监测生长状态和环境响应的作物数字孪生系统研究综述

在农业生产数字化和智慧化阶段，需实时、全面、准确地了解作物生长状态和农田环境，并根据相关信息做出相应的分析、反馈、决策。针对这一问题，借鉴工业数字孪生系统的概念，将作物实际生长与模拟生长的同步、作物实时状态与作物实时管理策略之间的交互系统概括为作物数字孪生系统。在梳理国内外研究现状的基础上，指出作物数字孪生系统包含数据获取与传输、模型构建、可视化交互等阶段；其关键技术包括传感器技术、图像分割技术、建模技术以及可视化技术等。同时指出该领域的研究可以从作物基础数据、系统模型能力、多方协同交互等方面进行。监测生长状态和环境响应的作物数字孪生系统的相关研究对农业生产的智慧化和数字化有较大的现实意义，从理论和应用层面也有较大的价值。     

非常时期，智慧农业助力园区正常生产

正新冠肺炎疫情发生期间,农业园区的正常生产和运营遭遇极大困难,而科百智慧农业产业园则依靠科百信物融合作物精准栽培管理系统(KBCPS)的全新网上智能管理模式,保证了园区的正常运行和作物的正常生长。KB-CPS充分利用专业农业传感器、实时环境数据、作物生长模型,集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程,在虚拟网络空间中完成对农业作业环境的数字映射,并以数字孪生技术重建数字化农业     

大田种植数字农业信息流与技术体系

【目的】遵照国务院《数字农业建设试点总体方案(2017—2020年)》,大田种植数字农业建设将基于BNSS、4G、3S、IOT、CS与AI等高新技术,研究提出符合国情的数字农业信息流模式,创建由"智能监测、智能控制与智慧管理"构成的农业生产过程管理系统。【方法】文章通过概述国内外精准农业技术发展现状,研究了数字农业信息流及其技术体系,根据数字农业信息源和信息时效性差异,提出不同信息流管理模式。【结果 /结论】面对国内集约化与半集约化经营现状,智慧管理系统既能定期发布"系列农情图、土壤肥力图、作物产量图与变量作业处方图"等,满足分散经营者使用手机就能获得实时信息咨询服务;又能远程监控农机运行,直接发送调度/导航信息与作业处方图,满足实施变量作业需求,并能实时接收农机位置与物耗等信息,实时提供调度导航与进程管理服务,从而全面提高农机作业效率。中国政府于1996年启动的"信息化带动现代化"信息经济模式,推动了互联网进村、无线设备用户井喷式增长,北斗系统达到了高精度定位与计时,农机自动驾驶与精准导航系统正在大力推广应用,土壤、作物与产量等监测传感器已经通过验收或鉴定,为建设数字农业技术体系提供了必要的基础技术与装备,数字农业系统有望早日国产化并能推广应用。     

物联网下的大田作物视频监测系统分析

大田生产是我国农业现代化的一种必然趋势,能够为农业生产的自动化和智能化奠定良好基础,而在大田生产中,需要考虑的因素众多,必须做好作物生长状况的跟踪管理,为水肥管控和病虫害防治提供可靠依据,以此来保证作物的质量和产量。将物联网技术应用到大田作物生产中,构建相应的视频监测系统,能够实现对于作物的实时监测,保证田间管理的有效性。本文从农业物联网的内涵及构成出发,就基于物联网的大田作物视频监测系统设计进行了分析,希望能够为智慧农业的发展提供一些参考。     

基于作物模型的计算机模拟软件研究

基于作物模型的计算机模拟软件是数字农业中实现农业信息化的重要基础。该文系统介绍了作物模型及作物模拟的概念,作物生长模拟技术的产生和发展,并对模拟软件的研发过程中涉及的关键技术进行阐述,指出模拟软件在农业生产和科研中的应用。     

气候变化对我国农业发展的影响综述

全球气候变暖加大了我国农业发展的不确定性。本文基于我国气候变化的基本事实，分析了气候变化对我国农业发展的影响。结果表明，气候变化导致气温和降水变化，对我国作物生长、产量和农业潜在生产力等产生重要影响，对作物品质和产量带来直接影响，加剧了农业病虫害的发生和流行，进而加大了对农业经济的影响，同时还影响了我国农业种植制度。本研究为农业生产适应气候变化、确保高质量发展提供了参考。     

