基于数字孪生的智慧农业云服务关键技术研究.pdf

浙江万里学院学报 2022年9月 基于数字孪生的智慧农业云服务关键技术研究 郑蕾娜 1 王易玄 1 刘美玲 1 潘铁军 2 1 浙江万里学院 浙江 宁波 315100 2 宁波财经学院 浙江 宁波 315000 摘 要 智慧农业是指使用地理信息系统 全球定位系统 遥感 自动化 计算机 通讯和网络等数字化技术对农业 生产 管理 经营 流通 服务等领域进行数字化设计 可视化表达和智能化控制 以达到合理利用农业资源 降低 生产成本 改善生态环境等目的 区域数字农业发展水平不平衡已成为数字浙江和乡村振兴全面发展必须跨越的 障碍 数字孪生技术将能够帮助农业应对这一挑战 文章提出通过新一代无人机倾斜摄影建立农田的实景三维模 型 通过人工智能进行田块 水渠 沟壑的识别和标注 从而建立智慧农业的数据座舱 然后通过移动互联网 APP 微信端 智能物联网 RFID 传感器 摄像头 和云计算技术 海量农业数据的处理和存储 搭建智慧农业云服务平 台 通过虚幻引擎将生态 健康食品和农业观光旅游需求与线上趣味性游戏场景融合 将个性化需求转化为农产 品订单 打造线上线下一体化的体验式农业 关 键 词 智慧农业 数字孪生 云服务 物联网 无人机 中图分类号 S24 文献标识码 A 文章编号 1671 2250 2022 05 0084 07 收稿日期 2021 11 20 基金项目 浙江省基础公益研究计划项目 LGF20G020002 浙江省哲学社会科学规划课题 22NDJC126YB 宁波市公益性科 技计划项目 2021S070 宁波市民营经济研究中心课题 NZKT201630 宁波市民营经济研究中心课题 NZKT2011518 宁波 市科技创新2025重大专项 2020Z008 省级大学生创新创业训练项目 S202110876001X 作者简介 郑蕾娜 1981 女 辽宁朝阳人 浙江万里学院商学院副教授 研究方向 数字经济 管理工程 Journal of Zhejiang Wanli University 浙江万里学院学报 第23卷 第6期 Vo1 23 No 6 2010年11月 November 2010 35 5 Vo1 35 No 5 2022 年 9 月 September 2022 0 引言 智慧农业是指使用地理信息系统 全球定位系统 遥感 自动化 计算机 通讯和网络等数字化技术对 农业生产 管理 经营 流通 服务等领域进行数字化设计 可视化表达和智能化控制 以达到合理利用农 业资源 降低生产成本 改善生态环境等目的 精准农业和虚拟农业是智慧农业的核心 2021年中央一号 文件也指出要全面推进乡村振兴同时要加快农业农村现代化 国家发展和改革委员会 关于推进 上云用 数赋智 行动 中多次提及的 数字孪生 是实现精准农业和虚拟农业的关键基础技术之一 将促进农业智 慧化转型 目前 区域数字农业农村发展水平不平衡已成为数字浙江和乡村振兴全面发展必须跨越的障碍 数 字孪生技术将能够帮助农业应对这一挑战 按照 十四五 规划和2035年远景目标纲要的要求 到 2025 年 浙江省将实现乡村网络体系全覆盖 将建成 数字三农 协同应用平台 推广生产 流通 监管等核心业 务数字化应用 宁波致力于构建产业三大数字乡村服务平台 包括产业服务数字化平台 数字田园 数字 牧场 数字渔场 智能农机等 治理服务数字化平台 乡村一张图 村务管理 资源资产管理 乡村智慧党 建环境治理服务 垃圾分类监测等 民生服务数字化平台 村庄信息发布 乡情纽带系统 村务服务系统 三农科教服务 乡村微商城 乡村农旅服务等 基于智慧农业对数字孪生技术的强烈需求 本文将研究基 于三维实景建立智慧农村数字孪生模型 建立智能化 一体化云服务平台 进行 360 度的数字呈现 并融 合高精度的卫星数据进行多方位分析 实现共享共赢的农业现代化发展模式 1 84 DOI 10 13777 ki issn1671 2250 2022 05 015 第5期 1 数字孪生农业发展现状分析 国内外学者对数字孪生技术的研究主要集中在工业领域 随着新一代无人机和新一代人工智能技术 的发展 它在智慧农业中的应用日益增多 用户借助数字孪生系统可以轻松地访问田地 森林或种植园的 数字地图 包括从表型微小特征到森林资源清查的测量能力 国外 巴斯夫公司在全球的农业站点中进行数千项研究试验 以测量产品在不同田间气候条件下的 性能 还配备多光谱传感器的无人机 用于自动化和优化现场数据收集 从而实时观察植物是怎样适应环 境条件的 它对数公顷的试验点进行绘图并分析 利用云平台自动向量化地理参考微图 生成每块样地的 生物数据和作物行为 IBM全力构造全球农场虚拟模型 