基于物聯網實時數據的交互式虛擬現代農業園區平臺軟硬件構建及應用

摘 要： 將虛擬現實、混合現實、增強現實和數字孿生等主流多媒體交互技術融入農業生產、生態、生活場景中，從北京市現代農業發展進程中的設施農業調控、會展農業體驗、休閑農業觀光和現代農業展示入手，獲取農業物聯網數據、農業園區場景數據、農作物生長點云數據等多種信息化數據，構建基于物聯網實時數據的交互式虛擬現代農業園區平臺?；谄脚_軟件，根據不同的實際需求、環境條件，配置研發滿足政府、專家、市民、農民和學生等受眾對于智慧化農事活動體驗、農業科普知識傳播、農業園區展示規劃及農業景觀重構展現等要求的體驗設備，為設施農園、休閑農莊、農業機構等提供完整的多媒體農業信息化交互體驗解決方案，達到節本增效、增收致富、知識普及、休閑觀光和提升信息化水平的目的。

關鍵詞：數字孿生；虛擬農業；交互體驗；物聯網；農業園區；設施農業

中圖分類號：S126 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1795（2024）04-0018-08

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2024.04.004

0 引言

智慧鄉村建設是新時代全力推進鄉村振興的重要途徑，目前我國鄉村建設中存在制約要素突出、產業競爭力不強和鄉村可持續發展動力不足等問題[1]。北京市農業工作中重點推動數字技術與生產經營、行業監管、公共服務和鄉村治理等深度融合。北京市數字農業農村工作在數字底座和基礎支撐、農業產業數字化、鄉村治理數字化及數字惠民等多個方面已取得成效[2]。數字農業農村關鍵核心技術取得新突破，到2025 年，北京市將全面建成鄉村振興大數據平臺，智慧農業發展水平提高到67.5%，數字鄉村發展水平由2020 年的44.9% 提高到74.5%。

農業信息化發展突飛猛進，北京市農業不斷向更高層次、更高科技和更集約化的方向發展，示范、引領的功能越來越強，因此，開發基于物聯網實時數據的交互式虛擬現代農業園區平臺軟硬件，引入數字孿生、農業元宇宙等最新概念及技術，打破時空、人為等一切壁壘，真正融合農業三產，進一步帶動農業信息化升級。

將物聯網技術、數字虛擬體驗技術應用于農業數字體驗、展示平臺，讓農業部門了解宏觀的園區發展情況，農業生產者隨時調控生產環境，居民休閑體驗沉浸式融入農業世界，交互式虛擬現代農業園區平臺軟硬件構建，以多維信息技術融合的新形式，改變農業生產方式、改進農業休閑體驗形式、改良農業三產供給消費，成為農業農村經濟發展的新動能。

1 建設需求

1.1 促進傳統農業轉型升級，提升園區信息化服務水平

以現代信息技術為基礎的農業信息服務體系是國民經濟和社會信息化的重要組成部分，對于推進都市型現代農業建設具有重大意義，信息技術具有科技含量高、發展速度快、滲透力和帶動力強的特點，強大的綜合信息服務能力為農業園區、觀光農園和政府部門提供相應的信息化服務[3]。

1.2 打破農業園區物理場景，促進安全高質高效生產

類比于工業4.0 實現制造物理世界和信息世界的互聯互通和智能化操作的目標，農業4.0 時代下實現對種植業全鏈條、全要素的智慧管控所急需突破的瓶頸是如何實現作物生產系統的物理世界和信息世界的交互與共融[4]。平臺可實現園區物聯網環境監控設備（土壤、空氣溫濕度、二氧化碳濃度、光照強度）數據的實時調用，虛擬場景中設備調控，使園區從智慧化到智能可視化進一步升級，從數據到數據圖形化破界，真實世界與虛擬信息世界深度融合。

1.3 創新農業科普傳播形式，沉浸體驗身臨其境

現代農業園區在科普知識方面投入不足、頂層設計不夠、信息化基礎設施落后及綜合網絡覆蓋率較低[5]。通過平臺軟件系統與硬件終端的配套建設，實現農業園區主題科普的深度體驗建設，針對大田作物、設施農業、畜牧養殖和經濟作物等不同分類，設計虛擬化場景，讓受眾化身為一只蜜蜂、變成維管束，穿越、化身為農業機械，沉浸式感受知識，了解知識。

