农业元宇宙：关键技术、应用情景、挑战与展望

2022 年 12 月 第 4 卷 第 4 期 智 慧 农 业 （ 中 英 文 ） Smart Agriculture Dec. 2022 Vol. 4, No. 4
doi ： 10.12133/j.smartag.SA202206006
农 业 元 宇 宙 ： 关 键 技 术 、 应 用 情 景 、 挑 战 与 展 望

1 ， 2 1 ， 2 1 ， 2 1 ， 2 1 ， 3
陈 枫 ， 孙 传 恒 ， 邢 斌 ， 罗 娜 ， 刘 海 深
（1. 国 家 农 业 信 息 化 工 程 技 术 研 究 中 心 ， 北 京 100097 ； 2. 农 产 品 质 量 安 全 追 溯 技 术 及 应 用 国 家 工 程 研 究 中 心 ，
北 京 100097 ； 3. 数 字 植 物 北 京 市 重 点 实 验 室 ， 北 京 100097 ）
摘 要 ： 元 宇 宙 这 一 新 兴 概 念 受 到 了 产 、 学 、 研 各 界 的 广 泛 关 注 。 农 业 与 元 宇 宙 的 结 合 将 极 大 地 推 动 农 业
信 息 化 和 智 能 化 发 展 ， 为 农 业 智 能 化 转 型 升 级 提 供 新 动 能 。 为 深 入 分 析 元 宇 宙 在 农 业 领 域 的 应 用 研 究 可 行
性 ， 本 文 首 先 分 析 了 农 业 元 宇 宙 的 概 念 ， 以 及 区 块 链 、 非 同 质 化 代 币 、5G/6G 、 人 工 智 能 、 物 联 网 、 三 维 重
建 、 云 计 算 、 边 缘 计 算 和 扩 展 现 实 等 元 宇 宙 农 业 应 用 的 关 键 技 术 。 接 着 讨 论 了 元 宇 宙 在 虚 拟 农 场 、 农 业 教
学 系 统 和 农 产 品 追 溯 系 统 三 个 农 业 应 用 领 域 的 主 要 情 景 ， 最 后 总 结 了 农 业 元 宇 宙 面 临 的 系 统 建 立 、 通 信 基
础 、 硬 件 设 备 和 运 营 等 方 面 的 主 要 挑 战 ， 并 展 望 了 未 来 的 发 展 方 向 。 本 文 可 为 元 宇 宙 在 农 业 的 应 用 研 究 提
供 指 导 。
关 键 词 ： 农 业 元 宇 宙 ； 区 块 链 ； 扩 展 现 实 ； 数 字 孪 生 ； 平 行 农 业 ； 虚 拟 农 场 ； 农 产 品 追 溯 系 统 ； 农 业 教 学 系 统
中 图 分 类 号 ： TP391.9 ； F49 文 献 标 志 码 ： A 文 章 编 号 ： SA202206006
引 用 格 式 ： 陈 枫, 孙 传 恒, 邢 斌, 罗 娜, 刘 海 深 . 农 业 元 宇 宙: 关 键 技 术 、 应 用 情 景 、 挑 战 与 展 望[J]. 智 慧 农 业( 中
英 文), 2022, 4(4): 126-137.
CHEN Feng, SUN Chuanheng, XING Bin, LUO Na, LIU Haishen. Agricultural metaverse: Key technologies, appli ‐
cation scenarios, challenges and prospects[J]. Smart Agriculture, 2022, 4(4): 126-137. (in Chinese with English ab ‐
stract)
具 体 到 农 业 领 域 ， 随 着 互 联 网 、 大 数 据
1 引 言
（Big Data ） 、 云 计 算 （Cloud Computing ） 、 人 工
元 宇 宙 （Metaverse ） 在 世 界 范 围 内 掀 起 一
智 能 （Artificial Intelligence ，AI ） 等 现 代 信 息 技
股 热 潮 ， 行 业 专 家 们 将 2021 年 称 为 “ 元 宇 宙 元
术 与 农 业 的 深 度 融 合 ， 农 业 的 智 能 革 命 已 经 到
［1 ］
年 ” 。2021 年 3 月 ， 元 宇 宙 第 一 股 Roblox 在 美
［4 ］
来 。 农 业 元 宇 宙 技 术 将 有 机 整 合 农 业 生 产 的 物
国 上 市 。10 月 ，Facebook 更 名 为 Meta ， 希 望 被
理 实 体 和 数 字 空 间 ， 提 供 虚 实 结 合 的 仿 真 平 台 和
［2 ］
视 为 一 家 元 宇 宙 公 司 。 国 内 来 看 ， 腾 讯 、 百
沉 浸 式 的 设 计 仿 真 环 境 ， 有 望 为 农 业 智 能 化 转 型
度 、 阿 里 、 字 节 跳 动 等 企 业 也 在 不 断 布 局 元 宇 宙
升 级 提 供 新 动 能 。 本 文 介 绍 了 元 宇 宙 及 其 关 键 技
相 关 产 业 。 与 此 同 时 ， 三 大 通 信 运 营 商 （ 中 国 移
术 在 农 业 领 域 的 应 用 、 农 业 元 宇 宙 的 应 用 情 景 ，
动 、 中 国 联 通 和 中 国 电 信 ） 也 宣 布 成 立 国 内 首 家
［3 ］
阐 述 了 农 业 元 宇 宙 还 将 面 临 的 挑 战 ， 同 时 提 出 了
元 宇 宙 行 业 协 会 ， 元 宇 宙 这 一 新 兴 概 念 受 到 了
产 、 学 、 研 各 界 的 广 泛 关 注 。 对 农 业 元 宇 宙 未 来 发 展 趋 势 的 设 想 ， 为 元 宇 宙 在
收 稿 日 期 ：2022-06-20
基 金 项 目 ： 国 家 自 然 科 学 基 金 面 上 项 目 （31871525 ）
作 者 简 介 ： 陈 枫 （1994 － ） ， 男 ， 博 士 研 究 生 ， 研 究 方 向 为 农 业 元 宇 宙 。E-mail ：[e-mail]

通 信 作 者 ： 孙 传 恒 （1978 — ） ， 男 ， 研 究 员 ， 博 士 ， 研 究 方 向 为 农 产 品 追 溯 。E-mail ： [e-mail]. 4, No. 4 陈 枫 等 ： 农 业 元 宇 宙 ： 关 键 技 术 、 应 用 情 景 、 挑 战 与 展 望
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农 业 领 域 的 发 展 提 供 参 考 。
2 农 业 元 宇 宙 关 键 技 术
元 宇 宙 并 不 是 一 个 新 技 术 ， 而 是 多 种 信 息 技
［5 ］
术 的 综 合 集 成 应 用 。 区 块 链 （Block Chain ） 技
术 和 非 同 质 化 代 币 （Non-Fungible Token ，NFT ）
技 术 具 有 去 中 心 化 和 不 可 篡 改 性 ， 信 息 安 全 透
明 ， 可 为 元 宇 宙 构 建 去 中 心 化 基 础 设 施 提 供 支
图 1 　 农 业 元 宇 宙 技 术 架 构 图
持 。5G 、6G 等 移 动 通 信 技 术 可 以 为 连 接 设 备 提
Fig.1 The framework of agricultural metaverse
供 可 靠 、 灵 活 和 低 延 迟 的 网 络 ， 为 实 时 数 据 传 输
能 合 约 等 技 术 手 段 ， 在 无 需 互 相 信 任 的 分 布 式 系
提 供 必 要 的 动 力 。AI 可 为 元 宇 宙 中 的 “ 化 身 ”
统 节 点 间 实 现 去 中 心 化 点 对 点 交 易 、 协 调 和 协 作
