陳楓, 孫傳恒, 邢斌, 羅娜, 劉海深. 農(nóng)業(yè)元宇宙：關(guān)鍵技術(shù)、應(yīng)用情景、挑戰(zhàn)與展望[J]. 智慧農(nóng)業(yè)(中英文), 2022, 4(4): 126-137. DOI: 10.12133/j.smartag.SA202206006

CHEN Feng, SUN Chuanheng, XING Bin, LUO Na, LIU Haishen. Agricultural Metaverse: Key Technologies, Application Scenarios, Challenges and Prospects[J]. Smart Agriculture, 2022, 4(4): 126-137. DOI: 10.12133/j.smartag.SA202206006

農(nóng)業(yè)元宇宙關(guān)鍵技術(shù)

元宇宙并不是一個(gè)新技術(shù),，而是多種信息技術(shù)的綜合集成應(yīng)用,。區(qū)塊鏈（Block Chain）技術(shù)和非同質(zhì)化代幣（Non-Fungible Token，NFT）技術(shù)具有去中心化和不可篡改性,，信息安全透明,，可為元宇宙構(gòu)建去中心化基礎(chǔ)設(shè)施提供支持。5G,、6G等移動(dòng)通信技術(shù)可以為連接設(shè)備提供可靠,、靈活和低延遲的網(wǎng)絡(luò)，為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸提供必要的動(dòng)力,。AI可為元宇宙中的“化身”賦予智能和學(xué)習(xí)能力,，為元宇宙的智能化提供推動(dòng)。物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things,，IoT）和三維重建（3D Reconstruction）等技術(shù)可以收集和提供來自物理世界的數(shù)據(jù),，為在計(jì)算機(jī)中建立表達(dá)客觀世界的虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）提供支撐,。以VR,、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）和混合現(xiàn)實(shí)（Mixed Reality,，MR）為代表的擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)（Extended Reality,，XR）技術(shù)可以將現(xiàn)實(shí)中的人們“傳送”至虛擬空間，為人們提供身臨其境的體驗(yàn),。

智慧農(nóng)業(yè)的興起預(yù)示著農(nóng)業(yè)領(lǐng)域正在與現(xiàn)代信息技術(shù)深度融合,。元宇宙與農(nóng)業(yè)的融合將會(huì)為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域帶來新的智能革命。目前,，農(nóng)業(yè)元宇宙還處于起步階段,。隨著元宇宙與農(nóng)業(yè)的深度融合以及元宇宙關(guān)鍵技術(shù)的突破,，農(nóng)業(yè)元宇宙將逐步提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率,，管理效率以及農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)，推動(dòng)農(nóng)業(yè)發(fā)展邁入新階段,。農(nóng)業(yè)元宇宙具有顯著的多學(xué)科交叉特點(diǎn),，由于農(nóng)業(yè)具有生物特性，直接將元宇宙技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域不能有效解決問題,。因此,，開展基于農(nóng)業(yè)特性的元宇宙交叉研究，將元宇宙技術(shù)與農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)原理深度融合,，是農(nóng)業(yè)元宇宙發(fā)展的重中之重,。目前，元宇宙中的部分關(guān)鍵技術(shù)已在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用，農(nóng)業(yè)元宇宙技術(shù)架構(gòu)如圖1所示,。

圖1 農(nóng)業(yè)元宇宙技術(shù)架構(gòu)圖

Fig.1 The framework of agricultural metaverse

1　農(nóng)業(yè)元宇宙基礎(chǔ)

1.1　區(qū)塊鏈與非同質(zhì)化代幣

區(qū)塊鏈?zhǔn)抢妹艽a學(xué),、分布式共識(shí)機(jī)制、智能合約等技術(shù)手段,，在無需互相信任的分布式系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)間實(shí)現(xiàn)去中心化點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交易,、協(xié)調(diào)和協(xié)作的全新的分布式基礎(chǔ)架構(gòu)和計(jì)算范式。區(qū)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(chǎng)景下,，以低成本的方式構(gòu)建信任基礎(chǔ),，重塑信用體系。元宇宙作為與現(xiàn)實(shí)世界映射和交互的虛擬世界,，必須具有可存續(xù)性,，不會(huì)因?yàn)槟硞€(gè)公司或政府的決策而消失。區(qū)塊鏈技術(shù)為元宇宙提供了理想的去中心化環(huán)境,，在去中心化數(shù)據(jù)傳輸,、存儲(chǔ)與管理等方面提供了一套完整的解決方案。

