当前,设施农业正处于从传统模式向现代智慧农业加速跃迁的关键时期。数字孪生和大语言模型引领的技术变革浪潮为催生设施农业的创新发展模式提供了新的可能。二者携手打造的全场景数字化运营新范式,必将重塑农业生产的业态和价值链。农业科技工作者应顺应时代发展潮流,将数字孪生和大模型创新性地引入设施农业,为产业转型升级赋能。
数字孪生叠加计算机视觉技术,开启作物表型高效感知新纪元
作物表型信息是设施农业精细化管理的重要依据。传统人工调查存在效率低、主观性强等局限,已不能满足数字农业发展的需求。将数字孪生与3D视觉、多光谱成像等计算机视觉技术相结合,能够实现作物表型的自动化、高通量感知和表征。构建一套作物表型感知系统的关键步骤如下:
1. 数据采集:利用RGB相机、多光谱相机、激光雷达等成像设备,在不同生长时期对作物进行多角度、多模态的数据采集,获取可见光、近红外、点云等异构数据。
2. 三维重建:将多视角图像和点云数据输入到计算机视觉算法如SFM(Structure from Motion)、MVS(Multi-View Stereo)中进行配准拼接,生成作物的高精度三维模型。
3. 器官分割:采用语义分割算法如Mask R-CNN、DeepLab等对作物模型进行像素级标注,实现对茎、叶、果等不同器官的自动分割和识别。
4. 表型量化:基于分割结果,提取叶面积指数、茎粗、果实大小等作物关键形态参数,结合光谱信息分析叶绿素、氮素等生理指标,实现作物表型的数字化表征。
5. 知识挖掘:将表型数据与环境因子、品种性状、基因型等数据进行关联分析,探究作物对环境的动态响应规律,挖掘优良种质资源,指导品种选育和栽培管理。
将作物三维模型接入数字孪生系统,可实时映射其生长状态,并通过仿真分析对未来趋势进行预判,以便灵活调控光、温、水、肥等条件诱导作物向良性方向发育。作物表型大数据也可用于驱动LLM从海量知识中学习和总结种植经验,迭代优化各类管控模型。计算机视觉赋能的数字孪生使得对作物"了如指掌",是实现设施农业精准调控、提质增效的关键支撑。
大语言模型联通农业产供销,畅通"从农田到餐桌"全链路数字化
设施农业的数字化不应局限于生产环节,而应辐射到产业链的上下游。利用大语言模型强大的知识汇聚和信息抽取能力,可打通农资管理、农事操作、销售物流等各环节的数据孤岛,实现农业全产业链的互联互通。将LLM应用于农业产供销领域的场景和路径有:
1. 农资采购:农资供应商可利用LLM分析农场采购订单、库存消耗等数据,优化补货策略,提升供应链效率。LLM还能自动对比不同供应商的报价与历史口碑,为农场推荐性价比最优的采购渠道。
2. 种植指导:接入农业知识库后,LLM可根据农场地理位置、土壤气候等因素,定制适宜的种植计划、品种搭配、轮作倒茬等方案。并能针对关键农时节点提供精准管理指导。
3. 销售服务:LLM可对接电商平台,自动从农产品图像和描述中提取关键属性,快速生成产品主页,并针对用户评论智能客服。通过分析销售数据,LLM还能为农场优化定价、选品、营销等策略。
4. 溯源追踪:LLM能自动对农事操作记录、质检报告等数据进行语义理解和关联分析,快速回溯问题农产品的生产流向,或为优质农产品提供可信溯源证明。从而提升食品安全,打造"从农田到餐桌"全程可管可控的供应链。
5. 行业洞察:LLM可以海量农业互联网数据(如资讯、论坛、微博等)为基础,捕捉行业发展动向,感知市场需求变化,挖掘潜在商机,为农企高层决策提供情报支持。
LLM搭建起农业产供销环节的数据流转高速路,打通信息壁垒,让数字在农业全产业链上高效流动与增值,必将倒逼农业经营管理模式的系统性重构。伴随产销数据反哺生产决策,LLM和数字孪生形成闭环,以数据驱动产业链协同优化,最终实现设施农业提质、提速、提效的多重目标。
光、机、电、算、网融合,构筑未来设施农业的"新底座"
设施农业的数字化转型绝非单一技术的局部优化,而是多种新兴技术交叉融合的系统工程。围绕数字孪生和大语言模型,光、机、电、算、网等多领域技术正加速溶合,共同构筑起未来设施农业发展的"新底座"。
光学传感技术是数字孪生的"千里眼",它以多光谱成像、高光谱成像、热红外成像、荧光成像等技术手段,从宏观和微观尺度对农业对象进行快速无损检测,为全面感知复杂农业场景提供支撑。高速视觉传感器还可对接LLM,实时语义分析农场监控画面,对人、车、物等活动目标进行检测识别与异常报警。
农业机器人技术是数字孪生的"千手臂",它包括空中机器人(如植保无人机)和地面机器人(如智能拖拉机、采摘机器人等),可在LLM和数字孪生的调度指挥下执行农事操作,实现农机、农艺、农信深度融合的自主作业,破解农业生产"最后一公里"难题。值得一提的是,LLM还可赋予农机具备智能对话交互能力,使其成为农户的"智慧助手"。
电气自动化技术是数字孪生的"神经网络",它依托物联网实现农业生产环境与设备的全域感知与智能调控。通过各类传感器和控制器将LLM和数字孪生的调控指令转化为具体设备动作,构建起"感知-分析-决策-执行"的自动控制回路,确保设施农业生产全流程的数字化闭环管理。同时,5G、边缘计算等新一代通信与计算技术,为海量农业物联数据的高速传输与实时处理扫清了障碍。
以上新技术的交叉创新应用将从多维度重塑农业投入、农事操作、环境调控等生产要素,构建全新的数字化、网络化、智能化的设施农业技术体系,推动设施农业实现降本增效和绿色高质发展。我们要积极布局前沿技术融合创新,为设施农业插上腾飞的科技之翼。