赋 予 智 能 和 学 习 能 力 ， 为 元 宇 宙 的 智 能 化 提 供 推
［6 ］
的 全 新 的 分 布 式 基 础 架 构 和 计 算 范 式 。 区 块 链
动 。 物 联 网 （Internet of Things ，IoT ） 和 三 维 重
具 有 去 中 心 化 、 不 可 篡 改 、 公 开 透 明 和 合 约 自 治
建 （3D Reconstruction ） 等 技 术 可 以 收 集 和 提 供
等 特 性 ， 能 够 在 多 利 益 主 体 参 与 的 场 景 下 ， 以 低
来 自 物 理 世 界 的 数 据 ， 为 在 计 算 机 中 建 立 表 达 客
［7 ］
成 本 的 方 式 构 建 信 任 基 础 ， 重 塑 信 用 体 系 。 元
观 世 界 的 虚 拟 现 实 （Virtual Reality ，VR ） 提 供
宇 宙 作 为 与 现 实 世 界 映 射 和 交 互 的 虚 拟 世 界 ， 必
支 撑 。 以 VR 、 增 强 现 实 （Augmented Reality ，
须 具 有 可 存 续 性 ， 不 会 因 为 某 个 公 司 或 政 府 的 决
AR ） 和 混 合 现 实 （Mixed Reality ，MR ） 为 代 表
策 而 消 失 。 区 块 链 技 术 为 元 宇 宙 提 供 了 理 想 的 去
的 扩 展 现 实 （Extended Reality ，XR ） 技 术 可 以
中 心 化 环 境 ， 在 去 中 心 化 数 据 传 输 、 存 储 与 管 理
将 现 实 中 的 人 们 “ 传 送 ” 至 虚 拟 空 间 ， 为 人 们 提
等 方 面 提 供 了 一 套 完 整 的 解 决 方 案 。
供 身 临 其 境 的 体 验 。
NFT 是 基 于 区 块 链 技 术 的 非 同 质 化 数 字 资
智 慧 农 业 的 兴 起 预 示 着 农 业 领 域 正 在 与 现 代
［8 ］
产 。 具 有 不 可 分 割 性 、 独 一 无 二 性 和 高 度 透 明
信 息 技 术 深 度 融 合 。 元 宇 宙 与 农 业 的 融 合 将 会 为
［9 ］
性 。 目 前 已 广 泛 应 用 于 农 产 品 追 溯 、 数 字 藏
农 业 领 域 带 来 新 的 智 能 革 命 。 目 前 ， 农 业 元 宇 宙
［10 ］
品 、 游 戏 等 领 域 。NFT 通 过 将 数 字 资 产 和 唯
还 处 于 起 步 阶 段 。 随 着 元 宇 宙 与 农 业 的 深 度 融 合
一 加 密 货 币 令 牌 进 行 绑 定 ， 使 数 字 资 产 永 久 保 存
以 及 元 宇 宙 关 键 技 术 的 突 破 ， 农 业 元 宇 宙 将 逐 步
［11 ］
在 区 块 链 上 。NFT 还 可 将 数 字 资 产 与 实 体 商
提 高 农 业 生 产 效 率 ， 管 理 效 率 以 及 农 产 品 品 质 ，
品 进 行 锚 定 ， 通 过 数 字 令 牌 的 交 易 实 现 实 体 商 品
推 动 农 业 发 展 迈 入 新 阶 段 。 农 业 元 宇 宙 具 有 显 著
所 有 权 的 转 移 。 此 外 ， 区 块 链 技 术 和 NFT 技 术
的 多 学 科 交 叉 特 点 ， 由 于 农 业 具 有 生 物 特 性 ， 直
在 构 建 元 宇 宙 经 济 体 系 上 也 起 到 了 关 键 性 作 用 ，
接 将 元 宇 宙 技 术 应 用 于 农 业 领 域 不 能 有 效 解 决 问
参 与 者 可 通 过 数 字 资 产 的 交 易 、 展 览 等 方 式 从 虚
题 。 因 此 ， 开 展 基 于 农 业 特 性 的 元 宇 宙 交 叉 研
拟 经 济 中 获 取 利 润 。
究 ， 将 元 宇 宙 技 术 与 农 业 基 础 原 理 深 度 融 合 ， 是
区 块 链 技 术 和 NFT 技 术 目 前 主 要 应 用 于 农
农 业 元 宇 宙 发 展 的 重 中 之 重 。 目 前 ， 元 宇 宙 中 的
产 品 追 溯 领 域 ， 对 农 产 品 追 溯 信 息 进 行 链 上 存
部 分 关 键 技 术 已 在 农 业 领 域 应 用 ， 农 业 元 宇 宙 技
储 ， 保 证 追 溯 信 息 安 全 可 信 。 在 农 业 元 宇 宙 中 ，
术 架 构 如 图 1 所 示 。
区 块 链 技 术 和 NFT 技 术 是 构 建 农 业 元 宇 宙 底 层
2.1 　 农 业 元 宇 宙 基 础 　
金 融 架 构 必 不 可 少 的 一 环 ， 可 使 得 农 业 元 宇 宙 中
的 虚 拟 农 产 品 获 得 现 实 意 义 上 的 价 值 并 实 现 价 值
2.1.1 　 区 块 链 与 非 同 质 化 代 币 　
区 块 链 是 利 用 密 码 学 、 分 布 式 共 识 机 制 、 智 的 流 通 。智 慧 农 业 （ 中 英 文 ） Smart Agriculture Vol. 4, No. 4
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［23 ］ ［24 ］ ［25 ］
2.1.2 　5G 与 6G 　 在 农 业 大 棚 、 生 鲜 产 销 和 病 害 识 别 等
5G 是 具 有 高 速 率 、 低 延 迟 和 大 连 接 等 特 点
领 域 均 有 应 用 。 在 农 业 元 宇 宙 中 ，IoT 负 责 采 集
［12 ］
的 新 一 代 移 动 通 信 技 术 。6G 作 为 5G 的 必 然 演
现 实 世 界 的 农 业 数 据 ， 利 用 这 些 数 据 可 以 提 高 元
［13 ］
进 方 向 ， 将 具 有 更 高 的 性 能 和 更 低 的 功 耗 。
宇 宙 虚 拟 世 界 与 现 实 世 界 的 一 致 性 ， 使 其 更 加 精
要 实 现 元 宇 宙 的 沉 浸 式 体 验 ， 就 要 实 现 数 据 的 实
准 地 描 述 现 实 世 界 ， 是 农 业 元 宇 宙 获 取 现 实 农 业
时 渲 染 。 数 据 的 传 输 速 率 和 延 迟 是 影 响 参 与 者 体
状 态 的 主 要 途 径 之 一 。
验 的 关 键 因 素 。
2.2.2 　 三 维 重 建 　
农 业 元 宇 宙 的 构 建 需 要 在 农 田 中 部 署 大 量 传 三 维 重 建 是 指 在 计 算 机 中 建 立 一 个 表 达 客 观
感 器 进 行 数 据 的 实 时 采 集 ，5G 与 6G 可 为 农 业 元 世 界 三 维 物 体 的 数 学 模 型 ， 并 可 对 其 进 行 处 理 、
［26 ］
宇 宙 提 供 高 速 率 、 低 延 迟 、 大 连 接 的 网 络 通 信 基 操 作 和 分 析 。 三 维 重 建 目 前 已 广 泛 应 用 于 土
［27 ］ ［28 ］ ［29 ］
础 。 此 外 ， 无 线 传 感 网 与 5G 和 6G 的 结 合 将 是 大 木 工 程 、 城 市 重 建 、 文 化 遗 产 数 字 化 等
连 接 场 景 下 农 业 元 宇 宙 实 现 的 基 础 。 多 个 领 域 。 对 于 虚 拟 世 界 的 三 维 环 境 重 建 ， 建 筑
2.1.3 　 人 工 智 能 　 物 重 建 以 及 虚 拟 世 界 和 现 实 世 界 的 位 置 对 应 具 有
AI 是 指 使 机 器 能 够 从 经 验 中 学 习 并 执 行 各
重 要 意 义 。
［14 ］
