本發明涉及農業信息,具體為現實與虛擬數字空間結合的農業數字孿生管理系統。
背景技術:
1、在21世紀,隨著全球人口的不斷增長和城市化進程的加速,對農產品的需求持續增長,對農業生產效率和產量提出了更高的要求,同時,隨著科技的快速發展,尤其是信息技術、物聯網、大數據和人工智能技術的不斷成熟和應用,為農業生產方式的創新提供了強大的技術支撐。
2、傳統的農業管理方式往往依賴于人工巡查、經驗判斷和手工記錄,這種方式存在效率低下、信息獲取不準確、決策滯后的問題,難以實現對農作物生長環境的精準控制和資源的優化配置,導致農業生產效率低下、資源浪費嚴重、環境污染加劇,并且農業生產的復雜性和不確定性使得農業生產過程中存在較大的風險,需要采取有效的措施進行防范和應對,因此,如何借助現代科技手段,實現對農業生產的精準監控、科學決策和高效管理,成為了農業生產領域亟待解決的問題。
3、針對上述問題,有必要對現有的農業管理方式進行優化,利用物聯網技術實時采集園區內的環境數據和農作物生長數據,通過數字孿生技術構建園區的數字孿生模型,實現對園區的全面監控和管理,因此,開發一種能夠綜合實現上述特點的現實與虛擬數字空間結合的農業數字孿生管理系統具有重要意義。
技術實現思路
1、本發明的目的就是為了彌補現有技術的不足,提供了現實與虛擬數字空間結合的農業數字孿生管理系統,它能夠利用物聯網技術實時采集園區內的環境數據和農作物生長數據,通過數字孿生技術構建園區的數字孿生模型,實現對園區的全面監控和管理,同時該系統還提供了場景交互、模擬檢測和數據交互功能,為用戶提供了更加直觀、便捷的管理體驗,為農業生產提供了更高效、準確的管理和決策支持。
2、本發明為解決上述技術問題,提供如下技術方案:現實與虛擬數字空間結合的農業數字孿生管理系統,該系統包括以下組成部分:
3、園區總覽模塊:利用3d可視化技術構建園區的數字孿生模型,實現園區的全景展示,通過實時數據更新,反映園區內農作物的生長狀態和環境參數的實時信息,提供多視角、多尺度的觀察方式,便于用戶全面了解園區情況;
4、場景交互模塊:支持用戶與數字孿生模型進行實時交互,提供多種交互方式,包括手勢識別和語音控制以增強用戶體驗,用戶可以在虛擬環境中進行設備操作、參數調整的模擬操作,為實際生產提供參考;
5、基本檢測模塊:利用物聯網技術,實時采集園區內的環境數據和農作物生長數據,通過數據分析,評估農作物的生長狀況,及時發現潛在問題,同時提供異常預警功能,對于環境參數或農作物生長數據出現異常,可及時通知用戶;
6、模擬檢測模塊:基于數字孿生模型,模擬不同環境因素對農作物生長的影響,用戶可以設置不同的參數組合,進行多方案比較和優化,通過模擬結果,為實際生產提供科學決策依據;
7、數據交互模塊:構建統一的數據管理平臺,實現園區內各種數據的集成和共享,支持數據的實時查詢、統計和分析功能,方便用戶進行數據驅動的決策,同時提供數據接口,與其他系統進行數據交互和集成,實現農業管理的全面數字化。
8、進一步地,所述園區總覽模塊收集園區的地理數據、建筑物布局、設備位置信息,利用3d建模軟件,根據收集的數據構建園區的數字孿生模型,通過物聯網設備實時收集園區內的環境參數和農作物生長數據,并將其集成到數字孿生模型中,通過用戶界面展示園區的全景視圖,用戶可以選擇不同的視角和尺度進行觀察。
9、更進一步地,所述場景交互模塊通過虛擬現實設備與系統進行連接,用戶根據需求選擇相應的交互方式,包括手勢識別、語音控制,同時用戶通過虛擬現實設備進入虛擬園區進行巡視,觀察農作物的生長狀態和環境參數,并且可以在虛擬環境中進行設備操作、參數調整的模擬操作,觀察模擬結果并據此進行實際生產的調整。
10、更進一步地,所述場景交互模塊通過采用卷積神經網絡算法實現高效且準確的手勢識別和圖像識別功能,從而提升用戶與虛擬農業場景的交互體驗,其計算公式為:其中,s(i,j)是卷積后特征圖在位置(i,j)的像素值,i(i+m,j+n)是輸入圖像在位置(i+m,j+n)的像素值,k(m,n)是卷積核在(m,n)的權重值。
11、更進一步地,所述基本檢測模塊在園區內部署物聯網設備,包括溫濕度傳感器、光照傳感器,用于實時采集環境數據,通過無人機、智能農機設備收集農作物的生長數據,包括葉片顏色、株高、果實大小,對收集到的數據進行分析,評估農作物的生長狀況,判斷是否存在潛在問題,對于環境參數或農作物生長數據出現異常情況,系統自動觸發預警機制,通知用戶及時采取措施。