NFT是基于區(qū)塊鏈技術(shù)的非同質(zhì)化數(shù)字資產(chǎn),。具有不可分割性,、獨(dú)一無二性和高度透明性。目前已廣泛應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品追溯,、數(shù)字藏品,、游戲等領(lǐng)域。NFT通過將數(shù)字資產(chǎn)和唯一加密貨幣令牌進(jìn)行綁定,，使數(shù)字資產(chǎn)永久保存在區(qū)塊鏈上,。NFT還可將數(shù)字資產(chǎn)與實(shí)體商品進(jìn)行錨定，通過數(shù)字令牌的交易實(shí)現(xiàn)實(shí)體商品所有權(quán)的轉(zhuǎn)移,。此外,，區(qū)塊鏈技術(shù)和NFT技術(shù)在構(gòu)建元宇宙經(jīng)濟(jì)體系上也起到了關(guān)鍵性作用，參與者可通過數(shù)字資產(chǎn)的交易,、展覽等方式從虛擬經(jīng)濟(jì)中獲取利潤(rùn),。

區(qū)塊鏈技術(shù)和NFT技術(shù)目前主要應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品追溯領(lǐng)域，對(duì)農(nóng)產(chǎn)品追溯信息進(jìn)行鏈上存儲(chǔ),，保證追溯信息安全可信,。在農(nóng)業(yè)元宇宙中，區(qū)塊鏈技術(shù)和NFT技術(shù)是構(gòu)建農(nóng)業(yè)元宇宙底層金融架構(gòu)必不可少的一環(huán),，可使得農(nóng)業(yè)元宇宙中的虛擬農(nóng)產(chǎn)品獲得現(xiàn)實(shí)意義上的價(jià)值并實(shí)現(xiàn)價(jià)值的流通,。

1.2　5G與6G

5G是具有高速率,、低延遲和大連接等特點(diǎn)的新一代移動(dòng)通信技術(shù)。6G作為5G的必然演進(jìn)方向,，將具有更高的性能和更低的功耗,。要實(shí)現(xiàn)元宇宙的沉浸式體驗(yàn)，就要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)渲染,。數(shù)據(jù)的傳輸速率和延遲是影響參與者體驗(yàn)的關(guān)鍵因素,。

農(nóng)業(yè)元宇宙的構(gòu)建需要在農(nóng)田中部署大量傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，5G與6G可為農(nóng)業(yè)元宇宙提供高速率,、低延遲,、大連接的網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)。此外,，無線傳感網(wǎng)與5G和6G的結(jié)合將是大連接場(chǎng)景下農(nóng)業(yè)元宇宙實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ),。

1.3　人工智能

AI是指使機(jī)器能夠從經(jīng)驗(yàn)中學(xué)習(xí)并執(zhí)行各種任務(wù)的理論和技術(shù)，在自然語(yǔ)言處理,、計(jì)算機(jī)視覺和推薦系統(tǒng)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用,。AI是推動(dòng)元宇宙發(fā)展的重要一環(huán)，可以使得元宇宙世界中的“化身”更為逼真,，賦予他們學(xué)習(xí)人類語(yǔ)言和對(duì)話風(fēng)格的能力,，使其學(xué)會(huì)理解人類意圖并有效表達(dá)自我意圖。AI還可用于輔助元宇宙中用戶的決策,、管理,、服務(wù)問題。此外,，AI可以解決元宇宙中的語(yǔ)言問題,，使得使用不同語(yǔ)言的元宇宙參與者實(shí)現(xiàn)無障礙溝通。

AI主要應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品精準(zhǔn)信息服務(wù)和輔助決策等領(lǐng)域,。在農(nóng)業(yè)元宇宙中,，AI是農(nóng)業(yè)元宇宙的大腦，為農(nóng)業(yè)元宇宙提供智慧,，在農(nóng)業(yè)虛擬人物等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景,。

2　虛實(shí)交互

2.1　物聯(lián)網(wǎng)