种 任 务 的 理 论 和 技 术 ， 在 自 然 语 言 处 理 、 计
三 维 重 建 技 术 在 农 业 领 域 主 要 应 用 于 农 产 品
［15 ］ ［16 ］
［30 ］ ［31 ］ ［32 ］
算 机 视 觉 和 推 荐 系 统 等 领 域 广 泛 应 用 。AI
分 级 、 产 量 预 测 和 作 物 表 型 研 究 等 领
是 推 动 元 宇 宙 发 展 的 重 要 一 环 ， 可 以 使 得 元 宇 宙
域 。 在 农 业 元 宇 宙 中 ， 三 维 重 建 技 术 可 以 为 农 业
世 界 中 的 “ 化 身 ” 更 为 逼 真 ， 赋 予 他 们 学 习 人 类
元 宇 宙 描 述 现 实 世 界 提 供 技 术 支 持 ， 可 将 现 实 世
［17 ］
语 言 和 对 话 风 格 的 能 力 ， 使 其 学 会 理 解 人 类
界 的 农 业 环 境 数 据 提 供 给 农 业 元 宇 宙 系 统 ， 是
［18 ］
意 图 并 有 效 表 达 自 我 意 图 。AI 还 可 用 于 辅 助
IoT 数 据 采 集 的 有 力 补 充 。
［19 ］
元 宇 宙 中 用 户 的 决 策 、 管 理 、 服 务 问 题 。 此
2.2.3 　 云 计 算 和 边 缘 计 算 　
外 ，AI 可 以 解 决 元 宇 宙 中 的 语 言 问 题 ， 使 得 使 云 计 算 即 通 过 互 联 网 而 不 是 计 算 机 硬 盘 存 储
［20 ］ ［33 ］
用 不 同 语 言 的 元 宇 宙 参 与 者 实 现 无 障 碍 沟 通 。 和 访 问 数 据 和 程 序 。 边 缘 计 算 则 为 在 靠 近 数
AI 主 要 应 用 于 农 产 品 精 准 信 息 服 务 和 辅 助 据 源 头 的 一 侧 ， 采 用 “ 存 算 一 体 化 ” 的 平 台 就 近
［34 ］
决 策 等 领 域 。 在 农 业 元 宇 宙 中 ，AI 是 农 业 元 宇 提 供 端 服 务 。
宙 的 大 脑 ， 为 农 业 元 宇 宙 提 供 智 慧 ， 在 农 业 虚 拟 农 业 元 宇 宙 不 可 避 免 地 会 产 生 大 量 数 据 ， 元
人 物 等 领 域 具 有 广 阔 的 应 用 前 景 。 宇 宙 的 规 模 和 完 整 性 直 接 取 决 于 现 实 世 界 的 计 算
能 力 和 存 储 能 力 。 云 计 算 在 成 本 、 稳 定 性 、 安 全
2.2 　 虚 实 交 互 　
性 和 效 率 方 面 具 有 极 大 的 优 势 。 此 外 ， 边 缘 计 算
2.2.1 　 物 联 网 　
的 引 入 可 以 增 强 系 统 的 处 理 能 力 ， 使 得 处 理 更 靠
IoT 是 一 种 将 从 不 同 种 类 的 设 备 获 得 的 数 据
近 用 户 ， 元 宇 宙 的 体 验 更 加 流 畅 。
［21 ］
融 合 到 现 有 互 联 网 基 础 设 施 上 的 方 法 。 其 通
在 农 业 领 域 ， 云 计 算 和 边 缘 技 术 在 害 虫 识
过 各 类 传 感 器 设 备 、 射 频 识 别 技 术 、 全 球 定 位 系
［35 ］ ［36 ］
别 和 农 业 决 策 领 域 应 用 广 泛 。 农 业 数 据 量
统 等 装 置 与 技 术 实 时 采 集 各 类 信 息 ， 通 过 各 类 网
大 且 多 源 异 构 ， 云 计 算 和 边 缘 计 算 是 扩 展 农 业 元
络 接 入 实 现 物 与 物 ， 人 与 人 之 间 的 广 泛 连 接 。 未
宇 宙 系 统 计 算 能 力 和 存 储 能 力 的 关 键 技 术 。
来 可 通 过 IoT 将 现 实 世 界 的 物 体 转 化 为 虚 拟 世 界
［22 ］
2.3 　 扩 展 现 实 　
的 智 能 “ 化 身 ” 。IoT 增 强 了 元 宇 宙 与 现 实 世
界 的 联 系 。
2.3.1 　 扩 展 现 实 　
IoT 目 前 在 农 业 领 域 应 用 广 泛 ， 农 业 物 联 网 XR 是 AR 、VR 、MR 等 多 种 技 术 的 统 称 ， 指Vol. 4, No. 4 陈 枫 等 ： 农 业 元 宇 宙 ： 关 键 技 术 、 应 用 情 景 、 挑 战 与 展 望
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的 是 由 计 算 机 技 术 和 可 穿 戴 设 备 产 生 的 真 实 和 虚 理 实 体 的 状 态 ， 并 对 物 理 实 体 里 预 定 义 的 接 口 元
［37 ］ ［43 ］
拟 结 合 的 环 境 和 人 机 交 互 。AR 是 一 种 将 数 字 件 进 行 控 制 。 这 种 物 理 世 界 与 数 字 世 界 的 绑
信 息 叠 加 在 现 实 世 界 中 的 物 体 或 地 点 上 增 强 用 户
定 是 构 建 元 宇 宙 的 基 础 ， 只 有 数 字 世 界 而 无 法 与
［44 ］
体 验 的 技 术 ， 具 有 结 合 现 实 和 数 字 信 息 的 能
物 理 世 界 交 互 的 元 宇 宙 仅 仅 是 一 个 “ 模 型 ” 。
［38 ］
力 。VR 通 过 计 算 机 模 拟 虚 拟 环 境 从 而 给 人 以
此 外 ， 数 字 世 界 不 仅 可 以 表 示 物 理 世 界 的 当 前 状
环 境 沉 浸 感 ， 是 一 种 完 全 沉 浸 式 、 引 人 入 胜 的 交
态 ， 也 可 基 于 物 理 世 界 的 发 展 和 虚 实 世 界 的 交 互
［45 ］
互 体 验 。 参 与 者 可 以 通 过 特 殊 的 人 机 交 互 设 备 感
去 模 拟 过 去 状 态 和 预 测 未 来 状 态 。
受 和 触 摸 虚 拟 对 象 ， 从 而 产 生 这 些 对 象 确 实 存 在
农 业 中 的 物 理 系 统 或 物 理 世 界 是 一 个 复 杂 的
［39 ］
的 感 觉 。MR 则 通 过 在 虚 拟 环 境 中 引 入 现 实 环
动 态 环 境 ， 包 括 大 气 、 土 壤 、 作 物 、 农 业 机 械 设
境 的 场 景 信 息 ， 在 虚 拟 世 界 、 现 实 世 界 和 用 户 之
备 、 操 作 员 和 管 理 措 施 等 多 个 层 级 的 信 息 和 特
［46 ］
间 搭 建 起 一 个 交 互 反 馈 的 信 息 回 路 ， 以 增 强 用 户
征 。 通 过 温 度 、 土 壤 、 光 照 等 农 业 物 联 网 设
［40 ］
体 验 的 真 实 感 。
备 采 集 物 理 世 界 的 实 时 信 息 ， 通 过 物 理 世 界 的 信
农 业 元 宇 宙 要 为 用 户 提 供 身 临 其 境 的 体 验 ，
息 感 知 驱 动 数 字 世 界 的 融 合 建 模 。 农 业 数 字 孪 生
XR 技 术 是 必 不 可 少 的 。XR 技 术 可 以 为 农 业 元 宇
系 统 架 构 如 图 2 所 示 。
宙 提 供 通 往 虚 拟 世 界 的 门 户 ， 是 农 业 元 宇 宙 的 接
入 点 。 农 业 元 宇 宙 参 与 者 可 通 过 XR 技 术 体 验 到
农 旅 休 闲 和 虚 拟 种 植 等 沉 浸 式 元 宇 宙 体 验 。
2.3.2 　 脑 机 接 口 　
脑 机 接 口 指 的 是 通 过 大 脑 活 动 控 制 外 部 设 备
［41 ］
的 硬 件 和 软 件 。 其 通 过 在 人 或 动 物 的 大 脑 与
