(guān)鍵。 由于中國(guó)是人口大國(guó)、農(nóng)業(yè)大國(guó)，所以具有大量復(fù)雜多變、相互關(guān)聯(lián)的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)，但是對(duì)于農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的應(yīng)用目前還處于探索階段，在農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的應(yīng)用過(guò)程中存在農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)采集不完善、生產(chǎn)數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)等存在信息孤島、農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)反饋滯后等現(xiàn)象［2］。 針對(duì)上述農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中存在的缺點(diǎn)，本文采用數(shù)字孿生技術(shù)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析和融合，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的虛實(shí)結(jié)合、智能感知、可靠傳輸、精準(zhǔn)控制、直觀顯示，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)朝著數(shù)字化、智能化、精細(xì)化的方向發(fā)展。

為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中環(huán)境數(shù)據(jù)的有效利用，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程中環(huán)境因素系統(tǒng)全面的監(jiān)控和調(diào)節(jié)［3］，本文將數(shù)字孿生技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融入到農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程中環(huán)境監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于數(shù)字孿生技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)從下到上包括了孿生感知層、農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)源層、數(shù)字孿生層、孿生應(yīng)用層、孿生交互層等模塊，實(shí)現(xiàn)了面向智慧農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)的物理實(shí)體和業(yè)務(wù)邏輯層面的全面融合連接，打造了動(dòng)態(tài)感知、協(xié)同高效、可視化交互的現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)新模式。

1 基礎(chǔ)理論及概念

1.1 數(shù)字孿生技術(shù)

數(shù)字孿生技術(shù)的原型可以追溯到2003年由美國(guó)密歇根大學(xué)的Grieves 教授主講的產(chǎn)品全生命周期管理課程，當(dāng)時(shí)以“鏡像空間模型”［4］指代數(shù)字孿生技術(shù)，主要是指利用數(shù)字化技術(shù)，將現(xiàn)實(shí)物理實(shí)體映射到虛擬空間中以構(gòu)建出一個(gè)虛擬實(shí)體的孿生技術(shù)。 從而在數(shù)字空間中利用物理實(shí)體的特征信息完全模擬出物理實(shí)體各方面的數(shù)字特性信息。 隨后美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）2010年在一份航天技術(shù)資料文件中正式提出了“數(shù)字孿生”的概念［5］，并且將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于航空航天飛行器的全生命周期制造過(guò)程當(dāng)中，對(duì)飛行器運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行全面的技術(shù)診斷和故障預(yù)測(cè)，以確保飛行器的安全穩(wěn)定運(yùn)行。自此之后，廣大學(xué)者對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用展開(kāi)了研究，從工業(yè)設(shè)計(jì)、智慧控制、智慧城市、產(chǎn)品生命周期管理等多領(lǐng)域進(jìn)行了深入研究和分析。 在這些領(lǐng)域的應(yīng)用都是采用數(shù)字化方法克隆出物理實(shí)體的數(shù)字孿生模型，同時(shí)結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)數(shù)字孿生模型進(jìn)行分析，以達(dá)到擴(kuò)展物理實(shí)體屬性的目的。

數(shù)字孿生技術(shù)的特征［6］包括：

（1）動(dòng)態(tài)映射。 數(shù)字孿生中的物理實(shí)體和數(shù)字空間的虛擬實(shí)體進(jìn)行實(shí)時(shí)鏈接和動(dòng)態(tài)映射。

（2）實(shí)時(shí)性。 數(shù)字空間虛擬實(shí)體的狀態(tài)隨著物理實(shí)體的狀態(tài)而進(jìn)行變化，同時(shí)數(shù)字空間虛擬實(shí)體可對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。

（3）外延性。 數(shù)字孿生技術(shù)可對(duì)數(shù)字空間的虛擬實(shí)體進(jìn)行集成、替換、修改等操作，能夠?qū)Χ喑叨?、多物理、多層?jí)的數(shù)字模型進(jìn)行外延擴(kuò)展。

（4）克隆性。 數(shù)字空間的虛擬實(shí)體是現(xiàn)實(shí)物理實(shí)體的真實(shí)反映，在特征、狀態(tài)、樣式等參數(shù)方面是物理實(shí)體的精確克隆。