1.4 打造區域品牌營銷渠道，倒逼產業格局正規發展

農技、農業電子商務是現代農業的重要內容，是轉變農業發展方式的重要手段，是促進現代農業發展的重要途徑，是精準扶貧的重要載體[6]。農業品牌化近年來也越來越受到重視，北京市推出北京優農品牌等一系列措施。平臺的融媒體功能搭建，可實現農業品牌渠道如抖音、微信等的暢通；通過不同身份，統一分發傳播品牌信息，提升產品品質；在消費者的反饋中，倒逼產品品質、包裝、性價比的格局發展。實現一二三產融合發展，帶動農業產業升級。

2 建設內容

2.1 整體架構體系

基于物聯網實時數據的交互式虛擬現代農業園區平臺（以下簡稱農業園區平臺）軟硬件整體架構如圖1所示。研發包含園區場景鳥瞰、自動漫游、自主漫游、品種展示、物聯網溫室調控及農業機器人人機互動等模塊，通過與網絡、硬件結合，打造集農業虛擬展示、遠程綜合管控、農知普及傳播、農業信息整合發布和農事活動深度體驗的綜合性平臺。

2.2 軟件功能

農業園區平臺軟件構成主要依靠數字孿生、三維建模、虛擬現實、UI 設計和物聯網數據接入等技術融合，如圖2 所示。以UNITY 平臺為基礎架構，涵蓋三維園區大場景實時渲染漫游、三維園區鳥瞰/作物微觀漫游、360°全景真實場景展示、物聯網環境數據三維仿真展示、虛擬場景遠程調控、物理環境物聯網獲取、三維新品種生長虛擬展示、智能設備虛擬化演示及實操體驗、園區多媒體信息在線發布和虛擬地球及虛擬交易10 個應用模塊。

2.2.1 三維園區大場景實時渲染漫游模塊

利用三維虛擬化技術，結合園區實際場景信息、園區范圍、主要建筑和園區特色等，進行環境圖像信息采集、貼圖獲取、展UV 貼圖和骨骼設定等，建設園區三維場景，實現在場景中設定路徑漫游、自主漫游，在園區規劃、園區現狀和園區未來展示中應用。

2.2.2 三維虛擬園區鳥瞰/作物體內微觀漫游模塊

實現園區漫游的鳥瞰路徑設定，系統空間場景中設置無人機、飛機、飛鳥等不同飛行器，實現高空5～500 m 鳥瞰飛行，同時構建作物內部三維場景，實現內部的漫游行走。使用專業的UNITY3D 圖形引擎進行交互體驗開發，可從人類看不到的角度上，實現漫游，模擬仿真蝴蝶、蜜蜂等多種昆蟲的飛行速度、飛行軌跡，體驗在園區的飛行過程。

2.2.3 360°全景真實場景展示模塊

運用360°全景攝像機獲取空間真實感圖像，通過專業平臺無縫縫合后，即可體驗高空真實場景、低空真實場景、設施室內真實場景漫游，提取場景真實信息進一步交互，虛實結合，補充展示。

2.2.4 物聯網環境數據三維仿真展示模塊

基于物聯網園區環境監測設備，包含空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強度、二氧化碳濃度傳感器及專業圖像捕捉設備的數據信息，接入系統中，在UNITY 平臺內，調用遠程傳感器數據，實現數據的實時查看、數據異常報警，并可根據實時數據驅動三維場景變化，直觀判斷設施、園區的環境情況。

2.2.5 虛擬場景遠程調控仿真模塊

遠程控制器控制指令接入虛擬場景中，在虛擬場景中按動按鈕，場景與真實設施實現同時操作，包含卷簾、濕簾、滴灌和噴水等操作，場景中根據傳感器信息，模擬操作結果，真實、直觀地看到農事操作過程，提升園區的信息化水平。

2.2.6 物理環境物聯網獲取表達模塊

物理環境物聯網獲取表達模塊主要實現對外界溫度、光照的信息獲取，并在系統中生成相應的場景，燈光、場景渲染信息與傳感器信息配匹，完成場景表達，為農事操作、農業預報等提供可視化手段。

2.2.7 三維新品種生長虛擬展示模塊

通過獲取作物從種子到果實的真三維點云數據信息，構建作物生長模型，模型導入場景中，實現場景內作物的真實感生長，可看到作物全生育期生長信息，包含作物形態信息、作物長勢信息和作物果實特性信息，為輔助規劃育種、種植規劃提供依據。