外 部 设 备 之 间 创 建 直 接 连 接 ， 实 现 大 脑 与 设 备 的
信 息 交 换 。 脑 机 接 口 可 对 部 分 患 有 身 体 残 疾 的 用
［42 ］
户 提 供 与 健 康 用 户 相 同 的 接 入 体 验 。 当 前 所
有 的 XR 设 备 都 依 赖 于 屏 幕 和 传 统 的 控 制 系 统 ，
脑 机 接 口 则 旨 在 完 全 取 代 屏 幕 和 物 理 硬 件 ， 实 现
面 向 消 费 者 的 精 神 控 制 系 统 。 使 用 户 获 得 更 具 沉
图 2 　 农 业 数 字 孪 生 系 统 架 构 图
浸 式 的 元 宇 宙 体 验 。
Fig. 2 The framework of digital twins for agriculture
因 脑 机 接 口 技 术 成 本 和 接 受 度 问 题 ， 在 农 业
农 业 数 字 孪 生 系 统 的 蓬 勃 发 展 有 助 于 推 动 农
领 域 ， 脑 机 接 口 应 用 还 较 少 。 未 来 在 农 业 元 宇 宙
业 元 宇 宙 的 加 速 落 地 。 表 1 对 一 些 农 业 数 字 孪 生
中 ， 脑 机 接 口 可 作 为 XR 技 术 的 补 充 ， 提 供 给 农
系 统 进 行 了 总 结 整 理 ， 目 前 农 业 数 字 孪 生 技 术 已
业 元 宇 宙 用 户 更 高 的 体 验 。
在 农 业 的 多 个 领 域 应 用 ， 其 中 在 农 业 生 产 领 域 应
2.4 　 农 业 数 字 孪 生 与 平 行 农 业 　
用 最 为 广 泛 。
2.4.1 　 农 业 数 字 孪 生 　 2.4.2 　 平 行 农 业 　
数 字 孪 生 （Digital Twins ，DT ） 指 的 是 以 数 平 行 系 统 是 指 由 某 一 个 现 实 系 统 和 对 应 的 一
字 化 方 式 在 信 息 化 平 台 内 建 立 、 模 拟 一 个 物 理 实 个 或 多 个 虚 拟 或 理 想 的 人 工 系 统 所 组 成 的 共 同 系
［47 ］ ［48 ］
体 、 流 程 或 系 统 在 现 实 环 境 中 的 行 为 。 借 助 于 数 统 ， 实 现 虚 拟 和 现 实 的 结 合 。 平 行 系 统 通
字 孪 生 ， 可 以 通 过 虚 实 交 互 反 馈 、 数 据 融 合 分 过 整 合 人 工 社 会 ， 计 算 实 验 和 平 行 执 行 等 方
［49 ］
析 、 决 策 迭 代 优 化 等 手 段 在 信 息 化 平 台 上 了 解 物 法 ， 形 成 新 的 计 算 研 究 体 系 。 其 目 的 是 基 于智 慧 农 业 （ 中 英 文 ） Smart Agriculture Vol. 4, No. 4
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表 1 农 业 数 字 孪 生 系 统
Table 1 The digital twins system for agriculture
标 题 简 介 应 用 领 域
系 统 分 析 了 作 物 生 产 系 统 及 其 认 知 方 法 的 发 展 历 程 ， 提
［46 ］
数 字 孪 生 系 统 在 农 业 生 产 中 的 应 用 探 讨 农 业 生 产
出 我 国 农 业 数 字 孪 生 系 统 的 应 用 方 向 和 发 展 路 径
Toward the next generation of digitalization in agriculture 介 绍 了 数 字 孪 生 概 念 的 最 新 进 展 ， 以 及 数 字 孪 生 系 统 在 土 壤 灌 溉 系 统 、 农 作
［51 ］
based on digital twin paradigm 土 壤 灌 溉 系 统 、 农 作 物 生 产 和 收 获 后 处 理 过 程 的 应 用 物 生 产 、 作 物 处 理
Digital twins in agri-food ： Societal and ethical themes and 从 资 源 、 表 示 、 行 动 和 实 施 四 个 方 面 分 析 了 数 字 孪 生 在
农 业 食 品
［45 ］
questions for further research 农 业 食 品 领 域 可 能 产 生 的 社 会 、 道 德 和 安 全 影 响
探 讨 了 畜 牧 业 中 数 字 孪 生 系 统 的 使 用 ， 包 括 预 测 繁 殖 ，
［52 ］
Digital twins in livestock farming 畜 牧 业
监 测 动 物 情 绪 等
A decision support system for urban agriculture using digi ‐ 使 用 数 字 孪 生 系 统 和 机 器 学 习 增 强 鱼 菜 共 生 的 实 施 ， 评
城 市 农 业
［53 ］
tal twin ： A case study with aquaponics 估 了 一 种 大 规 模 城 市 农 业 生 态 系 统 建 模 框 架
A single view leaf reconstruction method based on the fu ‐
提 出 了 一 种 融 合 了 ResNet 和 可 微 分 渲 染 的 植 物 生 长 数
sion of ResNet and differentiable render in plant growth 农 业 生 产
字 孪 生 系 统 中 单 视 图 叶 片 重 建 方 法
［54 ］
digital twin system
研 究 了 数 字 孪 生 在 农 业 中 的 使 用 程 度 ， 统 计 了 2017 —
［55 ］
Introducing digital twins to agriculture 农 业 生 产
2020 年 农 业 数 字 孪 生 的 文 献
［56 ］
Digital twins in smart farming 分 析 了 数 字 孪 生 如 何 推 进 智 能 农 业 智 能 农 业
A digital twin architecture to optimize productivity within 引 入 了 用 于 受 控 环 境 农 业 系 统 的 数 字 孪 生 架 构 ， 并 将 其
受 控 环 境 农 业
［57 ］
controlled environment agriculture 应 用 于 案 例 研 究 进 行 验 证
人 工 系 统 （Artificial Systems ， A ） 、 计 算 实 验
（Computational Experiments ， C ） 和 平 行 执 行
（Parallel Execution ，P ） ， 即 ACP 方 法 ， 解 决 难 以
［50 ］
建 模 、 难 以 解 析 、 难 以 预 测 的 复 杂 系 统 。
平 行 农 业 是 指 通 过 在 虚 拟 空 间 构 建 人 工 农 业
系 统 描 述 实 际 的 农 业 系 统 问 题 ， 并 利 用 构 建 出 的
人 工 农 业 系 统 对 未 来 发 展 进 行 预 估 和 优 化 ， 最 终
实 现 人 工 农 业 系 统 与 实 际 农 业 系 统 两 者 间 持 续 的
图 3 　 基 于 ACP 的 平 行 农 业 系 统 架 构 图
相 互 作 用 、 相 互 反 馈 和 相 互 引 导 ， 指 导 农 业 发