數(shù)字孿生技術(shù)為智慧農(nóng)業(yè)的高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展提供了新的思路和途徑，在智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，廣大學(xué)者以數(shù)字孿生等新型技術(shù)為依托，以農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)融合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)發(fā)出集農(nóng)業(yè)種植、過(guò)程管理與分析決策為一體的可視化平臺(tái)［7］，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的感知、設(shè)備的控制、作物生長(zhǎng)過(guò)程的監(jiān)控和相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、高效分析與反饋，對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全過(guò)程的數(shù)字化管理、智能化決策、可視化交互具有重要意義。

1.2 數(shù)字孿生與物聯(lián)網(wǎng)融合技術(shù)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)和信息系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)每天以指數(shù)級(jí)形式增長(zhǎng)［8］，這些數(shù)據(jù)通常具有來(lái)源多樣、結(jié)構(gòu)各異、存儲(chǔ)分散等特征，導(dǎo)致數(shù)據(jù)以區(qū)域自治而難以共享，出現(xiàn)信息孤島等現(xiàn)狀，數(shù)據(jù)深層次價(jià)值沒(méi)有得到有效挖掘和應(yīng)用。數(shù)字孿生技術(shù)的出現(xiàn)為信息系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的融合發(fā)展提供了技術(shù)接口和數(shù)據(jù)支撐，基于現(xiàn)實(shí)物理實(shí)體的基本特征信息，在數(shù)字空間中克隆一個(gè)完整的虛擬實(shí)體，實(shí)時(shí)地與物理實(shí)體進(jìn)行動(dòng)態(tài)映射，在數(shù)字空間中通過(guò)建模、驗(yàn)證、預(yù)測(cè)、控制物理實(shí)體，不斷將實(shí)體信息反饋到可視化監(jiān)控系統(tǒng)中并且對(duì)實(shí)體信息參數(shù)進(jìn)行更新調(diào)節(jié)，加快物理實(shí)體信息和虛擬實(shí)體信息的融合發(fā)展，打破數(shù)據(jù)割裂現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效利用。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)在各領(lǐng)域的落地應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)［9］，為數(shù)字孿生技術(shù)的迭代優(yōu)化提供了重要的實(shí)現(xiàn)途徑，對(duì)其技術(shù)應(yīng)用價(jià)值實(shí)現(xiàn)了有效的擴(kuò)展，對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用的生命周期進(jìn)行了延伸，體現(xiàn)了數(shù)字孿生技術(shù)在模型映射、數(shù)據(jù)優(yōu)化等方面的應(yīng)用價(jià)值和優(yōu)勢(shì)，為數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展提供了新的途徑和思想。 Orbis Research 研究報(bào)告［10］中提到，截止到2022年有75%的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)將不同程度集成了數(shù)字孿生技術(shù)。 物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性因引用了數(shù)字孿生技術(shù)而得到了有效的降低，因數(shù)字孿生技術(shù)集成了由智能傳感器（如智能監(jiān)控、紅外線設(shè)備、RFID、集群傳感器）采集的大量物理實(shí)體數(shù)據(jù)信息，并將其動(dòng)態(tài)映射到更易于分析、理解和展示的虛擬克隆體中。

利用數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)物理實(shí)體的全面動(dòng)態(tài)感知是數(shù)字空間孿生的前提和基礎(chǔ)，應(yīng)用數(shù)字空間映射技術(shù)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)地描述、分析、預(yù)測(cè)其物理實(shí)體的行為，實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體空間和數(shù)字虛擬空間的交互映射。 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過(guò)射頻識(shí)別、紅外感應(yīng)、傳感器采集、視頻監(jiān)控等方式為現(xiàn)實(shí)物理世界的全面動(dòng)態(tài)感知提供了數(shù)據(jù)支撐。 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)現(xiàn)實(shí)物理世界的信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)感知和處理，利用數(shù)字孿生技術(shù)可以對(duì)這些實(shí)體信息進(jìn)行分析、優(yōu)化、整理和展示。實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和數(shù)字孿生技術(shù)的有效無(wú)縫銜接，使數(shù)據(jù)流資產(chǎn)在其整個(gè)生命周期內(nèi)具有可追溯性和動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)性。

