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

智慧農業(yè)的興起預示著農業(yè)領域正在與現(xiàn)代信息技術深度融合。元宇宙與農業(yè)的融合將會為農業(yè)領域帶來新的智能革命。目前，農業(yè)元宇宙還處于起步階段。隨著元宇宙與農業(yè)的深度融合以及元宇宙關鍵技術的突破，農業(yè)元宇宙將逐步提高農業(yè)生產(chǎn)效率，管理效率以及農產(chǎn)品品質，推動農業(yè)發(fā)展邁入新階段。農業(yè)元宇宙具有顯著的多學科交叉特點，由于農業(yè)具有生物特性，直接將元宇宙技術應用于農業(yè)領域不能有效解決問題。因此，開展基于農業(yè)特性的元宇宙交叉研究，將元宇宙技術與農業(yè)基礎原理深度融合，是農業(yè)元宇宙發(fā)展的重中之重。目前，元宇宙中的部分關鍵技術已在農業(yè)領域應用，農業(yè)元宇宙技術架構如圖1所示。

圖1 農業(yè)元宇宙技術架構圖

Fig.1 The framework of agricultural metaverse

區(qū)塊鏈是利用密碼學、分布式共識機制、智能合約等技術手段，在無需互相信任的分布式系統(tǒng)節(jié)點間實現(xiàn)去中心化點對點交易、協(xié)調和協(xié)作的全新的分布式基礎架構和計算范式。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景下，以低成本的方式構建信任基礎，重塑信用體系。元宇宙作為與現(xiàn)實世界映射和交互的虛擬世界，必須具有可存續(xù)性，不會因為某個公司或政府的決策而消失。區(qū)塊鏈技術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)塊鏈技術的非同質化數(shù)字資產(chǎn)。具有不可分割性、獨一無二性和高度透明性。目前已廣泛應用于農產(chǎn)品追溯、數(shù)字藏品、游戲等領域。NFT通過將數(shù)字資產(chǎn)和唯一加密貨幣令牌進行綁定，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)與實體商品進行錨定，通過數(shù)字令牌的交易實現(xiàn)實體商品所有權的轉移。此外，區(qū)塊鏈技術和NFT技術在構建元宇宙經(jīng)濟體系上也起到了關鍵性作用，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)濟中獲取利潤。

區(qū)塊鏈技術和NFT技術目前主要應用于農產(chǎn)品追溯領域，對農產(chǎn)品追溯信息進行鏈上存儲，保證追溯信息安全可信。在農業(yè)元宇宙中，區(qū)塊鏈技術和NFT技術是構建農業(yè)元宇宙底層金融架構必不可少的一環(huán)，可使得農業(yè)元宇宙中的虛擬農產(chǎn)品獲得現(xiàn)實意義上的價值并實現(xiàn)價值的流通。

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

農業(yè)元宇宙的構建需要在農田中部署大量傳感器進行數(shù)據(jù)的實時采集，5G與6G可為農業(yè)元宇宙提供高速率、低延遲、大連接的網(wǎng)絡通信基礎。此外，無線傳感網(wǎng)與5G和6G的結合將是大連接場景下農業(yè)元宇宙實現(xiàn)的基礎。

AI是指使機器能夠從經(jīng)驗中學習并執(zhí)行各種任務的理論和技術，在自然語言處理、計算機視覺和推薦系統(tǒng)等領域廣泛應用。AI是推動元宇宙發(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，賦予他們學習人類語言和對話風格的能力，使其學會理解人類意圖并有效表達自我意圖。AI還可用于輔助元宇宙中用戶的決策、管理、服務問題。此外，AI可以解決元宇宙中的語言問題，使得使用不同語言的元宇宙參與者實現(xiàn)無障礙溝通。

AI主要應用于農產(chǎn)品精準信息服務和輔助決策等領域。在農業(yè)元宇宙中，AI是農業(yè)元宇宙的大腦，為農業(yè)元宇宙提供智慧，在農業(yè)虛擬人物等領域具有廣闊的應用前景。