IoT是一種將從不同種類的設(shè)備獲得的數(shù)據(jù)融合到現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施上的方法。其通過各類傳感器設(shè)備,、射頻識(shí)別技術(shù),、全球定位系統(tǒng)等裝置與技術(shù)實(shí)時(shí)采集各類信息,，通過各類網(wǎng)絡(luò)接入實(shí)現(xiàn)物與物,，人與人之間的廣泛連接。未來可通過IoT將現(xiàn)實(shí)世界的物體轉(zhuǎn)化為虛擬世界的智能“化身”,。IoT增強(qiáng)了元宇宙與現(xiàn)實(shí)世界的聯(lián)系,。

IoT目前在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)大棚、生鮮產(chǎn)銷和病害識(shí)別等領(lǐng)域均有應(yīng)用,。在農(nóng)業(yè)元宇宙中,，IoT負(fù)責(zé)采集現(xiàn)實(shí)世界的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)可以提高元宇宙虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界的一致性,，使其更加精準(zhǔn)地描述現(xiàn)實(shí)世界,，是農(nóng)業(yè)元宇宙獲取現(xiàn)實(shí)農(nóng)業(yè)狀態(tài)的主要途徑之一。

2.2　三維重建

三維重建是指在計(jì)算機(jī)中建立一個(gè)表達(dá)客觀世界三維物體的數(shù)學(xué)模型,，并可對(duì)其進(jìn)行處理,、操作和分析。三維重建目前已廣泛應(yīng)用于土木工程［,、城市重建,、文化遺產(chǎn)數(shù)字化等多個(gè)領(lǐng)域。對(duì)于虛擬世界的三維環(huán)境重建,，建筑物重建以及虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界的位置對(duì)應(yīng)具有重要意義,。

三維重建技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域主要應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品分級(jí)、產(chǎn)量預(yù)測(cè)和作物表型研究等領(lǐng)域,。在農(nóng)業(yè)元宇宙中,，三維重建技術(shù)可以為農(nóng)業(yè)元宇宙描述現(xiàn)實(shí)世界提供技術(shù)支持，可將現(xiàn)實(shí)世界的農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)提供給農(nóng)業(yè)元宇宙系統(tǒng),，是IoT數(shù)據(jù)采集的有力補(bǔ)充,。

2.3　云計(jì)算和邊緣計(jì)算

云計(jì)算即通過互聯(lián)網(wǎng)而不是計(jì)算機(jī)硬盤存儲(chǔ)和訪問數(shù)據(jù)和程序。邊緣計(jì)算則為在靠近數(shù)據(jù)源頭的一側(cè),，采用“存算一體化”的平臺(tái)就近提供端服務(wù),。

農(nóng)業(yè)元宇宙不可避免地會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，元宇宙的規(guī)模和完整性直接取決于現(xiàn)實(shí)世界的計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力,。云計(jì)算在成本,、穩(wěn)定性、安全性和效率方面具有極大的優(yōu)勢(shì),。此外,，邊緣計(jì)算的引入可以增強(qiáng)系統(tǒng)的處理能力，使得處理更靠近用戶,，元宇宙的體驗(yàn)更加流暢,。

在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，云計(jì)算和邊緣技術(shù)在害蟲識(shí)別和農(nóng)業(yè)決策領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,。農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)量大且多源異構(gòu),，云計(jì)算和邊緣計(jì)算是擴(kuò)展農(nóng)業(yè)元宇宙系統(tǒng)計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力的關(guān)鍵技術(shù)。

3　擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)

3.1　擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)

XR是AR,、VR,、MR等多種技術(shù)的統(tǒng)稱,，指的是由計(jì)算機(jī)技術(shù)和可穿戴設(shè)備產(chǎn)生的真實(shí)和虛擬結(jié)合的環(huán)境和人機(jī)交互。AR是一種將數(shù)字信息疊加在現(xiàn)實(shí)世界中的物體或地點(diǎn)上增強(qiáng)用戶體驗(yàn)的技術(shù),，具有結(jié)合現(xiàn)實(shí)和數(shù)字信息的能力,。VR通過計(jì)算機(jī)模擬虛擬環(huán)境從而給人以環(huán)境沉浸感，是一種完全沉浸式,、引人入勝的交互體驗(yàn),。參與者可以通過特殊的人機(jī)交互設(shè)備感受和觸摸虛擬對(duì)象，從而產(chǎn)生這些對(duì)象確實(shí)存在的感覺,。MR則通過在虛擬環(huán)境中引入現(xiàn)實(shí)環(huán)境的場(chǎng)景信息,，在虛擬世界、現(xiàn)實(shí)世界和用戶之間搭建起一個(gè)交互反饋的信息回路,，以增強(qiáng)用戶體驗(yàn)的真實(shí)感,。