［58 ］ Fig. 3 The framework of parallel agriculture based on artificial
展 ， 其 系 统 架 构 如 图 3 所 示 。 目 前 ， 平 行 农 业
［59 ］ ［60 ］
systems ， computational experiments and parallel execution
已 在 植 物 生 长 建 模 、 产 量 预 测 和 智 能 决
［61 ］
策 等 领 域 广 泛 引 用 。
而 平 行 农 业 可 以 对 尚 未 明 确 机 理 的 复 杂 农 业 系 统
农 业 数 字 孪 生 和 平 行 农 业 有 相 同 之 处 但 也 存
做 出 构 建 和 解 释 。
在 侧 重 点 的 区 别 。 农 业 数 字 孪 生 和 平 行 农 业 均 为
2.4.3 　 从 农 业 数 字 孪 生 和 平 行 农 业 到 农 业 元 宇 宙 　
解 决 信 息 、 物 理 、 社 会 融 合 这 一 科 学 问 题 提 供 了
农 业 数 字 孪 生 和 平 行 农 业 通 过 构 建 虚 拟 世 界
新 的 解 决 思 路 ， 且 两 者 都 与 先 进 传 感 采 集 、 仿
实 现 对 物 理 世 界 的 预 测 和 控 制 ， 是 农 业 元 宇 宙 的
真 、 高 性 能 计 算 、 智 能 算 法 等 的 发 展 有 着 密 不 可
雏 形 。 但 农 业 数 字 孪 生 和 平 行 农 业 构 建 的 虚 拟 世
［62 ］
分 的 关 系 。 农 业 数 字 孪 生 系 统 侧 重 于 针 对 机
界 和 现 实 世 界 相 对 独 立 ， 人 在 系 统 中 处 于 辅 助 地
理 明 确 的 农 业 系 统 ， 构 建 农 业 数 字 孪 生 系 统 通 常 位 ， 无 法 沉 浸 于 虚 拟 世 界 。 农 业 元 宇 宙 相 比 农 业
需 要 人 工 构 建 的 虚 拟 农 业 系 统 和 实 际 物 理 农 业 系
数 字 孪 生 和 平 行 农 业 ， 更 加 注 重 参 与 人 的 体 验 和
统 在 状 态 转 换 、 观 测 、 控 制 的 机 理 上 相 互 对 应 。 交 互 ， 关 注 参 与 人 的 沉 浸 感 ， 而 不 仅 仅 是 实 现 对Vol. 4, No. 4 陈 枫 等 ： 农 业 元 宇 宙 ： 关 键 技 术 、 应 用 情 景 、 挑 战 与 展 望
131
物 理 系 统 的 虚 拟 化 。 拟 动 物 ” 进 行 操 作 时 ， “ 虚 拟 动 物 ” 会 模 仿 真 实
未 来 农 业 数 字 孪 生 和 平 行 农 业 还 需 结 合 VR 、 动 物 做 出 相 对 应 的 反 应 ， 这 对 模 拟 动 物 生 存 环
AR 和 MR 等 XR 技 术 ， 增 加 数 字 世 界 与 物 理 世 界 境 、 动 物 营 养 需 求 和 品 种 选 育 等 具 有 重 大 意 义 。
在 农 业 生 产 领 域 ， 虚 拟 农 场 已 有 部 分 应 用 。
的 交 互 ， 结 合 区 块 链 和 NFT 等 技 术 解 决 数 据 确
阿 里 巴 巴 达 摩 院 XR 实 验 室 实 现 了 虚 实 联 动 的 农
权 等 难 题 ， 实 现 更 高 级 的 农 业 元 宇 宙 系 统 。
业 采 摘 机 器 人 案 例 ， 该 案 例 通 过 对 果 园 和 果 树 进
3 元 宇 宙 农 业 应 用 情 景
行 三 维 建 模 ， 构 建 出 整 个 果 园 的 高 精 度 虚 拟 模
型 ， 采 摘 机 器 人 可 以 在 虚 拟 世 界 中 进 行 运 动 规 划
对 于 农 业 领 域 ， 元 宇 宙 技 术 的 应 用 会 为 农 业
方 案 设 定 ， 设 定 结 果 会 映 射 到 物 理 世 界 的 采 摘 机
数 字 孪 生 、 农 业 信 息 感 知 、 农 业 智 能 化 管 理 、 虚
器 人 大 脑 中 ， 完 成 采 摘 机 器 人 的 自 动 采 摘 工 作 ，
拟 农 场 、 农 业 教 育 、 农 产 品 溯 源 等 领 域 提 供 虚 实
降 低 果 园 管 理 成 本 。 超 级 码 科 技 提 出 了 元 宇 宙 智
结 合 的 农 业 元 宇 宙 平 台 和 沉 浸 式 环 境 ， 极 大 推 动
慧 茶 园 ， 在 元 宇 宙 茶 园 中 可 以 快 速 模 拟 茶 树 的 生
农 业 领 域 发 展 。
长 周 期 ， 有 效 缩 短 农 事 操 作 周 期 和 成 本 ， 短 时 间
3.1 　 虚 拟 农 场 　
内 即 可 获 取 海 量 生 长 数 据 ， 突 破 传 统 农 业 周 期
虚 拟 农 场 是 农 业 元 宇 宙 最 重 要 的 应 用 之 一 ，
长 、 难 量 化 等 特 点 ， 为 精 细 化 和 智 能 化 作 业 奠 定
是 农 业 元 宇 宙 赋 能 传 统 农 业 的 重 要 方 式 。
了 基 础 ， 同 时 可 通 过 小 气 候 一 体 机 、 土 壤 墒 情 监
在 农 业 生 产 领 域 ， 传 统 农 业 生 产 效 率 和 资 源
测 站 等 物 联 网 设 备 实 时 采 集 土 壤 、 气 象 等 各 维 度
［63 ］
利 用 率 较 低 ， 农 业 创 新 和 进 步 需 要 耗 费 大 量
数 据 ， 根 据 气 象 数 据 和 历 年 流 通 数 据 ， 模 拟 开 采
的 人 力 物 力 ， 农 业 领 域 的 创 新 大 多 需 要 较 长 的 周 期 、 产 量 和 产 值 ， 还 可 以 模 拟 不 同 气 象 条 件 下 各
期 去 验 证 和 调 整 。 因 需 较 高 的 投 入 和 长 周 期 验
类 茶 叶 的 品 质 ， 农 户 足 不 出 户 就 能 了 解 茶 树 的 长
［65 ］
证 ， 目 前 从 事 农 业 技 术 研 究 的 多 为 有 实 力 大 型 公
势 情 况 。 在 室 内 种 植 领 域 ， 室 内 农 业 种 植 者
司 或 科 研 机 构 。 此 外 ， 研 究 成 果 还 面 临 二 次 适 应
已 经 在 使 用 AR 技 术 对 作 物 的 生 理 习 性 ， 成 长 过
［66 ］
的 问 题 ， 即 研 究 成 果 应 用 于 不 同 气 候 、 不 同 土 壤 程 和 相 关 数 据 进 行 数 字 化 和 监 测 。
条 件 的 耕 地 时 ， 原 始 成 果 参 数 需 要 在 基 础 参 数 上
3.1.2 　 休 闲 农 业 体 验 　
［64 ］
进 行 微 调 。 而 最 关 心 实 际 应 用 的 农 民 ， 却 无 休 闲 农 业 体 验 是 农 业 经 济 与 旅 游 产 业 相 结 合
的 新 兴 产 业 。 目 前 ， 休 闲 农 业 体 验 产 业 链 已 形 成
力 去 进 行 这 种 微 调 。 农 业 元 宇 宙 的 应 用 将 在 一 定
了 多 元 结 构 、 全 周 期 、 多 功 能 、 集 多 方 面 利 于 一
程 度 上 解 决 该 局 面 。
体 的 休 闲 农 业 旅 游 产 业 链 特 征 。
3.1.1 　 农 业 生 产 　
农 业 元 宇 宙 在 农 业 生 产 领 域 应 用 前 景 巨 大 。
农 业 元 宇 宙 在 休 闲 农 业 体 验 领 域 的 应 用 主 要
农 业 元 宇 宙 可 以 在 虚 拟 环 境 中 建 立 虚 拟 农 场 ， 模