数字孪生子 以揭示与环境有关的信息 帮助预 测未来将会发生什么 卫星和远程传感器能够捕获农户需要了解的各种数据 从土壤的化学成分到即将 到来的风暴 再到设备故障 这些数据可以帮助农户进行决策 政府也可以借助这些数据指定政策 食品 分销商可以用它来监控农作物 医疗健康组织可以更早地收到干旱或虫害预警 所有这些数据都存储在 任何人都可以访问的云平台上 2 国内 浙江省政府加快推进 三农 数字化改革 并在农业数字孪生中注 入了工业化基因 推动种 养 玩跨界融合 多场景探索数字化应用 如图 1 所示为智能鱼塘的养 玩跨境 融合场景 该方案通过物联网对接线下鱼塘全场景全生命周期管理 线上对接电商渠道和直播系统 将众 筹水产养殖与文旅游玩 绿色健康消费和宠物养成游戏等商业模式相结合 打造了数字孪生农业的元宇 宙场景 2 基于数字孪生的智慧农业系统设计和关键技术 基于数字孪生的智慧农业云服务考虑到系统的可靠性 可重用性和可扩展性而采用了基于 Spring Cloud的微服务架构 并采用 ThingsBoard 平台的组件和API大大缩短开发时间和工作量 系统功能包括 智慧农业 移动互联网应用 iApp 智慧农业 智能物联应用 iSensor 智慧农业 云服务 iCloud 智慧农 业 大数据分析系统 iData 系统设计如下 图 1 数字孪生鱼塘养 玩融合场景 郑蕾娜 王易玄 刘美玲 等 基于数字孪生的智慧农业云服务关键技术研究 85 浙江万里学院学报 2022年9月 2 1 功能模块 2 1 1 移动互联系统 iApp iApp实现线上QQ农场的功能与线下智慧农场的融合 包括在线农场直播 采摘和加工直播 农作物 在线种植 家禽领养 池塘认购 产品预售 订单转让等功能 同时 实现智慧农场微信公众服务号功能 便 于发布公告和活动 分享推广 土地租赁和农场投资 提供掌上耕作服务 2 1 2 智能物联系统 iSensor 通过物联网技术实现实时视频监控 土壤数据监测 水体成分检测和空气温湿 度检测 从而支持种植方式定制 无农药 残留 无公害养殖 土壤改良 在监控中心 可结合农场平面图直观显示农业生产现 场的气象数据 土壤数据 以及各种农机 设备运行状态 实现种 肥 药 水等要素 精细调控 包括 气象数据 空气温度 空气湿度 光照 时长 光照强度 降雨量 风速 风向 二氧 化碳浓度等 土壤数据 土壤温度 土壤含水率 土 壤张力 土壤pH值 土壤EC值等 设备状态 灯光状态 卷帘状态 水泵 压力 阀门状态 水表流量等 实时监控 通过360 视频监控设备以 及高清照相机对农业生产现场进行实时 监控 对作物生长情况进行远程查看 可 根据设定 对视频进行录像 随时回放 自动控制 采用全智能化设计的远程 控制系统 用户设定监控条件后 可完全 自动化运行 远程控制生产现场的各种农 用设施和农机设备 快速实现自动化灌 图 2 基于 ThingsBoard的智慧农业数字孪生系统 图 3 现实版 QQ农场 86 第5期 溉 以及智能化温室大棚建设 2 1 3 云服务系统 iCloud iCloud通过手机APP 微官网 微商城以及 C2F B2B2C 社群电商系统等多种途径在云端实现智慧农 场所提供的各项业务功能 满足远程直播 自动控制 土地租赁 产品预售 品牌加盟的需要 打造线上线 下互动 虚拟游戏与现实体验融合的美丽乡村自由行 通过云服务 可对比查看多个农场的数据情况 也可查看单个园区数据情况 可按日 周 月等时间段 或自定义时间段查看数据报表 支持excel表格导出 图片导出和报表打印 方便人员管理和绩效考核 2 1 4 大数据分析系统 iData 将政府开放的公共数据 行业数据和iCloud 系统收集的农场数据相融合 包括数据采集 预处理 存 图 4 智慧农场物联网监控系统 图 5 智慧农场云服务 郑蕾娜 王易玄 刘美玲 等 基于数字孪生的智慧农业云服务关键技术研究 87 浙江万里学院学报 2022年9月 储 传输 分析 为C2F B2B2C垂直电商系统提供数据分析和决策支持 帮助智慧农场运营商从 系统设 备 服务 的商业模式逐步向 基于大数据运营的多样化可定制增值服务 商业模式转变 2 2 关键技术 系统通过新一代无人机倾斜摄影建立农田的实景三维模型 并通过人工智能技术进行田块 水渠 沟 壑的识别和标注 从而建立智慧农业的数据座舱 然后通过移动互联网 APP 微信端 智能物联网 RFID 传感器 摄像头 和云计算技术 海量农业数据的处理和存储 搭建智慧农业云服务平台 通过虚 幻引擎将生态 健康食品和农业观光旅游需求与线上趣味性游戏场景融合 将个性化需求转化为农产品 订单 打造线上线下一体化的体验式农业平台 