農(nóng)業(yè)元宇宙要為用戶提供身臨其境的體驗(yàn)，XR技術(shù)是必不可少的,。XR技術(shù)可以為農(nóng)業(yè)元宇宙提供通往虛擬世界的門戶,，是農(nóng)業(yè)元宇宙的接入點(diǎn)。農(nóng)業(yè)元宇宙參與者可通過XR技術(shù)體驗(yàn)到農(nóng)旅休閑和虛擬種植等沉浸式元宇宙體驗(yàn),。

3.2　腦機(jī)接口

腦機(jī)接口指的是通過大腦活動(dòng)控制外部設(shè)備的硬件和軟件,。其通過在人或動(dòng)物的大腦與外部設(shè)備之間創(chuàng)建直接連接，實(shí)現(xiàn)大腦與設(shè)備的信息交換,。腦機(jī)接口可對(duì)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(yàn),。當(dāng)前所有的XR設(shè)備都依賴于屏幕和傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)，腦機(jī)接口則旨在完全取代屏幕和物理硬件,，實(shí)現(xiàn)面向消費(fèi)者的精神控制系統(tǒng),。使用戶獲得更具沉浸式的元宇宙體驗(yàn)。

因腦機(jī)接口技術(shù)成本和接受度問題,，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域,，腦機(jī)接口應(yīng)用還較少。未來在農(nóng)業(yè)元宇宙中,，腦機(jī)接口可作為XR技術(shù)的補(bǔ)充,，提供給農(nóng)業(yè)元宇宙用戶更高的體驗(yàn)。

4　農(nóng)業(yè)數(shù)字孿生與平行農(nóng)業(yè)

4.1　農(nóng)業(yè)數(shù)字孿生

數(shù)字孿生（Digital Twins,，DT）指的是以數(shù)字化方式在信息化平臺(tái)內(nèi)建立,、模擬一個(gè)物理實(shí)體、流程或系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為,。借助于數(shù)字孿生,，可以通過虛實(shí)交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析,、決策迭代優(yōu)化等手段在信息化平臺(tái)上了解物理實(shí)體的狀態(tài),，并對(duì)物理實(shí)體里預(yù)定義的接口元件進(jìn)行控制。這種物理世界與數(shù)字世界的綁定是構(gòu)建元宇宙的基礎(chǔ),，只有數(shù)字世界而無法與物理世界交互的元宇宙僅僅是一個(gè)“模型”,。此外，數(shù)字世界不僅可以表示物理世界的當(dāng)前狀態(tài),，也可基于物理世界的發(fā)展和虛實(shí)世界的交互去模擬過去狀態(tài)和預(yù)測(cè)未來狀態(tài),。

農(nóng)業(yè)中的物理系統(tǒng)或物理世界是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)環(huán)境，包括大氣,、土壤,、作物、農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備,、操作員和管理措施等多個(gè)層級(jí)的信息和特征,。通過溫度、土壤,、光照等農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備采集物理世界的實(shí)時(shí)信息,，通過物理世界的信息感知驅(qū)動(dòng)數(shù)字世界的融合建模。農(nóng)業(yè)數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示,。

圖2 農(nóng)業(yè)數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)圖

Fig. 2 The framework of digital twins for agriculture

農(nóng)業(yè)數(shù)字孿生系統(tǒng)的蓬勃發(fā)展有助于推動(dòng)農(nóng)業(yè)元宇宙的加速落地,。表1對(duì)一些農(nóng)業(yè)數(shù)字孿生系統(tǒng)進(jìn)行了總結(jié)整理，目前農(nóng)業(yè)數(shù)字孿生技術(shù)已在農(nóng)業(yè)的多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用,，其中在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛,。

表1 農(nóng)業(yè)數(shù)字孿生系統(tǒng)

Table 1 The digital twins system for agriculture

4.2　平行農(nóng)業(yè)