2.2.8 智能設備虛擬化演示及實操體驗模塊

通過輔助外設，如體感設備、VR 眼鏡、AR 設備等，實現三維園區內智能設備的演示及實操，包含噴灌系統演示、水肥一體化系統演示、綁藤作業、莖尖剝離及育種操作等，用戶傳感器通過手持傳感器設備實時捕獲用戶的觸碰、點擊、壓按、滑動和揮舞等交互動作數據，空間位置及交互行為數據獲取后交由交互系統進行交互行為解釋，現實空間中的位置信息經坐標變化和換算會映射到相應的虛擬環境中不同的位置節點上。不受空間、時間限制，體驗農業成果。

2.2.9 園區多媒體信息在線發布模塊

使用ECLIPSE 作為系統開發平臺，選用JAVA、HTML、JAVASCRIPS 和CSS 等為開發語言，融合計算機網絡技術、移動互聯網技術和數據庫技術等，進行多媒體信息在線發布模塊研發。主要功能包括權限管理、園區活動發布、園區產品交易、數據統計，以及園區商品價格實時顯示、更新和查詢等功能。

2.2.10 虛擬地球及虛擬交易模塊

以經過保密處理的農業區域三維虛擬仿真和實景數據為支撐，實現農業園區的三維地圖顯示、瀏覽和查詢功能，可設定瀏覽路徑，支持指南針和地圖導航，二維電子地圖中點擊任意點，三維場景可迅速切換到此處，實現快速空間定位功能，可以將重要的或視覺效果好的觀察位置保存成特定場景?？梢曰谝延械奶囟▓鼍吧蓜赢?，也可以將漫游的過程錄制成動畫，動畫可以被輸出成AVI 格式或EXE 文件。

（1）支持二、三維聯動。當二維系統中操作展示時，三維窗口要根據二維操作窗口的視圖范圍進行實時、快速調整。

（2）農業三維展示。實現農業設施的三維展示，用戶可在地圖上找到真實的三維模型；同時，進行農業三維與農業物聯網的結合，農業物聯網不僅能感知水、肥、熱、氣和光等外部環境變量信息，還能感知生物信息參數，如對蔬菜葉片中各種營養元素的感知。

2.3 交互終端體驗設備體系構建

農業園區平臺硬件終端體系如圖3 所示，將軟件不同的模塊組合，利用電缸數據驅動、多端信息通信、仿真控制等軟硬件結合技術，結合實際需求，研發一系列硬件產品，包含VR 多軸驅動蛋椅、可穿戴式立體眼鏡、手勢識別硬件及聯動電子沙盤等形式，進一步突出軟件功能，大大增加系統的沉浸感、參與性，累計在全國各地部署不同系統100 套以上。

2.3.1 農業園區平臺+VR 多軸聯動蛋椅

農業園區平臺+VR 多軸聯動蛋椅軟硬件交互設備更好地將平臺中的農業園區呈現出來，受眾坐在蛋椅中，包裹式空間和音響設備，增加了系統平臺的沉浸感，受眾握住手柄，可實現場景中查看物聯網數據，調控智慧化設備，設置不同的漫游路徑，受眾跟隨蛋椅的擺動，實現園區大場景、設施內部場景、顯微世界中自由穿梭漫游，可化身為一只小蜜蜂，化身為一頭牦牛，系統配置速度與動作行為模擬動物，身臨其境。農業園區平臺+VR 多軸聯動蛋椅軟硬件適配程序邏輯如圖4 所示。

2.3.2 農業園區平臺+多媒體數字沙盤

農業園區平臺+多媒體數字沙盤軟硬件交互設備的應用，主要為大型的農業產業園區規劃、農業發展成就展示，虛擬場景可實現與沙盤的實時聯動，虛擬口令調用沙盤燈帶，講解演示過程中，園區規劃、園區區位、園區發展和園區遠景等內容一目了然，呈現恢弘、大氣的效果，大幅度提升園區展示的信息化水平。農業園區平臺+多媒體數字沙盤軟硬件適配程序邏輯如圖5 所示。

2.3.3 農業園區平臺+VR 沉浸式可穿戴眼鏡

農業園區平臺+VR 沉浸式可穿戴眼鏡軟硬件交互設備的應用，主要為沉浸式展示展項設計包含作物微觀世界、土壤深層世界、蜂巢內部和動物體內部等，VR 沉浸式可穿戴眼鏡可以突破地理空間的限制，完全沉浸式體驗，通過與手柄相連，進一步在物理空間中與虛擬空間交互，配以講解詞、富媒體知識，實現農業場景、農業知識的深度體驗。農業園區平臺+VR 沉浸式可穿戴眼鏡軟硬件適配程序邏輯如圖6 所示。