其中的关键技术如下 2 2 1 基于多传感器信息融合的智慧农业感知技术 随着科技的迅速发展 物联网在农业上的应用会越来越广泛 在农业上的应用也朝着微小型 可靠 性 节能型 环境适应性 低成本 智能化方向发展 目前面向农业生产单项指标的传感器技术已经比较成 熟 但在多项指标信息融合方面还存在一定的困难 因为传感器采集的频率 时序和单位都有很大差异 如何整合各类异构信息进行快速处理以实时响应自动控制 线上线下互动的需要是智慧农场场景革命的 关键技术 2 2 2 基于数字孪生的虚拟农业增强现实技术 AR在数字孪生农业中有着丰富的应用潜力 Pok mon GO游戏是一款对现实世界中出现的宝可梦 进行探索捕捉 战斗以及交换的游戏 满足了人们的收集 探索 升级甚至社交的全方位需求 本项目借鉴 其增强现实技术 把虚拟和现实结合在一起 增强智慧农场的趣味性和体验感 如手机相机实现 AR 功 图 6 多信息融合大数据分析系统 生态农庄群落 生态信息发布方 政务信息公布方 生态食品消费群落 多渠道接入 系统门户接口层 探索平台 信息服务平台 用户管理平台 交易平台 支付平台 发布模块 搜索模块 产品模块 注册模块 登录模块 商情模块 商情目录模块 公司信息模块 联系我们模块 个人信息模块 密码修改模块 产品目录模块 事务管理 消息管理 日志管理 系统监控 日志管理 借口管理 资源管理 共享数据库 共享资源库 基础数据库 基础技术体系 体系结构 标准规范 指南 基 础 资 源 层 基 础 平 台 层 应 用 服 务 层 操作系统 应用服务 计算机网络 数据库管理系统 防火墙 88 第5期 能 偷菜过程中会出现震动感 让 线上偷菜 和线下实景结合 偷菜过程惊险刺激 精灵出现在范围内的 震动让人浑身一震 兴奋不已 使 线上线下偷菜 都乐趣无穷 对接 AR 腕表 智能眼镜进一步增加游戏 体验感和趣味性 2 2 3 基于C2F B2B2C的精准农业大数据分析技术 基于大数据的商业智能挖掘服务以民生工程为导向 对智慧农业产生的海量数据进行智能挖掘 提 供农情分析 作物分析 产量分析 订单分析 行情预测 将规模巨大但相互割裂的 零散消费需求整合起 来 形成整体 精准 规律 可操作的规模订单给工厂 然后引入交易商 通过 B2B2C 分销体系进行销售 这对稳定农业企业的市场环境 有效保护消费者权益 推进供给侧结构性改革 以及挖掘和扩大市场需求 等 均具有积极深远的作用和意义 2 2 4 基于低空遥感和无人机的多信息融合技术 基于卫星遥感 无人机 激光雷达 物联网等手段构建天空地全覆盖的智慧农业数字孪生平台 通过 数据融合 利用算法模型及深度学习技术不断优化升级数字孪生模型精度 为农业供应链金融提供更为 精准信息服务 助力农业宏观调控 农事智慧管理 提供全产业链的智慧农业高端解决方案 本文使用大 疆无人机经纬 M300 RTK进行智慧农业高精度地图测绘 并将点云数据导入大疆智图生成三维模型 然 后导入UE4进行实时渲染 再将物联网采集的农作物信息通过POI技术加载到三维模型上实现智慧农 业精细化 虚拟化管理 3 总结与展望 本文提出了数字孪生农业的解决方案 并采用新一代信息技术解决了传统农业存在的数字孤岛问 题 弥合了城乡数字鸿沟 构建了智慧农业云服务平台 将提升中国农业农村数字化水平 在乡村振兴和 数字信息基础设施的支持下 加快推动数字孪生技术在智慧农业领域的应用 促进数字农业和新一代信 息技术产业行业的全面深入融合发展 是推进和实施农业农村经济数字化发展战略的重要保障 对于促 进我国农业农村数字经济发展 提高地区农业农村现代化程度具有重要的意义 3 农业农村部信息中心发 布了 2020 全国县域数字农业农村发展水平评价报告 从发展环境 基础支撑 信息消费 生产信息化 经营信息化 乡村治理信息化 服务信息化等7个维度衡量全国县域数字农业农村发展总体水平 报告认 为 该总体水平有待提高 新一代数字孪生技术的进步和新兴 元宇宙 相关技术的演化 将有力促进传统 农业在数字经济产业层面的数字化转型 基于数字孪生的智慧农业将有助于从省级或区域层面测度数字 经济发展规模和科学刻画中国农业农村数字经济发展时空演变规律 4 参考文献 1 胡根生 吴问天 罗菊花 等 结合HJ卫星影像和最小二乘孪生支持向量机的小麦蚜虫遥感监测 J 浙江大学学报 农业与生 命科学版 2017 2 211 219 2 佚名 数字孪生 物理世界与数字世界的融合 J 航空动力 2019 4 55 3 王志强 盖素丽 崔彦军 等 基于数字孪生与区块链的智慧农业系统研究 J 河北省科学院学报 2021 1 66 73 4 郑蕾娜 潘铁军 基于 3G的虚拟企业关键技术研究 J 浙江万里学院学报 