2 數(shù)字孿生環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于數(shù)字孿生的智慧農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境以及各種物理實(shí)體在真實(shí)場(chǎng)景中全生命周期通過(guò)傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)、人工智能等技術(shù)映射到虛擬空間數(shù)字世界中，通過(guò)將多維物理實(shí)體數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)分析和三維仿真等技術(shù)［11］，在虛擬數(shù)字世界中實(shí)時(shí)呈現(xiàn)農(nóng)作物生長(zhǎng)外部環(huán)境參數(shù)信息、設(shè)備狀態(tài)信息、農(nóng)作物生長(zhǎng)狀態(tài)信息等，為及時(shí)調(diào)整外部環(huán)境、控制設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、調(diào)節(jié)作物生長(zhǎng)過(guò)程等提供理論依據(jù)。 基于數(shù)字孿生的智慧農(nóng)業(yè)環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 基于數(shù)字孿生的智慧農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig. 1 Architecture of intelligent agricultural environmental monitoring system based on digital twins

2.1 孿生感知層

孿生感知層是整個(gè)智慧農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的底層部分，承擔(dān)著農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)采集的任務(wù)，為上層的正常運(yùn)行提供數(shù)據(jù)保障。 在孿生感知層通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的射頻識(shí)別（RFID）、紅外感應(yīng)器、集群傳感器、視頻監(jiān)控、空調(diào)／照明等設(shè)備來(lái)采集農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)（光照、溫濕度、水分、空氣、土壤養(yǎng)分、風(fēng)速風(fēng)向等），并對(duì)所采集的環(huán)境數(shù)據(jù)做初步預(yù)處理（整理、識(shí)別、清洗等），通過(guò)各類傳感設(shè)備對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境要素進(jìn)行動(dòng)態(tài)感知和實(shí)時(shí)監(jiān)控及反饋，實(shí)現(xiàn)全方位、全要素、全過(guò)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集和分析。

農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境復(fù)雜多變，其所采集的數(shù)據(jù)也具有數(shù)據(jù)源多樣、結(jié)構(gòu)各異、位置分散、噪聲復(fù)雜等特點(diǎn)，對(duì)此需要在數(shù)據(jù)孿生層通過(guò)高精度分布式智能傳感器搭建智能感知網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)要對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、識(shí)別、結(jié)構(gòu)化等處理，確保所感知的數(shù)據(jù)能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)反映農(nóng)作物的生長(zhǎng)需要。 由于環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中對(duì)于農(nóng)作物種植最重要的信息是農(nóng)田整體環(huán)境和天氣環(huán)境，因此環(huán)境信息通過(guò)對(duì)熱力傳感器和天氣數(shù)據(jù)的整合，當(dāng)作物生長(zhǎng)環(huán)境條件超出生長(zhǎng)極限條件時(shí)，通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行智能調(diào)控或通過(guò)人工干預(yù)的方式，確保作物生長(zhǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)在合理的范圍內(nèi)。

2.2 農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)源層

基于數(shù)字孿生的智慧農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要以農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)，以數(shù)字孿生技術(shù)為支撐，所以數(shù)據(jù)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，對(duì)于環(huán)境數(shù)據(jù)的分析和處理就顯得格外重要。 農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)源層作為孿生感知層數(shù)據(jù)來(lái)源的集合，主要以農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的監(jiān)測(cè)和管理為主要目標(biāo)，將孿生感知層數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析和融合加工處理。 數(shù)據(jù)源信息主要包括對(duì)光照檢測(cè)、溫濕度監(jiān)測(cè)、水分監(jiān)測(cè)、空氣監(jiān)測(cè)、土壤監(jiān)測(cè)和養(yǎng)分監(jiān)測(cè)等環(huán)境信息，并將這些信息轉(zhuǎn)換為易管理、易存儲(chǔ)、易分析的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)（如SQL Server 等）中，實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的智能化分析和實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，滿足對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)所需各類環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)整合和分布式存儲(chǔ)要求，實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通和共享，滿足多樣化的農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境監(jiān)控服務(wù)，有效解決傳統(tǒng)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境要素單一、信息反饋滯后、數(shù)據(jù)孤島等問(wèn)題，為促進(jìn)農(nóng)作物的健康生長(zhǎng)提供環(huán)境保障和決策分析。