2.3.4 農業園區平臺+VR 自行車

農業園區平臺+VR 自行車軟硬件交互設備，結合人體工學原理，實現三維園區場景中虛擬騎行，目視前方可以看到農業智慧化設備的工作，騎行系統更加自由地全程漫游，騎行速度和軌跡均可實現記錄。平臺在本硬件上的搭載，適用于科普園區、娛樂園區，實現消費者的消費行為。農業園區平臺+VR 自行車軟硬件適配程序邏輯如圖7 所示。

2.3.5 農業園區平臺+多點觸控屏一體機

農業園區平臺+多點觸控屏一體機軟硬件交互設備的應用，主要面向農業展示展會、農業院校和農業企業等，硬件特點是交互性好、實用性強、成本低和移動性強，農業園區平臺加載在多點觸控屏上，受眾可點擊屏幕，查看園區的基本信息、基本規劃設計和種植品種生長過程等，可以為企業、小型園區提供信息化展示輔助。農業園區平臺+多點觸控屏一體機軟硬件適配程序邏輯如圖8 所示。

2.3.6 農業園區平臺+全息展示立柜

農業園區平臺+全息展示立柜軟硬件交互設備在展示平臺軟件上，主要用于關鍵技術展示，結合硬件透明屏幕與后背鏤空設計的優勢，可將平臺中的硬件實物展示在全息柜中，如傳感器硬件、農業品種模型等，內容與實物結合，實現擴充展示、點擊交互展示，更加生動、形象、合理，虛實結合，使園區展示內容更鮮活，園區規劃設計更清晰。農業園區平臺+全息展示立柜軟硬件適配程序邏輯如圖9 所示。

3 建設創新點

3.1 多元化技術知識傳播創新

集成應用現代傳媒、空間設計與美術設計、多媒體交互、虛擬現實和增強現實等多種技術，可以走進植物的微觀世界，深入了解植物的真實構造；可以擺脫季節束縛，隨時進行操作，總結生產經驗；可以遠程操作，調控溫室生產[7]。真正實現了農業資源、信息和技術的共享，為農業園區管理者提供精準園區管理方案，同時，也實現了農業園區遠程觀光真實體驗園區風貌[8]。

3.2 適配型終端服務模式創新

針對不同的園區類型、農業場景類型和受眾類型，適配不同的硬件終端，硬件終端模塊的功能是通過傳感器采集數據并發送給中心服務器，以及接收中心服務器發送的控制指令實現對終端設備運行狀態的調控，實現個性化、智能化和多元化的滿足園區等的需求，推動當地農業信息化發展[9]。

3.3 全渠道媒體應用推廣創新

依據農業農村部《數字鄉村發展戰略綱要》的決策部署，打造數字農業農村綜合服務平臺，利用 5G 時代+大數據+虛擬現實技術，全面推進數字技術的綜合應用和集成示范[10]?；谖锫摼W實時數據的交互式虛擬現代農業園區平臺軟硬件充分結合5G 網絡，將線上、線下融為一體，園區信息發布模塊，將園區抖音、小紅書、微信等主流自媒體賬號集成，形成統一編輯、統一發布和在線統計等多種功能，實現直播場景與虛擬場景互動，為農業未來元宇宙打造奠定基礎，突破虛擬與現實的壁壘。

4 輻射帶動與推廣應用

農業園區平臺輻射帶動與推廣應用如圖10 所示。

4.1 北京市重大國際性農業主題展示、展覽、會議信息化支撐

從2014 年起，持續服務北京市展示、展覽和會議。2014 世界葡萄大會（延慶區張山營葡萄博覽園）、2014 世界種子大會（豐臺區王佐鎮）、2016 世界月季洲際大會（大興區魏善莊鎮）和2020 平谷休閑大會均應用了農業園區平臺。利用三維建模大場景實時渲染技術，搭建大會的全三維模型，利用可交互式觸控屏，呈現大會的建設規模、建設目的和整體建設格局，從空中鳥瞰即可看到整體大會的盛景，成為向世界展示中國農業產業發展的靚麗名片。