集 中 在 利 用 农 业 元 宇 宙 构 建 虚 拟 世 界 ， 结 合 现 在
拟 实 现 农 作 物 和 畜 禽 的 完 整 成 长 过 程 ， 可 以 在 极 流 行 的 认 养 模 式 、 农 旅 休 闲 、 民 俗 体 验 等 模 式 ，
短 的 时 间 内 收 集 到 大 量 的 农 作 物 生 长 数 据 和 畜 禽 探 索 虚 拟 农 场 与 现 实 农 业 生 产 的 结 合 。 在 这 过 程
生 长 数 据 ， 实 现 智 能 化 和 精 细 化 农 业 。 此 外 ， 虚
中 ， 消 费 者 利 用 XR 技 术 实 时 掌 握 农 场 情 况 ， 以
拟 农 场 还 可 以 模 拟 害 虫 活 动 ， 从 而 确 定 最 佳 的 喷
虚 拟 “ 化 身 ” 的 形 式 ， 实 现 远 程 浇 水 、 施 肥 的 沉
药 方 式 和 时 间 ， 农 户 无 需 掌 握 高 深 的 理 论 知 识 ， 浸 式 体 验 。 此 外 ， 农 业 的 种 植 者 和 农 业 设 备 采 购
即 可 得 到 最 新 的 决 策 方 案 。 对 于 畜 牧 经 营 管 理 者 也 可 通 过 农 业 元 宇 宙 预 先 对 其 计 划 购 买 的 农 业
者 ， 虚 拟 农 场 可 以 实 现 对 动 物 从 器 官 、 组 织 、 系
产 品 和 农 业 设 备 等 进 行 体 验 ， 而 不 受 空 间 和 时 间
统 到 整 体 的 精 确 模 拟 。 当 畜 牧 经 营 管 理 者 对 “ 虚 的 限 制 。智 慧 农 业 （ 中 英 文 ） Smart Agriculture Vol. 4, No. 4
132
元 宇 宙 休 闲 农 业 体 验 广 受 关 注 。2022 年 4 月 虚 拟 人 物 也 可 作 为 休 闲 农 业 体 验 的 导 游 ， 使 休 闲
21 日 ， 苏 宁 易 购 与 元 初 世 界 合 作 落 地 元 宇 宙 农 业 农 业 游 玩 者 更 加 立 体 化 、 直 观 地 体 验 田 园 乐 趣 。
电 商 项 目 “ 五 个 农 民 数 字 奶 牛 ” ， 消 费 者 可 以 在 2021 年 12 月 20 日 ， 广 东 省 率 先 推 出 首 个 农
虚 拟 牧 场 中 养 殖 奶 牛 ， 在 农 业 元 宇 宙 构 建 的 虚 拟 业 虚 拟 人 物 “ 小 柑 妹 ” 作 为 德 庆 贡 柑 虚 拟 管 家 。
牧 场 中 实 现 确 权 、 流 转 交 易 和 产 奶 收 益 ， 同 时 ，
2022 年 1 月 10 日 ， “ 小 柑 妹 ” 首 次 以 视 频 的 形 式
消 费 者 可 以 在 现 实 世 界 中 收 到 高 品 质 牛 奶 。 “ 五 出 现 ， 视 频 中 “ 小 柑 妹 ” 进 入 广 东 德 庆 贡 柑 园 并
个 农 民 数 字 奶 牛 ” 将 现 实 世 界 的 商 品 价 值 属 性 ， 与 德 庆 新 农 人 陈 慧 在 现 实 农 场 中 进 行 互 动 。 在 德
和 虚 拟 农 场 中 的 虚 拟 映 射 体 验 相 结 合 ， 使 得 消 费 庆 贡 柑 园 的 虚 拟 农 场 中 ， 德 庆 贡 柑 树 的 认 养 、 远
者 在 享 受 虚 拟 农 场 生 活 体 验 的 同 时 得 到 现 实 世 界
程 浇 水 、 施 肥 、 监 测 、 采 果 等 都 将 由 “ 小 柑 妹 ”
的 商 品 回 馈 。 因 新 型 冠 状 肺 炎 疫 情 对 泰 国 旅 游 造 来 提 供 服 务 ， 此 外 ， “ 小 柑 妹 ” 还 将 提 供 全 年 数
成 了 巨 大 打 击 ， 泰 国 国 家 旅 游 局 为 实 现 旅 游 可 持 字 化 管 理 等 服 务 。 此 后 ， 广 东 省 又 推 出 首 个 预 制
［69 ］
续 发 展 、 促 进 当 地 旅 游 、 提 高 旅 游 竞 争 力 ， 同 东 菜 虚 拟 人 物 “ 小 鲜 妹 ” 。 与 “ 小 柑 妹 ” 不 同 的
部 府 域 10 位 榴 莲 园 主 合 作 推 出 了 “ 元 宇 宙 游 园 ”
是 ， “ 小 鲜 妹 ” 的 定 位 是 与 市 场 、 产 品 宣 传 和 推
活 动 ， 该 活 动 源 于 “ 元 宇 宙 神 奇 泰 国 ： 神 奇 榴
广 需 求 深 度 融 合 ， 增 加 消 费 者 的 互 动 和 线 上 体
莲 ” 项 目 ， 通 过 Web3 平 台 刺 激 休 闲 农 业 发 展 ， 验 。 后 续 “ 小 鲜 妹 ” 将 在 各 大 电 商 和 短 视 频 平 台
［67 ］
旨 在 为 游 客 提 供 全 新 的 休 闲 农 业 体 验 。 从 化 为 广 东 预 制 菜 进 行 直 播 带 货 。 此 外 ， 浙 江 省 也 推
岭 南 水 果 产 业 协 会 通 过 农 业 元 宇 宙 展 示 从 化 荔 枝
出 了 元 宇 宙 智 慧 茶 园 虚 拟 人 物 形 象 “ 小 码
［70 ］
的 智 慧 化 种 植 ， 打 造 虚 拟 荔 枝 果 园 体 验 种 植+ 定
哥 ” ， 负 责 在 茶 山 上 为 大 家 介 绍 所 在 的 元 宇 宙
［68 ］
制 基 地 。 消 费 者 认 养 一 棵 荔 枝 树 ， 即 可 通 过 世 界 里 茶 树 的 生 长 情 况 。
VR 视 频 实 时 观 看 果 树 的 种 植 情 况 ， 实 现 远 程 浇
3.2 　 农 业 教 学 系 统 　
水 、 施 肥 的 沉 浸 式 体 验 。 农 业 元 宇 宙 与 农 旅 休 闲
元 宇 宙 教 学 系 统 是 在 一 个 类 似 于 自 然 场 景 的
的 结 合 ， 可 使 游 玩 者 通 过 立 体 化 、 可 视 化 的 虚 拟
虚 拟 世 界 中 创 建 的 教 学 系 统 ， 并 增 加 了 元 宇 宙 的
世 界 体 验 亲 自 耕 种 等 田 园 乐 趣 。
［71 ］
空 间 感 和 虚 实 互 动 性 。
3.1.3 　 虚 拟 人 物 　
党 的 十 五 届 三 中 全 会 曾 经 指 出 “ 农 业 的 根 本
虚 拟 人 物 是 元 宇 宙 中 的 重 要 一 环 。2021 年
10 月 31 日 ， 元 宇 宙 虚 拟 人 物 柳 夜 熙 凭 借 第 一 条 出 路 在 科 技 和 教 育 ” ， 只 有 发 展 科 技 和 教 育 才 能
视 频 的 横 空 出 道 收 获 数 百 万 粉 丝 ， 不 到 两 个 月 的 使 农 业 资 源 优 势 向 商 品 优 势 转 变 ， 才 能 使 传 统 农
业 向 现 代 农 业 转 变 。 农 业 元 宇 宙 教 学 系 统 可 以 利
时 间 ， 其 发 布 的 4 条 视 频 累 计 播 放 量 上 亿 ， 元 宇
用 碎 片 化 “ 微 课 程 ” 的 方 式 节 约 培 训 时 间 ， 提 高
宙 虚 拟 人 物 随 之 走 入 大 众 的 视 线 。 虚 拟 人 物 的 核
心 作 用 是 帮 助 现 实 世 界 的 人 处 理 虚 拟 世 界 的 培 训 效 率 ， 让 种 植 者 能 够 身 临 其 境 ， 边 做 边 学 。
事 务 。 种 植 者 能 够 在 世 界 各 地 接 受 培 训 教 育 ， 并 且 这 种
［72 ］
在 农 业 领 域 ， 元 宇 宙 虚 拟 人 物 在 农 产 品 宣 传 教 育 是 沉 浸 式 、 互 动 型 ， 更 为 清 晰 直 观 。 相