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

IoT目前在農業(yè)領域應用廣泛，農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在農業(yè)大棚、生鮮產(chǎn)銷和病害識別等領域均有應用。在農業(yè)元宇宙中，IoT負責采集現(xiàn)實世界的農業(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)實世界的一致性，使其更加精準地描述現(xiàn)實世界，是農業(yè)元宇宙獲取現(xiàn)實農業(yè)狀態(tài)的主要途徑之一。

三維重建是指在計算機中建立一個表達客觀世界三維物體的數(shù)學模型，并可對其進行處理、操作和分析。三維重建目前已廣泛應用于土木工程［、城市重建、文化遺產(chǎn)數(shù)字化等多個領域。對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)實世界的位置對應具有重要意義。

三維重建技術在農業(yè)領域主要應用于農產(chǎn)品分級、產(chǎn)量預測和作物表型研究等領域。在農業(yè)元宇宙中，三維重建技術可以為農業(yè)元宇宙描述現(xiàn)實世界提供技術支持，可將現(xiàn)實世界的農業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)提供給農業(yè)元宇宙系統(tǒng)，是IoT數(shù)據(jù)采集的有力補充。

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

農業(yè)元宇宙不可避免地會產(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)實世界的計算能力和存儲能力。云計算在成本、穩(wěn)定性、安全性和效率方面具有極大的優(yōu)勢。此外，邊緣計算的引入可以增強系統(tǒng)的處理能力，使得處理更靠近用戶，元宇宙的體驗更加流暢。

在農業(yè)領域，云計算和邊緣技術在害蟲識別和農業(yè)決策領域應用廣泛。農業(yè)數(shù)據(jù)量大且多源異構，云計算和邊緣計算是擴展農業(yè)元宇宙系統(tǒng)計算能力和存儲能力的關鍵技術。

XR是AR、VR、MR等多種技術的統(tǒng)稱，指的是由計算機技術和可穿戴設備產(chǎn)生的真實和虛擬結合的環(huán)境和人機交互。AR是一種將數(shù)字信息疊加在現(xiàn)實世界中的物體或地點上增強用戶體驗的技術，具有結合現(xiàn)實和數(shù)字信息的能力。VR通過計算機模擬虛擬環(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。參與者可以通過特殊的人機交互設備感受和觸摸虛擬對象，從而產(chǎn)生這些對象確實存在的感覺。MR則通過在虛擬環(huán)境中引入現(xiàn)實環(huán)境的場景信息，在虛擬世界、現(xiàn)實世界和用戶之間搭建起一個交互反饋的信息回路，以增強用戶體驗的真實感。

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

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

因腦機接口技術成本和接受度問題，在農業(yè)領域，腦機接口應用還較少。未來在農業(yè)元宇宙中，腦機接口可作為XR技術的補充，提供給農業(yè)元宇宙用戶更高的體驗。

數(shù)字孿生（Digital Twins，DT）指的是以數(shù)字化方式在信息化平臺內建立、模擬一個物理實體、流程或系統(tǒng)在現(xiàn)實環(huán)境中的行為。借助于數(shù)字孿生，可以通過虛實交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化等手段在信息化平臺上了解物理實體的狀態(tài)，并對物理實體里預定義的接口元件進行控制。這種物理世界與數(shù)字世界的綁定是構建元宇宙的基礎，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“模型”。此外，數(shù)字世界不僅可以表示物理世界的當前狀態(tài)，也可基于物理世界的發(fā)展和虛實世界的交互去模擬過去狀態(tài)和預測未來狀態(tài)。

農業(yè)中的物理系統(tǒng)或物理世界是一個復雜的動態(tài)環(huán)境，包括大氣、土壤、作物、農業(yè)機械設備、操作員和管理措施等多個層級的信息和特征。通過溫度、土壤、光照等農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設備采集物理世界的實時信息，通過物理世界的信息感知驅動數(shù)字世界的融合建模。農業(yè)數(shù)字孿生系統(tǒng)架構如圖2所示。

