數(shù)字孿生技術在植物保護領域的應用研究綜述

摘 要：旨在探討數(shù)字孿生技術在植物保護領域的應用與潛力。數(shù)字孿生技術通過創(chuàng)建作物及環(huán)境的虛擬模型，實現(xiàn)對其生長環(huán)境和健康狀況的實時監(jiān)控與分析。概述了數(shù)字孿生技術在植物保護中的應用發(fā)展現(xiàn)狀，包括國內(nèi)外在智慧農(nóng)業(yè)和精準農(nóng)業(yè)管理方面的應用實例;詳細闡述了數(shù)字孿生在植物保護過程中的應用技術在數(shù)據(jù)采集與集成、模型構(gòu)建、虛擬仿真與分析、實時監(jiān)控與決策支持，以及預測與風險管理等方面的具體方法。這一技術在提高作物產(chǎn)量、保障食品安全和減少環(huán)境影響方面具有優(yōu)勢，同時面臨著一些挑戰(zhàn)和巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

關鍵詞：數(shù)字孿生; 植物保護; 智慧農(nóng)業(yè); 可持續(xù)發(fā)展

中圖分類號：S431.9"""""" 文獻標識碼：A""""" 文章編號：1002-204X（2024）08-0022-04

doi：10.3969/j.issn.1002-204x.2024.08.005

A Review on Application of Digital Twinning Technology in Plant Protection

Lu Junjie1， Sun Zhu2， Lu Daixing1，2*， Xue Xinyu2

（1.School of Mechanical Engineering， Shanghai University of Applied Technology， Shanghai 201418; 2.Nanjing Institute of Agricultural Mechanization， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Nanjing， Jiangsu 210014）

Abstract It aims at exploring the application and potential of digital twin technology in the field of plant protection. By creating virtual models of crops and their environment， digital twin technology can realize real-time monitoring and analysis of their growing environment and health status. The application and development status of digital twin technology in plant protection are summarized， including application examples in smart agriculture and precision agriculture management at home and abroad. The application of digital twin technology in plant protection process is described in detail in data acquisition and integration， model construction， virtual simulation and analysis， real-time monitoring and decision support， as well as prediction and risk management. This technology has advantages in improving crop yields， ensuring food safety and reducing environmental impact， while facing some challenges and great potential for development.

Key words Digital twins; Plant protection; Smart agriculture; Sustainable development

2021年，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部印發(fā)《“十四五”全國農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展規(guī)劃》，提出要大力推動農(nóng)業(yè)機械化與智能信息技術相融合。近年來無人植保機械、智能植保機械得到大力發(fā)展。農(nóng)業(yè)元宇宙加速形成虛實互動的智能制造新模式，提升農(nóng)業(yè)價值創(chuàng)造，重構(gòu)數(shù)字農(nóng)業(yè)發(fā)展新生態(tài)，推動農(nóng)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)向未來高級形態(tài)發(fā)展[1]。作為元宇宙核心技術之一的數(shù)字孿生技術是一種通過創(chuàng)建物理實體的虛擬模型以實現(xiàn)實時監(jiān)控、分析和優(yōu)化的技術，正逐漸成為工業(yè)和農(nóng)業(yè)領域創(chuàng)新的重要驅(qū)動力[2]。數(shù)字孿生作為一種集數(shù)字化、可視化、實時交互、追溯性、可靠性及高度適應性于一體的物理實體虛擬映射，其影響力貫穿于構(gòu)思、設計、實施、運維至退役的整個生命周期，展現(xiàn)了在不同階段的廣泛應用價值與潛力[3]。物理模型為虛擬模型提供數(shù)據(jù)驅(qū)動，虛擬模型為物理模型提供決策支持，極大提升了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的智能化水平。數(shù)字孿生原理如圖1所示[4]。

在植物保護領域，病蟲害的防治、作物生長環(huán)境的監(jiān)控，以及農(nóng)業(yè)資源的合理分配等問題一直是研究和實踐的重點。然而，傳統(tǒng)的植物保護方法往往依賴經(jīng)驗判斷和有限的實地數(shù)據(jù)，這在面對復雜多變的農(nóng)業(yè)環(huán)境時效率低下。因此，如何利用現(xiàn)代技術提高植物保護的效率和準確性，已成為亟待解決的問題。數(shù)字孿生技術以其高精度的模擬能力和強大的數(shù)據(jù)分析能力，為解決上述問題提供了新的視角[5]。通過構(gòu)建作物的數(shù)字孿生模型，可以在虛擬環(huán)境中模擬作物生長的全過程，實時監(jiān)測作物健康狀況，預測病蟲害的發(fā)生，并優(yōu)化植物保護策略。