4.2 北京市都市型現代農業產業園區智慧生產體驗科技支撐

都市型現代農業信息服務體系應該緊跟時代步伐，將物聯網、云計算技術、智能圖像識別技術等先進的現代信息技術應用到農業信息收集、加工、存儲、分析、發布和服務等各個環節中，充分利用已經建成的各種骨干通信網絡設施（因特網、電信網、衛星網等），架設各種優勢互補的農業信息服務平臺[11]。從2008 年起，農業園區平臺就開始服務于北京市郊區農業園區，2007 北京市政府折子工程“京承路都市型現代農業走廊建設”建設20 個典型農業園區虛擬展示與體驗開始，先后服務了昌平區小湯山天安農業產業館、小湯山特菜大觀園、彩虹莊園、朝陽區農耕文化教育示范園、蟹島農園、順義七彩蝶文化創意園、通州種業園、邑仕莊園，奧金達生態科普館、密云區天葡莊園、那家貽園及平谷華都峪口等近40 個北京現代農業產業園。2010 年，科技部與北京市政府共建國家現代農業科技城，在北京市農科城網絡服務中心建設了農科城虛擬互動展示平臺，從生產型園區到觀光休閑型園區，提供了環境調控、展示展覽和技能培訓等多項服務功能，平臺的功能、架構不斷優化，硬件交互終端不斷更新，交互手段不斷創新，成為園區中重要的農業信息化展示、管理和體驗平臺。

4.3 北京市科普展覽及農業活動沉浸式信息化體驗支撐

開展農業科普宣傳具有提高農民科學文化水平、增強農民科學發展理念、推廣先進農業技術裝備和普及農業政策法規等重要作用，是助力鄉村振興的重要手段[12]。農業園區平臺軟硬件服務第一、二、三屆北京市農業嘉年華，利用三維建模，還原嘉年華的整體場地，接入嘉年華實時攝像頭數據，讓受眾在系統中即可了解嘉年華概況。農業園區物聯網交互體驗系統參加了2015、2016 年北京市科技周，科技周上，來自不同領域、不同年齡的受眾累計超1 萬人次對系統進行了體驗。該系統還代表北京市參加了澳門科技周，新穎的形式和科學內容，強烈地吸引了受眾，提升了他們對農業園區的了解，提高了受眾的基本科學素質。

4.4 輻射全國現代農業產業發展信息化支撐

2017 年以來，農業農村部、財政部累計支持創建250 個國家現代農業產業園，其中認定150 個，帶動各地建設7 000 多個省、市、縣產業園，初步形成園區引領農業現代化的新格局[12]。農業園區平臺軟硬件在北京農業領域的成功應用，并輻射到京外，為京外的國家現代農業產業園區提供了展覽展示、園區物聯網控制等信息化支撐。到目前為止，已在海南省南繁基地（籽種產業）、青海省澤庫縣現代農業產業園（牦牛產業）、山東蘭陵現代農業產業園（設施蔬菜產業）、湖南常德鼎城現代農業產業園（稻米產業）、青海省門源現代農業產業園（油菜、青稞產業）、山西省稷山縣現代農業產業園（蛋雞產業）及內蒙古克什克騰旗現代農業產業園（肉羊產業）等30 余個國家現代農業產業園示范應用，為產業園領導參觀、統籌規劃布局和產業生產輔助指導提供了信息化手段。

5 結束語

北京市農業發展圍繞打造農業科技強市目標，以建設一流的農業中關村為重點，對標農業科技創新世界先進標準和前沿水平，振興現代種業、智慧農業等高精尖產業，未來將成為具有全國引領作用和全球影響力的農業科技創新中心。

本研究提出的農業園區平臺軟硬件構建及應用，推動了數字孿生、農業元宇宙、物聯網遠程監控、多媒體全渠道分發和農業虛擬化等前沿科技在農業生產、生活和生態領域的應用，夯實數字底座和基礎支撐、有效提升鄉村產業數字化水平，推進農業生產數字化、鄉村服務數字化和農業科普信息化。

農業園區平臺的建設及應用，不僅為京津冀地區的農業信息化綜合服務提供樣板和典型經驗，還成為技術成果傘型輻射推廣中心，為全國農業產業園區建設助力，充分發揮沉浸式業態在恢復和擴大農業產業生產、消費方面的帶動作用，用形式多樣、內涵豐富和特色鮮明的沉浸式終端滿足不同需求，實現良好的社會效益和經濟效益，為提高我國農業信息化整體水平、推動多元化農業快速發展起到重要作用。

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