圖2 農業(yè)數(shù)字孿生系統(tǒng)架構圖

Fig. 2 The framework of digital twins for agriculture

農業(yè)數(shù)字孿生系統(tǒng)的蓬勃發(fā)展有助于推動農業(yè)元宇宙的加速落地。表1對一些農業(yè)數(shù)字孿生系統(tǒng)進行了總結整理，目前農業(yè)數(shù)字孿生技術已在農業(yè)的多個領域應用，其中在農業(yè)生產(chǎn)領域應用最為廣泛。

表1 農業(yè)數(shù)字孿生系統(tǒng)

Table 1 The digital twins system for agriculture

平行系統(tǒng)是指由某一個現(xiàn)實系統(tǒng)和對應的一個或多個虛擬或理想的人工系統(tǒng)所組成的共同系統(tǒng)，實現(xiàn)虛擬和現(xiàn)實的結合。平行系統(tǒng)通過整合人工社會，計算實驗和平行執(zhí)行等方法， 形成新的計算研究體系。其目的是基于人工系統(tǒng)（Artificial Systems，A）、計算實驗 （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、難以預測的復雜系統(tǒng)。

平行農業(yè)是指通過在虛擬空間構建人工農業(yè)系統(tǒng)描述實際的農業(yè)系統(tǒng)問題，并利用構建出的人工農業(yè)系統(tǒng)對未來發(fā)展進行預估和優(yōu)化，最終實現(xiàn)人工農業(yè)系統(tǒng)與實際農業(yè)系統(tǒng)兩者間持續(xù)的相互作用、相互反饋和相互引導，指導農業(yè)發(fā)展，其系統(tǒng)架構如圖3所示。目前，平行農業(yè)已在植物生長建模、產(chǎn)量預測和智能決策等領域廣泛引用。

圖3 基于ACP的平行農業(yè)系統(tǒng)架構圖

Fig. 3 The framework of parallel agriculture based on artificial systems， computational experiments and parallel execution

農業(yè)數(shù)字孿生和平行農業(yè)有相同之處但也存在側重點的區(qū)別。農業(yè)數(shù)字孿生和平行農業(yè)均為解決信息、物理、社會融合這一科學問題提供了新的解決思路，且兩者都與先進傳感采集、仿真、高性能計算、智能算法等的發(fā)展有著密不可分的關系。農業(yè)數(shù)字孿生系統(tǒng)側重于針對機理明確的農業(yè)系統(tǒng)，構建農業(yè)數(shù)字孿生系統(tǒng)通常需要人工構建的虛擬農業(yè)系統(tǒng)和實際物理農業(yè)系統(tǒng)在狀態(tài)轉換、觀測、控制的機理上相互對應。而平行農業(yè)可以對尚未明確機理的復雜農業(yè)系統(tǒng)做出構建和解釋。

農業(yè)數(shù)字孿生和平行農業(yè)通過構建虛擬世界實現(xiàn)對物理世界的預測和控制，是農業(yè)元宇宙的雛形。但農業(yè)數(shù)字孿生和平行農業(yè)構建的虛擬世界和現(xiàn)實世界相對獨立，人在系統(tǒng)中處于輔助地位，無法沉浸于虛擬世界。農業(yè)元宇宙相比農業(yè)數(shù)字孿生和平行農業(yè)，更加注重參與人的體驗和交互，關注參與人的沉浸感，而不僅僅是實現(xiàn)對物理系統(tǒng)的虛擬化。

未來農業(yè)數(shù)字孿生和平行農業(yè)還需結合VR、AR和MR等XR技術，增加數(shù)字世界與物理世界的交互，結合區(qū)塊鏈和NFT等技術解決數(shù)據(jù)確權等難題，實現(xiàn)更高級的農業(yè)元宇宙系統(tǒng)。