智慧农业实景三维动态监测系统

随着新一代信息技术飞速融入传统产业，农业数字化、网络化、智能化逐步成为农业现代化发展的基石。依托云计算、5G、物联网等技术，部署于农业生产现场的各种传感节点和通信网络，实现农业生产环境的智能感知、智能预警、智能决策、智能分析等功能。结合当前乡村振兴战略等契机，为农业生产提供精准化保障、高质量运营水平、智能化决策支撑。

由三维仿真场景，结合高清视频监控系统、精准农业传感网络系统、无线网络传输系统四部分组成，实现数字监控全方位覆盖，多种设备及多种技术相结合的安全防范管理系统，为农场提供先进、快捷、行之有效的科技管理手段，以更直观、更透明的展示方式，提高生产质量和管理规范。

针对目前农场多模态信息展示直观性差和农场内“人机工况、作物健康、产品质量”等多模态信息主动感知与识别技术获取的数据缺少整合分析等现状，通过数字孪生技术，形成数据展示方案，打造智慧农业数字孪生平台。　

1.数字孪生系统架构

感知层：感知层主要包括物理实体中搭载先进物联网技术的各类新型基础设施。

数据层：数据层主要包括保证运算准确性的高精度的数据采集、保证交互实时性的高速率数据传输、保证存取可靠性的全生命周期数据管理。

运算层：运算层是数字孪生体的核心，其充分借助各项先进关键技术实现对下层数据的利用，以及对上层功能的支撑。

功能层：功能层是数字变生体的直接价值体现，实现系统认知、系统分析、故障诊断、预测推演功能，从而起到辅助决策作用。系统认知，数字孪生体能够真实描述及呈现物理实体的状态，它是实现数字孪生体其它高级和智能化功能的基础。系统分析可实现数字孪生体的状态监测功能，发挥对物理实体的早期预警作用。故障诊断，通过分析物理实体的运行状态，了解现象背后的原因。预测推演，是利用仿真技术来预见物理实体未来的状态演变，从而指导当前的运行决策。

应用层：应用层是面向各类场景的数字孪生体的最终价值体现，具体表现为不同行业的各种产品，能够明显推动各行各业的数字化转型。

2.数字孪生系统的典型特征

等价映射：数字孪生体是对物理实体的等价描述，是对物理实体进行数字化而松建的模型数字孪生体的变化能够真实反映现实世界中的物理实体的变化。数字孪生体能够实现双向映射、数据连接和状态交互，起到“数化”、“保真”效果。

实时交互：基于实时传感等多元数据的获取，孪生体可全面、精准、动态反映物理对象的状态变化，包括外观、性能、位置、异常等。“实时”体现数字孪生体所处状态是物理实体状态的实时虚拟映射;“交互”体现数字孪生体与物理实体间存在数据及指令互动。

共生演进：“共生”体现在数字孪生体与物理实体同步构建，在全生面周期中相互依存，孪生体随着孪生对象的生长而不断演变。共智体现在三个层面:孪生体与孪生对象间共享智慧(包括:数据、算法)、孪生体内部各种孪生模型间共享智慧、不同生命周期阶段的孪生体间共享智慧。

预测优化：根据物理实体的各项真实数据，通过数字孪生体进行仿真，实现对物理实体未来状态的预测，预先知晓未来状态能够辅助用户做出更合理的决策。根据物理实体的实时运行状态，通过数字孪生体进行监测，实现对系统不稳定状态的预测，预先觉察即将可能发生的不稳定状态，使用户更从容地处理该问题。

建立数字孪生体的最终目的，是通过描述物理实体集合内在机理，分析规律、洞察趋势，基于分析与仿真对物理世界形成优化指令或策略，实现对物理实体决策优化功能的闭坏。根据数字孪生的典型特征，可以得出数字孪生的体系架构。

3.智慧农业实景三维动态监测系统功能

（1）数字孪生技术可以帮助农民更加精细地设计和规划农田。通过收集和分析相关的农业数据，如土壤质量、水源情况和气候条件等，数字孪生技术可以构建出农田的数字化模型。农民可以利用这个模型模拟不同的种植方案，并预测其对农作物生长的影响。这不仅有助于农民做出更加科学和有效的决策，而且可以提高农田的利用率和产量。

（2）数字孪生技术在农业生产过程中发挥着关键的作用。通过使用传感器和物联网技术，可以收集大量的农田数据，如土壤湿度、温度和光照强度等。这些数据可以与数字孪生模型进行对比，以实时监测植物的生长情况和健康状态。数字孪生技术能够及时发现潜在的问题，并帮助农民采取相应的措施，从而减少损失和提高农业生产效益。

（3）数字孪生技术还可以优化农业供应链管理。通过整合不同环节的数据，如种植、收获、加工和销售等，数字孪生技术可以提供实时的供应链可视化和优化方案。这有助于减少资源浪费和成本，提高产品的质量和安全性。优化供应链管理不仅可以提高农业生产的效率，而且有助于增强农产品的市场竞争力。

（4）数字孪生技术在农业教育和培训领域也具有广泛的应用前景。通过虚拟现实技术，学生和农民可以在模拟的农田环境中学习和实践各种农业技术和技能。数字孪生技术提供的虚拟实践机会不仅可以降低实地实践的成本和风险，而且可以提高学习和培训的效率和效果。