本文旨在探討數(shù)字孿生技術在植物保護過程中的應用潛力，分析其在病蟲害監(jiān)測、作物生長模擬、資源管理等方面的優(yōu)勢，并展望其在未來農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展中的作用。通過對數(shù)字孿生技術與植物保護結(jié)合的深入研究，期望為農(nóng)業(yè)領域帶來革命性的變革，提高作物產(chǎn)量，保障食品安全，同時減少對環(huán)境的不良影響。

1 數(shù)字孿生技術在植物保護中的應用發(fā)展現(xiàn)狀

在中國，數(shù)字孿生技術正逐漸成為推動智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要力量。政府在政策層面給予大力支持，如將數(shù)字孿生技術納入“十四五”規(guī)劃，并在智能制造、智慧城市等領域進行推廣應用[6]。張瀠心等[7]提出基于數(shù)字孿生的虛實互操作雙旋翼植保無人機的研發(fā)，提高了植保作業(yè)的精準性和安全性。顧生浩等[8]提出基于信息物理融合思想的作物數(shù)字孿生系統(tǒng)，通過作物生產(chǎn)系統(tǒng)全要素、全過程的交互融合，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展展現(xiàn)出強勁勢頭。

此外，數(shù)字孿生技術作為農(nóng)業(yè)數(shù)字化的綜合性設計框架，成功整合了從種植、生產(chǎn)到市場營銷的全鏈條信息，構(gòu)建了一套完備的農(nóng)業(yè)信息化生態(tài)系統(tǒng)，為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型鋪設了堅實的基石。中國聯(lián)通黑龍江省分公司運用創(chuàng)新的數(shù)字孿生技術，有效整合了農(nóng)業(yè)資源，構(gòu)建了先進的數(shù)字孿生植物工廠，同時利用無人機傾斜攝影技術生成高精度3D農(nóng)田地圖，推動實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理的精細化，為促進農(nóng)業(yè)智能化的深度轉(zhuǎn)型與升級注入了新的活力與動力。

相較于國內(nèi)在數(shù)字孿生領域相對較短的研究歷程，國外的研究工作起步更早，歷經(jīng)了較為漫長的發(fā)展階段[9]。諸多科技先進的國家在該領域的探索之路，為后繼者提供了寶貴的經(jīng)驗教訓，一些發(fā)達國家利用該技術進行精準農(nóng)業(yè)管理，通過模擬作物生長模型和病蟲害發(fā)生模式，實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的精確控制和優(yōu)化[10]。近年來，這種融合趨勢愈發(fā)明顯，二者交匯點的增多，預示著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與數(shù)字孿生技術的協(xié)同效應正在逐步增強。

2 數(shù)字孿生在植物保護過程中的應用技術

植物保護系統(tǒng)數(shù)字孿生技術的核心要素涉及建模技術、仿真分析、物聯(lián)網(wǎng)集成以及可視化展示。構(gòu)建數(shù)字孿生體本質(zhì)上依賴于先進的建模與仿真技術、虛擬制造工藝以及數(shù)字原型開發(fā)方法，并深度融合數(shù)據(jù)科學策略，旨在廣泛采集現(xiàn)實世界中的海量數(shù)據(jù)，以促成這一高性能鏡像系統(tǒng)的運作[11]。

數(shù)字孿生技術在植物保護過程中的應用框架是基于中央處理器設計了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，應用于植物保護過程中。系統(tǒng)通過各種傳感器和采集設備，實時獲取溫度、濕度、圖像以及氣象等多種數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)處理、存儲后的可視化展示以及在線控制。系統(tǒng)整體架構(gòu)圖如圖2所示。

2.1 數(shù)據(jù)采集與集成

數(shù)據(jù)采集主要是通過各種物聯(lián)網(wǎng)傳感器采集到數(shù)據(jù)后，經(jīng)過通信設備上傳到云服務器后利用Mysql數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)管理與集成。

張寶運等[9]通過部署土壤濕度傳感器等設備，實時采集作物生長環(huán)境和健康狀況數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括溫度、濕度、光照情況等，為數(shù)字孿生模型提供輸入?yún)?shù)。黃志艷等[12]將機械動力學傳感器、環(huán)境傳感器串聯(lián)在CAN總線上進行數(shù)據(jù)傳輸，然后由ARM微處理器進行數(shù)據(jù)收集處理。杜娟娟等[13]通過構(gòu)建包括RFID技術、紅外傳感器、光纖傳感器、激光傳感器的感知控制層，Zigbee、GPRS等網(wǎng)絡的網(wǎng)絡傳輸層，基礎平臺、應用平臺、應用系統(tǒng)的服務應用層進行數(shù)據(jù)采集管理。