基于增强现实的管网安全评价数字孪生方法

数字孪生技术被广泛认为是解决信息物理交互融合难题的关键技术,而增强现实技术作为辅助数字孪生虚实交互的有效手段之一,为融合人、管道数字孪生体以及现场环境提供了解决途径。集成数字孪生、增强现实、分布式光纤监测等技术,构建地下管网结构安全评价数字孪生框架,并详细阐述了物理管网、虚拟管网、基于增强现实的数字孪生服务的构建理论,并将该理论及方法应用于某地下管网。结果表明：数字孪生与增强现实融合驱动的地下管网结构安全评价方法实现了虚拟管网与物理管网在现场环境中的一一映射关联,通过数字孪生技术进行管道结构状态的实时定量评价,帮助现场人员更加全面地感知、理解甚至超越现实世界,可为提升现场即时处置能力提供技术支持。（图9,表1,参20）     

浅谈作物栽培科学在农业生产中的应用

众所周知,农业是我国第一产业,是国民经济的基础。因此,必须大力发展农业,提高作物生产技术。而作物栽培科学的研究与应用,有利于提高作物的生产率与质量,确保我国经济持续快速发展。文章阐述了作物栽培科学的特点及其与作物生产的关系,研究了其在农业生产中的应用,展望了作物栽培学的发展趋势,为现代农业生产提供一种有效地借鉴。     

大型连栋设施蔬菜栽培安全保障环境监测系统技术研究

为了推动设施农业的数字精准作业,在大型连栋温室内,以现场总线、GSM、CDMA和互联网络通讯技术为载体,完成设施栽培环境参数和室外气象参数的采集与监测,并通过人为调控设施装置,改善作物生长环境。该系统为作物的正常生长提供保证,为适宜的作物种植模式提供决策的科学依据,同时也为设施硬件系统安全提供实时监测和越限预警保护。     

数字农作技术研究的若干进展与发展方向

 着重介绍数字农作技术研究的若干最新进展与发展方向。数字农作即通过综合运用数字化技术，研究农作物生产系统中信息获取、处理、管理和利用的关键技术及应用系统，从而对农作系统过程的信息流实现全面的数字化表达和整合。近年来，作者围绕数字农作的关键技术及应用系统，开展了较为深入和系统的研究工作，重点在作物生长模拟模型、作物管理知识模型、作物生长无损监测、农作空间信息管理、数字农作决策系统等5个领域取得了显著的研究进展。数字农作的未来发展将需要综合运用信息管理、自动监测、动态模拟、虚拟现实、知识工程、精确控制、网络通讯等现代信息技术，以农作物生产要素与生产过程的信息化与数字化为主要研究目标，发展农业资源的信息化管理、农作状态的自动化监测、农作过程的数字化模拟、农作系统的可视化设计、农作知识的模型化表达、农作管理的精确化控制等关键技术，进一步研制综合性数字农作技术软硬件系统，实现农作系统监测、预测、设计、管理、控制的数字化、精确化、可视化、网络化。农作生长与生产系统的数字化将带动农业产业的信息化和现代化。     

作物生长模型（CropGrow）研究进展

农业信息技术是基于信息技术与农业科学的交叉融合而形成的新兴技术,催生了数字农业和智慧农业的快速发展。作物生长模型作为其核心内容之一,可以动态模拟作物生长发育过程及其与气候因子、土壤特性和管理技术之间的关系,从而有效克服传统农业生产管理研究中较强的时空局限性,为不同条件下的作物生产力预测预警与效应评估等提供量化工具。本文重点介绍笔者团队在作物生长模型的构建与应用方面形成的总体技术方法、最新研究进展及未来发展思考。通过20多年系统深入的探索和实践,本团队以小麦、水稻等作物为主要对象,以“生理机制解析-模型算法构建-生产力动态预测-效应定量评估-模拟平台研发”为主线,综合运用系统分析、动态建模、虚拟现实、情景模拟及决策支持等方法,开展了作物生长模型CropGrow的构建与应用研究。首先,利用系统分析方法与动态建模技术,构建了机理性与预测性兼备的综合性作物生长模型（CropGrow）,包括阶段发育与物候期、器官发生与建成、光合生产与物质积累、同化物分配与产量品质形成、养分动态、水分平衡以及作物三维形态建成与虚拟显示等子模型,可数字化、可视化表征不同条件下作物生长发育与生产力形成过程;然后,结合地理信息系统（GIS）和遥感（RS）技术,构建了基于模型、GIS和RS有效耦合的区域作物生产力预测技术;进一步量化了气候变化、品种更新、土壤改良、措施优化对区域作物生产力形成的影响,拓展了适宜方案生成、理想品种设计、气候效应评估、耕地利用评价以及农业政策制定等应用技术;最后,运用构件化程序设计思想,基于作物生产数据库、作物模型构件库等,集成开发了基于模型的数字化、可视化作物生长模拟系统与决策支持平台,实现了数据管理、参数优化、生长模拟、遥感耦合、区域预测、方案设计、效应评估、安全预警、产品发布等综合功能。未来作物模拟研究将在完善基础数据库的基础上,进一步提升预测能力、量化基因效应、拓展智能决策、耦合多功能模型等,为粮食生产的预测预警、情景效应的量化评估、生产管理的智能决策、作物品种的优化设计等提供数字化支撑,对于保障国家粮食安全和推进数字农业发展具有重要意义。     