12、更進一步地,所述基本檢測模塊采用相關性分析算法評估農作物生長狀況和潛在問題,通過計算農作物生長參數與環境因素之間的相關系數,以評估農作物生長狀況并預測潛在問題,其計算公式為:其中rxy表示農作物生長參數x與環境因素y之間的相關系數,xi和yi分別表示第i個樣本點的農作物生長參數和環境因素的觀測值,和分別表示農作物生長參數和環境因素的樣本均值,n表示樣本數量。
13、更進一步地,所述模擬檢測模塊根據用戶實際需求,在數字孿生模型中設置不同的環境因素組合,系統根據設置的參數組合進行模擬運行,模擬農作物的生長過程和響應情況,將模擬結果以圖表、動畫的形式展示給用戶,方便用戶進行多方案比較和優化,基于模擬結果,為用戶提供科學決策依據,指導實際生產中的參數調整和設備操作。
14、更進一步地,所述數據交互模塊通過構建統一的數據管理平臺,將園區內各種數據源的數據進行集成和標準化處理,使用戶可以通過用戶界面實時查詢各種數據指標和報表信息,同時系統提供豐數據分析工具和方法,幫助用戶對數據進行深入挖掘和可視化展示,并且開發標準的數據接口和api,與其他系統進行數據交互和集成,實現農業管理的全面數字化。
15、更進一步地,所述所述該系統還包括數據分析和可視化模塊,用于對收集的數據進行分析和可視化展示,幫助用戶更好地理解農作物生長狀況和環境因素之間的關系,并作出相應的管理決策。
16、更進一步地,所述該系統的具體步驟為:
17、(1)系統登錄與初始化:打開農業數字孿生管理系統軟件,輸入預設的用戶名和密碼進行登錄,系統初始化完成后,將自動加載園區的數字孿生模型;
18、(2)園區總覽:系統將展示園區的3d數字孿生模型,用戶可以通過鼠標或觸摸屏進行旋轉、縮放和平移操作,從多個視角和尺度觀察園區,實時查看園區內農作物的生長狀態、環境參數的實時信息;
19、(3)場景交互:通過連接虛擬現實設備,并根據系統提示進行設備校準,進入虛擬園區進行巡視,通過手勢識別、語音控制的交互方式進行設備操作、參數調整的模擬操作,實時觀察模擬操作對園區內農作物生長和環境參數的影響;
20、(4)基本檢測:系統將實時展示園區內的環境數據和農作物生長數據,用戶可以設定自定義的數據展示方式,包括圖表、表格,以便更好地分析數據,對于環境參數或農作物生長數據出現異常情況,系統自動觸發異常預警,并通過系統界面或移動設備通知用戶;
21、(5)模擬檢測:用戶設定不同的環境參數組合,以模擬不同環境因素對農作物生長的影響,系統基于數字孿生模型進行模擬計算,并展示模擬結果,用戶可以根據模擬結果調整參數組合,進行多方案比較和優化,以找到最優的種植方案;
22、(6)數據交互:用戶可以通過統一的數據管理平臺查詢、統計和分析園區內的各種數據,系統提供數據可視化工具,幫助用戶更好地理解數據關系和趨勢,用戶可以通過數據接口與其他系統進行數據交互和集成,實現農業管理的全面數字化;
23、(7)退出系統:完成所有操作后,點擊主界面上的“退出”按鈕,系統將保存用戶的操作記錄和數據變更,并安全關閉系統。
24、與現有技術相比,該現實與虛擬數字空間結合的農業數字孿生管理系統具備如下有益效果:
25、一、本發明通過園區總覽模塊和模擬檢測模塊實現了對農業園區的全面監控和精準管理,實時更新的環境數據和農作物生長數據使得管理者能夠及時了解園區的生產狀況,并通過模擬檢測功能,預先模擬不同生產條件下的作物生長情況,為實際生產提供科學決策依據,極大地提升了農業管理的效率和決策質量,有助于實現農業生產的精準化和高效化。
26、二、本發明通過場景交互模塊使用戶與數字孿生模型進行實時交互,提供了包括手勢識別、語音控制的多種交互方式,使得用戶可以更加直觀、便捷地管理農業園區,用戶可以通過虛擬現實設備進入虛擬園區進行巡視,觀察農作物的生長狀態和環境參數,并進行設備操作、參數調整的模擬操作,從而在實際生產前進行預演和驗證,使得農業生產更加智能化、人性化,提高了用戶的滿意度和參與度。
27、本發明的其他優點、目標和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進行闡述,并且在某種程度上,基于對下文的考察研究對本領域技術人員而言將是顯而易見的,或者可以從本發明的實踐中得到教導。