綜上，該系統(tǒng)結(jié)合張寶運、黃志艷等人的方法，利用各種物聯(lián)網(wǎng)傳感器設備采集數(shù)據(jù)，將傳感器串聯(lián)到IIC總線上進行數(shù)據(jù)傳輸，并且利用onenet物聯(lián)網(wǎng)云平臺、Mysql數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)集成管理。

2.2 數(shù)字孿生模型構(gòu)建

基于云端服務器基礎設施支撐，對從農(nóng)業(yè)傳感器收集到的各數(shù)據(jù)進行預處理與整合，涵蓋了從土壤濕度、養(yǎng)分含量到氣象參數(shù)等多個維度[14]。王紅軍等[15]利用Unity3D仿真平臺搭建果園虛擬交互系統(tǒng)，實現(xiàn)虛擬仿真。

數(shù)字孿生模型可視化監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)，通過比較UG、SolidWorks等建模軟件，選定3D Studio MAX構(gòu)建物理溫室模型以及模型優(yōu)化[16]，并借助Thingjs平臺進行數(shù)字孿生平臺的可視化[17]。以農(nóng)業(yè)植保領域溫室大棚為例，建模步驟如下：①利用3D Studio Max軟件進行3D模型建立以及模型渲染、貼圖;②通過Thingjs物聯(lián)網(wǎng)3D可視化開發(fā)平臺進行場景、設備數(shù)據(jù)實時顯示、項目發(fā)布等，最終實現(xiàn)溫室數(shù)字孿生平臺[17]。

2.3 虛擬仿真與云平臺

利用數(shù)字孿生模型，在高度逼真的虛擬環(huán)境中搭建云平臺進行實時監(jiān)控。因為農(nóng)業(yè)領域特殊的地理環(huán)境，在本地搭建服務器的難度較大，受當?shù)鼐W(wǎng)絡環(huán)境、氣候等因素影響較大，并且技術人員維護成本較高。

因此，基于信息物理融合的思想選擇通過與物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)設備的集成，將采集到的數(shù)據(jù)利用onenet平臺“上云”，數(shù)據(jù)信息實時顯示在UI界面，并且可以進行遠程控制，實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)領域的精細化管理與監(jiān)控。在線農(nóng)業(yè)控制云平臺如圖3所示。該控制系統(tǒng)包括實時溫、濕度數(shù)據(jù)展示，并且集成天氣信息，幫助用戶預測并準備應對惡劣天氣條件。該農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)還可以選擇進行遠程控制燈光、風扇、專用空調(diào)、遮陽棚等農(nóng)業(yè)大棚設備，進行遠程監(jiān)控，方便進行農(nóng)業(yè)管理。

基于數(shù)字孿生模型與云平臺，數(shù)字孿生技術與農(nóng)業(yè)自動化設備相結(jié)合，通過通信網(wǎng)絡設備、云平臺實現(xiàn)智能控制。可以根據(jù)實時土壤濕度和天氣預報，調(diào)節(jié)灌溉系統(tǒng)以及溫、濕度系統(tǒng)[18]。通過風險評估，提前采取預防措施，減少損失。

3 結(jié)論與展望

本文闡述了數(shù)字孿生技術在植物保護過程中的應用，通過構(gòu)建信息物理融合的可視化數(shù)字孿生模型，以及搭建云平臺在線控制系統(tǒng)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對作物生長環(huán)境的實時監(jiān)控，還能通過精準模擬和大數(shù)據(jù)分析，在線控制各個植保設備，優(yōu)化植物保護策略[19]。

數(shù)字孿生技術在植物保護領域展現(xiàn)出巨大潛力，但它的廣泛應用仍面臨一些挑戰(zhàn)，如數(shù)據(jù)采集的全面性和準確性、模型的復雜性和實時處理能力等。未來，仍需進一步加強技術研發(fā)，提高設備數(shù)據(jù)采集的精度，打通數(shù)字孿生模型與云平臺通信，進行一體化監(jiān)控與控制，同時需要加大政策支持力度，推動數(shù)字孿生技術在更廣泛農(nóng)業(yè)領域的應用。

數(shù)字孿生技術在植物保護中的應用前景廣闊。這一技術的應用將對國家經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展作出貢獻[20]。從政策支持到實際應用案例，都證明了其在提升作物產(chǎn)量、保障食品安全，以及減少環(huán)境影響方面的重要作用。隨著技術的不斷成熟和創(chuàng)新，數(shù)字孿生技術最終將會促進農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

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責任編輯：周慧