2006 2 28 31 郑蕾娜 王易玄 刘美玲 等 基于数字孪生的智慧农业云服务关键技术研究 89 浙江万里学院学报 2022年9月 Research on Key Technologies of Intelligence Agriculture Cloud Service Based on Digital Twin ZHENG Leina 1 WANG Yixuan 1 LIU Meiling 1 PAN Tiejun 2 1 Zhejang Wanli University Ningbo Zhejiang 315100 2 Ningbo University of Finance Economics Ningbo Zhejiang 315000 Abstract Smart agriculture refers to the use of digital technologies such as geographic information system global positioning system remote sensing automation computer communication and network to carry out digital design visual expression and intelligent control in the fields of agricultural production management operation circulation and services so as to achieve the purposes of rational utilization of agricultural resources reducing production costs and improving the ecological environment The unbalanced development level of regional digital agriculture has become an obstacle that must be overcome for the revitalization and all round development of digital Zhejiang and rural areas while digital twin technology will help agriculture meet this challenge This paper proposes to establish the real three dimensional model of farmland through the tilt photography of the new generation UAV and identify and label the fields canals and gullies through artificial intelligence so as to establish the data cabin of intelligent agriculture The smart agricultural cloud service platform through mobile internet APP WeChat intelligent internet of things RFID sensors and cameras and cloud computing technology processing and storage of massive agricultural data could be built The experience agriculture platform integrating online and offline could be established by integrating ecology healthy food and agricultural tourism needs with online interesting game scenes through an illusory engine and converting personalized needs into agricultural product orders Key Words smart agriculture digital twin cloud service internet of things UAV 责任编辑 高伟云 90