平行系統(tǒng)是指由某一個(gè)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)和對(duì)應(yīng)的一個(gè)或多個(gè)虛擬或理想的人工系統(tǒng)所組成的共同系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)虛擬和現(xiàn)實(shí)的結(jié)合,。平行系統(tǒng)通過整合人工社會(huì),，計(jì)算實(shí)驗(yàn)和平行執(zhí)行等方法， 形成新的計(jì)算研究體系,。其目的是基于人工系統(tǒng)（Artificial Systems,，A）、計(jì)算實(shí)驗(yàn) （Computational Experiments,，C）和平行執(zhí)行 （Parallel Execution,，P），即ACP方法,，解決難以建模,、難以解析、難以預(yù)測(cè)的復(fù)雜系統(tǒng),。

平行農(nóng)業(yè)是指通過在虛擬空間構(gòu)建人工農(nóng)業(yè)系統(tǒng)描述實(shí)際的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)問題,，并利用構(gòu)建出的人工農(nóng)業(yè)系統(tǒng)對(duì)未來發(fā)展進(jìn)行預(yù)估和優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)人工農(nóng)業(yè)系統(tǒng)與實(shí)際農(nóng)業(yè)系統(tǒng)兩者間持續(xù)的相互作用,、相互反饋和相互引導(dǎo),，指導(dǎo)農(nóng)業(yè)發(fā)展,，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。目前,，平行農(nóng)業(yè)已在植物生長(zhǎng)建模,、產(chǎn)量預(yù)測(cè)和智能決策等領(lǐng)域廣泛引用。

農(nóng)業(yè)數(shù)字孿生和平行農(nóng)業(yè)有相同之處但也存在側(cè)重點(diǎn)的區(qū)別,。農(nóng)業(yè)數(shù)字孿生和平行農(nóng)業(yè)均為解決信息、物理,、社會(huì)融合這一科學(xué)問題提供了新的解決思路,，且兩者都與先進(jìn)傳感采集、仿真,、高性能計(jì)算,、智能算法等的發(fā)展有著密不可分的關(guān)系。農(nóng)業(yè)數(shù)字孿生系統(tǒng)側(cè)重于針對(duì)機(jī)理明確的農(nóng)業(yè)系統(tǒng),，構(gòu)建農(nóng)業(yè)數(shù)字孿生系統(tǒng)通常需要人工構(gòu)建的虛擬農(nóng)業(yè)系統(tǒng)和實(shí)際物理農(nóng)業(yè)系統(tǒng)在狀態(tài)轉(zhuǎn)換,、觀測(cè)、控制的機(jī)理上相互對(duì)應(yīng),。而平行農(nóng)業(yè)可以對(duì)尚未明確機(jī)理的復(fù)雜農(nóng)業(yè)系統(tǒng)做出構(gòu)建和解釋,。

4.3　從農(nóng)業(yè)數(shù)字孿生和平行農(nóng)業(yè)到農(nóng)業(yè)元宇宙

農(nóng)業(yè)數(shù)字孿生和平行農(nóng)業(yè)通過構(gòu)建虛擬世界實(shí)現(xiàn)對(duì)物理世界的預(yù)測(cè)和控制，是農(nóng)業(yè)元宇宙的雛形,。但農(nóng)業(yè)數(shù)字孿生和平行農(nóng)業(yè)構(gòu)建的虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界相對(duì)獨(dú)立,，人在系統(tǒng)中處于輔助地位，無法沉浸于虛擬世界,。農(nóng)業(yè)元宇宙相比農(nóng)業(yè)數(shù)字孿生和平行農(nóng)業(yè),，更加注重參與人的體驗(yàn)和交互，關(guān)注參與人的沉浸感,，而不僅僅是實(shí)現(xiàn)對(duì)物理系統(tǒng)的虛擬化,。

未來農(nóng)業(yè)數(shù)字孿生和平行農(nóng)業(yè)還需結(jié)合VR、AR和MR等XR技術(shù),，增加數(shù)字世界與物理世界的交互,，結(jié)合區(qū)塊鏈和NFT等技術(shù)解決數(shù)據(jù)確權(quán)等難題，實(shí)現(xiàn)更高級(jí)的農(nóng)業(yè)元宇宙系統(tǒng),。