农业气象业务服务系统建设

采用农业气象、作物生理生态学方法,借助计算机技术,开发了农业气象情报服务系统,提供定量化的农业气象情报服务,建立了规范、定量的适应现代农业发展需要的业务、服务体系,为制订宏观计划、指挥生产、防灾减灾、气候资源分析和评价、新品种的引进、新的种植方式和技术方法的实施等提供技术支持,也为农业丰收、农业产业带的建设、农村经济发展、农民增收提供气象保障。     

加速宁夏农用无人机开发应用 促进精准农业发展

根据长期从事农业和在农用无人机研发和应用领域的经验与体会,提出,随着现代农业和规模化经营的发展,宁夏应抓住农用无人机在精准农业中作用日益重要、并正上升为农机行业新星的机遇,加速农用无人机开发和应用。并结合宁夏当地农业和农村特点,提出农用无人机的开发应用可分"农业预警机"和"农事作业机"两个方面统筹兼顾,分步执行,最后建成一个具有世界先进水平的高度信息化、自动化的农业生产管理体系。     

作物生长模拟模型的研究与应用

作物生长发育模型与模拟是近40年来国际学术界的一个新的生长点,目前已发展为当今最为活跃的农业前沿性研究领域之一,是数字农业的重要基础和关键技术。上世纪90年代以来,作物模拟继续朝着应用多元化方向发展,作物生长模型的机理性和预测性不断得到改进和提高。现作物模型已成功地应用于农业生产及资源环境的管理中,从而在社会经济发展中将会起着日益重要的作用。文章系统介绍了作物生长模型发展的4个主要阶段,指出了各阶段生长模型的研究进展,并对模型的建立过程及涉及的关键技术进行阐述,指出生长模型在农业生产和科研中的应用。     

加快数字农业建设 为农业农村现代化增添新动能

［目的］贯彻落实党的十九大报告提出的乡村振兴战略以及习近平总书记最近提出的实施大数据战略要求。［方法］文章认为数字农业是实现这两大战略融合发展的必然要求和根本途径。数字农业将沿着数字技术产业化和农业产业数字化两条主线发展。［结果］数字技术产业化是用信息把小农户和大市场连接起来、用网络把乡村和城市连接起来开展全产业链条的信息服务,将形成市场主导的新型农业服务体系。产业数字化是把农业全过程数字化,提升农业生产的空间应变能力和生产要素的匹配使用能力,改善农业生产方式向精准农业和智慧农业方式发展,将形成政府推动的新型农业生产方式。两条主线融合到现代农业当中,必然形成数字农业经济体系,成为现代农业的实现途径和表现形式,成为数字中国和数字经济的重要组成部分。［结论］该文认为数字农业或者现代农业是必须同时包含数字和土地这两个核心要素的产业体系,论证了数字技术和现代农业的辩证关系。根据国内外实践和经验总结,初步提出了我国建设数字农业的基本思路、重点任务和工作措施。     

生物健康农业新理论和新体系构建

在分析生态农业、有机农业、绿色农业等现代农业生产方式利弊的基础上,我们提出全新的生物健康农业(Biology Healthy Agriculture),是指运用先进的生物技术和生产工艺栽培各种农作物或养殖农业动物,实现大健康理念、生物技术与农业的和谐“联姻”,并融入乡村旅游与休闲农业,生产安全健康终端农产品的一种现代农业生产方式。系统论述了生物健康农业新理论和产业化发展的理论要点,从发展遵循的原则与功能定位、区域产业体系和支撑技术体系与发展目标等方面阐述了生物健康农业产业体系的构建,以及我国发展生物健康农业的必要性、优势以及意义,以期为提高农产品质量安全和营养品质以及市场竞争力、促进现代农业可持续发展、提高居民健康水平和精神需求提供依据,从而通过生物技术和大健康产业的融合,实现传统农业的跨越式发展,打造现代农业的升级版。     

襄阳市种植业技术推广体系调查分析

通过近两年对襄阳市种植业技术推广体系的摸底调查,分析了其现状和存在的问题,提出应从管理体制、资金投入、队伍建设和服务方式等方面入手,不断改革完善襄阳市农技推广服务体系,以促进现代农业的发展.