关 学 习 内 容 可 以 针 对 语 言 和 培 训 环 境 等 要 素 进 行
推 广 、 直 播 带 货 等 方 面 有 着 很 大 应 用 空 间 。 近 几
年 ， 网 络 直 播 带 货 持 续 火 热 ， 但 在 中 国 的 农 村 地 定 制 化 设 计 ， 针 对 急 需 种 植 技 术 人 员 的 情 况 ， 农
区 ， 农 民 不 愿 出 镜 、 参 与 意 愿 低 等 情 况 仍 然 普 遍 业 元 宇 宙 教 学 系 统 还 支 持 不 限 时 间 、 不 限 空 间 的
存 在 。 针 对 此 问 题 ， 元 宇 宙 虚 拟 人 物 不 仅 可 以 代 技 术 培 训 。 老 挝 国 立 大 学 农 业 学 院 构 建 了 一 个 元
［73 ］
宇 宙 农 业 教 学 系 统 ， 该 系 统 以 蛋 鸡 农 场 农 业
替 真 人 直 播 带 货 ， 而 且 具 备 形 象 好 、 普 通 话 标
准 、24 小 时 在 线 等 诸 多 独 特 优 势 。 此 外 ， 元 宇 宙 课 程 为 例 ， 由 农 业 学 院 教 师 对 农 业 知 识 、 农 业 技Vol. 4, No. 4 陈 枫 等 ： 农 业 元 宇 宙 ： 关 键 技 术 、 应 用 情 景 、 挑 战 与 展 望
133
术 、 布 局 和 农 场 位 置 等 进 行 教 学 。 （1 ） 农 业 元 宇 宙 系 统 建 立 存 在 困 难 。 物 理 世
界 的 农 业 系 统 是 一 个 复 杂 的 动 态 系 统 ， 农 业 生 产
3.3 　 农 产 品 追 溯 系 统 　
过 程 中 的 不 确 定 因 素 较 多 ， 如 地 域 差 异 、 气 候 差
农 产 品 追 溯 系 统 因 可 降 低 质 量 安 全 风 险 ， 提
异 、 冻 害 、 病 虫 害 和 动 植 物 疫 病 等 ， 这 导 致 农 业
高 产 品 召 回 效 率 、 保 障 公 众 健 康 水 平 ， 已 成 为 农
元 宇 宙 虚 拟 世 界 的 建 立 较 为 困 难 。
［74 ］
产 品 供 应 链 管 理 的 有 效 手 段 。 农 产 品 溯 源 可
（2 ） 农 业 元 宇 宙 通 信 基 础 薄 弱 。 农 村 宽 带 网
以 让 消 费 者 了 解 农 产 品 的 生 产 信 息 ， 看 到 农 产 品
络 虽 已 覆 盖 到 村 ， 但 覆 盖 到 农 户 的 比 例 较 低 ， 到
的 生 产 全 过 程 ， 对 企 业 、 对 产 品 更 放 心 。 但 因 农
农 业 园 区 的 比 例 较 少 。 农 村 4G 网 络 信 号 不 稳 定 、
产 品 及 食 品 供 应 链 时 空 跨 度 大 、 参 与 主 体 众 多 且
5G 基 站 少 、 通 信 费 用 高 等 问 题 也 亟 待 解 决 。 在
分 散 、 中 心 化 方 式 管 理 与 运 作 困 难 ， 加 之 数 据 采
无 法 全 部 采 用 有 线 布 局 的 农 业 平 原 ， 采 用 “ 网
集 时 缺 乏 约 束 机 制 ， 易 造 成 信 息 不 透 明 ， 导 致 追
关+ 子 节 点 ” 的 方 式 ， 通 信 距 离 需 要 达 到 千 米 级 ，
溯 信 息 可 信 度 不 高 。 提 高 追 溯 可 信 度 已 成 为 追 溯
低 功 耗 无 线 通 信 技 术 的 研 究 也 至 关 重 要 。
［75 ］
系 统 可 持 续 应 用 中 面 临 的 重 要 问 题 。 通 过 在
（3 ） 农 业 元 宇 宙 硬 件 设 备 不 够 成 熟 。XR 设
农 产 品 的 溯 源 过 程 中 引 入 农 业 元 宇 宙 技 术 ， 以 更
备 无 法 同 时 做 到 设 备 小 型 化 、 便 携 化 和 低 成 本 ，
加 真 实 的 场 景 和 更 加 多 元 的 表 现 形 式 向 消 费 者 展
且 长 时 间 佩 戴 XR 设 备 造 成 的 眩 晕 感 无 法 解 决 ，
示 产 品 生 产 和 流 通 全 过 程 ， 可 以 大 大 降 低 农 产 品
设 备 产 生 的 逼 真 度 不 足 ， 这 也 导 致 了 元 宇 宙 落 地
质 量 信 息 的 获 取 成 本 ， 使 得 消 费 者 对 农 产 品 的 种
应 用 较 少 。
植 、 生 产 、 加 工 、 流 通 等 各 环 节 都 有 更 为 清 晰 的
（4 ） 农 业 元 宇 宙 运 营 不 明 朗 。 元 宇 宙 实 际 营
认 知 ， 这 对 于 打 击 农 产 品 市 场 上 存 在 的 以 次 充 好
收 基 本 集 中 在 游 戏 和 新 闻 现 场 等 契 合 度 高 的 行
行 为 、 保 护 国 家 地 理 标 志 农 产 品 的 品 牌 属 性 、 促
业 ， 而 对 农 业 领 域 应 用 的 探 索 较 少 ， 在 农 业 领 域
进 中 国 农 产 品 行 业 朝 着 健 康 的 方 向 发 展 均 有 着 重
的 运 营 方 式 不 够 明 朗 。
要 意 义 。
当 前 农 产 品 追 溯 系 统 与 农 业 元 宇 宙 的 结 合 大
4.2 　 未 来 发 展 展 望 　
多 在 区 块 链 领 域 ， 利 用 区 块 链 不 可 篡 改 、 可 追
随 着 小 型 化 、 低 成 本 、 低 功 耗 的 XR 设 备 不
溯 、 高 透 明 度 的 特 性 ， 构 建 农 产 品 区 块 链 追 溯 系
断 研 发 ， 元 宇 宙 与 AI 、 云 计 算 、 物 联 网 和 区 块
［76 ］
统 。 随 着 农 业 元 宇 宙 技 术 的 发 展 ， 农 业 元 宇
链 等 技 术 深 度 融 合 ， 元 宇 宙 在 农 业 领 域 的 科 学 高
宙 和 农 村 电 商 的 联 结 会 成 为 化 解 食 品 安 全 和 供 需
效 应 用 ， 农 业 元 宇 宙 将 会 极 大 地 推 动 农 业 信 息 化
矛 盾 ， 促 进 消 费 者 和 生 产 者 有 效 沟 通 的 重 要 手
和 智 能 化 发 展 。 因 此 元 宇 宙 在 农 业 领 域 前 景 辽
段 。 消 费 者 可 通 过 农 业 元 宇 宙 终 端 可 以 看 到 产 品
阔 ， 发 展 潜 力 巨 大 。 考 虑 到 元 宇 宙 在 农 业 领 域 面
产 地 的 所 有 情 况 ， 并 根 据 个 人 所 需 选 择 购 买 相 应
临 的 多 种 挑 战 ， 未 来 农 业 元 宇 宙 将 主 要 从 以 下 方
产 品 ， 实 现 产 品 从 采 摘 到 快 递 到 家 全 程 可 控 。
面 展 开 科 学 研 究 。
4 农 业 元 宇 宙 挑 战 与 展 望
（1 ） 开 展 元 宇 宙 在 农 业 领 域 的 适 用 性 研 究 。
农 业 中 的 物 理 系 统 或 物 理 世 界 是 一 个 复 杂 的 动 态
4.1 　 主 要 挑 战 　
环 境 ， 只 有 更 紧 密 地 融 合 农 业 的 地 域 性 、 季 节
性 、 多 样 性 、 周 期 性 等 农 业 特 性 ， 才 能 建 立 更 符
尽 管 目 前 农 业 元 宇 宙 取 得 了 一 定 的 技 术 上 的
合 作 物 生 长 规 律 的 农 业 元 宇 宙 模 型 。
突 破 ， 并 应 用 于 多 个 农 业 领 域 ， 但 农 业 元 宇 宙 当
（2 ） 开 展 农 业 生 长 机 理 研 究 。 建 立 计 算 机 科