2.3 數(shù)字孿生層

數(shù)字孿生層在整個(gè)系統(tǒng)中處于中間層，起到承上啟下的作用，不僅通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)空間、設(shè)備、流程、環(huán)境等信息要素進(jìn)行空間建模，還通過(guò)三維建模技術(shù)對(duì)上述空間建模信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及分析，并通過(guò)3D 圖形可視化技術(shù)進(jìn)行展示和統(tǒng)計(jì)?？梢暬缑嬉匀碌姆绞綄?duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)3D 效果展示，使用戶能夠沉浸式體驗(yàn)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的各種狀態(tài)，能夠?qū)崟r(shí)掌握農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)指標(biāo)，同時(shí)數(shù)字孿生層對(duì)各類環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)設(shè)置預(yù)警值，當(dāng)參數(shù)指標(biāo)超過(guò)預(yù)警值時(shí)通過(guò)智能調(diào)節(jié)功能對(duì)環(huán)境要素進(jìn)行智能化調(diào)節(jié)。 如土壤水分是土壤肥力的重要組成部分，是植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要影響因素，土壤水分也是研究農(nóng)作物正常生長(zhǎng)的重要參數(shù)，所以對(duì)環(huán)境中水量的調(diào)節(jié)是農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境調(diào)節(jié)的重要組成部分。

數(shù)字孿生層與智能控制系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，能夠?qū)ψ魑锷L(zhǎng)的遠(yuǎn)程環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制，并對(duì)其環(huán)境參數(shù)進(jìn)行智能化分析和精細(xì)化管理。 通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)歷史環(huán)境數(shù)據(jù)和當(dāng)前環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行模型更新、修正和完善，使模型正確反映當(dāng)前環(huán)境數(shù)據(jù)的狀態(tài)，并通過(guò)可視化技術(shù)對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化管理，再對(duì)不同區(qū)域的環(huán)境狀態(tài)信息，趨勢(shì)變化等進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)評(píng)估。 為優(yōu)化土壤結(jié)構(gòu)，監(jiān)測(cè)優(yōu)化效果提供決策依據(jù)，確保農(nóng)作物增產(chǎn)增收。

2.4 孿生應(yīng)用層

孿生應(yīng)用層作為業(yè)務(wù)應(yīng)用的延伸，反映了數(shù)字孿生系統(tǒng)對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的響應(yīng)及決策。 通過(guò)對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)時(shí)映射現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境作物生長(zhǎng)狀況及環(huán)境參數(shù)，同時(shí)根據(jù)數(shù)字孿生體的反饋結(jié)果對(duì)環(huán)境要素做出相應(yīng)的決策和調(diào)整。 其決策包含根據(jù)作物生長(zhǎng)狀況調(diào)節(jié)光照、溫濕度、空氣、土壤養(yǎng)分等并對(duì)灌溉進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和流動(dòng)人員進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)系統(tǒng)進(jìn)行可視化展示和對(duì)比分析。 通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)的模型決策管理，不僅能以沉浸式的方式體驗(yàn)不同環(huán)境下作物的生長(zhǎng)狀況，還能輔助管理人員進(jìn)行智能化分析和科學(xué)化決策，從而為作物健康生長(zhǎng)提供調(diào)節(jié)措施。