前 还 处 于 起 步 阶 段 ， 相 关 技 术 领 域 的 研 究 还 存 在
一 些 需 要 解 决 的 问 题 。 学 、 自 动 化 、 电 气 工 程 和 农 学 等 多 学 科 研 究 团智 慧 农 业 （ 中 英 文 ） Smart Agriculture Vol. 4, No. 4
134
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2. National Engineering Laboratory for Agri-product Quality Traceability, Beijing 100097, China;
3. Beijing Key Laboratory of Digital Plant, Beijing 100097, China ）
Abstract: As an emerging concept, metaverse has attracted extensive attention from industry, academia and scientific research
field. The combination of agriculture and metaverse will greatly promote the development of agricultural informatization and
agricultural intelligence, provide new impetus for the transformation and upgrading of agricultural intelligence. Firstly, to ex ‐
pound feasibility of the application research of metaverse in agriculture, the basic principle and key technologies of agriculture
metaverse were briefly described, such as blockchain, non-fungible token, 5G/6G, artificial intelligence, Internet of Things, 3D
reconstruction, cloud computing, edge computing, augmented reality, virtual reality, mixed reality, brain computer interface, dig ‐
ital twins and parallel system. Then, the main scenarios of three agricultural applications of metaverse in the fields of virtual
farm, agricultural teaching system and agricultural product traceability system were discussed. Among them, virtual farm is one
of the most important applications of agricultural metaverse. Agricultural metaverse can help the growth of crops and the raising
of livestock and poultry in the field of agricultural production, provide a three-dimensional and visual virtual leisure agricultural
experience, provide virtual characters in the field of agricultural product promotion. The agricultural metaverse teaching system
can provide virtual agricultural teaching similar to natural scenes, save training time and improve training efficiency by means
of fragmentation. Traceability of agricultural products can let consumers know the production information of agricultural prod ‐
ucts and feel more confident about enterprises and products. Finally, the challenges in the development of agricultural metaverse
were summarized in the aspects of difficulties in establishing agricultural metaverse system, weak communication foundation of
agricultural metaverse, immature agricultural metaverse hardware equipment and uncertain agricultural meta universe opera ‐
tion, and the future development directions of agricultural metaverse were prospected. In the future, researches on the applica ‐
tion of metaverse, agricultural growth mechanism, and low power wireless communication technologies are suggested to be car ‐
ried out. A rural broadband network covering households can be established. The industrialization application of agricultural me ‐
ta universe can be promoted. This review can provide theoretical references and technical supports for the development of meta ‐
verse in the field of agriculture.
Key words: agricultural metaverse; blockchain; extended reality; digital twins; parallel agriculture; virtual farm; agri-food sup ‐
ply chain traceability system; agricultural education system
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