2.5 孿生交互層

孿生交互層在于為使用者提供良好的沉浸式體驗(yàn)人機(jī)交互接口，使用者能夠擁有身臨其境般的感覺(jué)并且迅速掌握系統(tǒng)的功能和性能，同時(shí)獲得分析和決策的相關(guān)信息。 在孿生交互層主要包括領(lǐng)導(dǎo)駕駛艙、園區(qū)控制中心、可視化大屏、手機(jī)APP 等模塊，通過(guò)領(lǐng)導(dǎo)駕駛艙實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并控制農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程中的各種環(huán)境因素，并通過(guò)反饋機(jī)制直接將指令信息傳送到園區(qū)控制中心。 園區(qū)控制中心通過(guò)智能化技術(shù)實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的監(jiān)控和調(diào)節(jié)以及指令的下發(fā)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程化管理和操作。 可視化大屏主要包括數(shù)據(jù)的可視化和模型的可視化。 其中，數(shù)據(jù)可視化實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)化、多角度、多層次顯示，反映了作物環(huán)境的發(fā)展變化規(guī)律；模型可視化對(duì)作物的生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行高保真的模擬和顯示，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備狀態(tài)、作物生長(zhǎng)狀態(tài)的動(dòng)態(tài)交互和全方位顯示。 手機(jī)遠(yuǎn)程控制是智慧農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的另一便捷控制方式，通過(guò)手機(jī)客戶端，可以遠(yuǎn)程查看作物環(huán)境數(shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行情況，還可以進(jìn)行分析，方便靈活管理。

3 可視化交互

基于數(shù)字孿生的智慧農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)依托可視化技術(shù)全方位立體化展示農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程以及外界環(huán)境因素，為智慧農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)提供實(shí)時(shí)化、精細(xì)化、智能化管理服務(wù)。 通過(guò)數(shù)字孿生模型以農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程的全域環(huán)境要素、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、作物動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)情況為基礎(chǔ)，形成以農(nóng)作物環(huán)境數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)、全域動(dòng)態(tài)感知、智能協(xié)同、仿真優(yōu)化為支撐的體系結(jié)構(gòu)，以三維建模技術(shù)和數(shù)字孿生技術(shù)為智慧農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)展示提供了可視化接口，實(shí)現(xiàn)了相關(guān)業(yè)務(wù)運(yùn)行狀態(tài)的直觀化展示，確保智慧農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)全域感知、以虛控實(shí)的智能管理。

在可視化交互過(guò)程中通過(guò)獲取農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)，以三維建模技術(shù)為支撐，構(gòu)建以空間數(shù)字孿生模型、設(shè)備數(shù)字孿生模型、流程數(shù)字孿生模型和環(huán)境數(shù)字孿生模型為基礎(chǔ)的三維模型，結(jié)合數(shù)字孿生及三維可視化等技術(shù)，形成了基于數(shù)字孿生技術(shù)的三維可視化智慧農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。 系統(tǒng)能夠直觀展示農(nóng)作物生長(zhǎng)的環(huán)境因素、智能設(shè)備的運(yùn)行狀況、流程控制狀態(tài)等相關(guān)模型信息及分析數(shù)據(jù)，并能使用這些數(shù)據(jù)通過(guò)三維建模技術(shù)高保真表達(dá)物理實(shí)體信息的狀態(tài)信息。 智慧農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可視化示例如圖2 所示。

圖2 智慧農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)可視化系統(tǒng)Fig. 2 Intelligent agricultural environment monitoring visualization system

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以智慧農(nóng)業(yè)高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展為目的，以數(shù)字孿生技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為支撐，構(gòu)建了基于數(shù)字孿生的智慧農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。 通過(guò)對(duì)系統(tǒng)中孿生感知層、農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)孿生層、孿生應(yīng)用層、孿生交互層的詳細(xì)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程中外界環(huán)境因素和農(nóng)作物生長(zhǎng)狀態(tài)的動(dòng)態(tài)感知和實(shí)時(shí)映射。 通過(guò)對(duì)物理實(shí)體在數(shù)字虛擬空間的克隆復(fù)現(xiàn)，并通過(guò)三維可視化技術(shù)對(duì)環(huán)境因素和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等進(jìn)行實(shí)時(shí)展示和控制，為調(diào)整環(huán)境參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)提供科學(xué)依據(jù)和控制手段。 開(kāi)展基于數(shù)字孿生的智慧農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程的智能化、數(shù)字化、精細(xì)化、可視化管理具有重要意義和應(yīng)用價(jià)值。