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基于农业气象服务的智慧农业虚拟仿真实训基地建设探索

2025-02-22 68 上传者：管理员

摘要：基于农业气象服务的智慧农业虚拟仿真实训基地建设是一项具有前瞻性和实用性的工程。通过虚拟仿真技术将农业气象服务与智慧农业生产有机结合，可为农业教育、培训和科研提供一个创新的平台。通过分析基地建设的重要意义，并深入探讨气象环境模拟、智慧农业生产模拟、教学与培训、科研与创新等方面的功能需求，提出建设智慧农业虚拟仿真实训基地的可行性建议，以期为该类基地的建设提供有益参考。

关键词：
农业气象服务
农业生产方式
实训基地
智慧农业
虚拟仿真
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随着全球气候变化的加剧,气象因素对农业生产的影响日益显著｡传统农业生产方式在应对复杂多变的气象条件时面临诸多挑战,而智慧农业的发展为提高农业对气象灾害的抵御能力和利用气象资源优化生产提供了新的途径[1]｡因此,建设基于农业气象服务的智慧农业虚拟仿真实训基地具有重要意义｡

1、农业气象服务与智慧农业概述

1.1农业气象服务的主要内容

农业气象服务的主要内容包括气象数据监测(如温度､湿度､降水､风速､日照等)､气象灾害预警(如干旱､洪涝､台风､霜冻等)､农业气候资源评估(如热量､水分､光照资源对农作物生长的适宜性)以及基于气象条件的农事建议(如播种､灌溉､施肥等)｡

1.2智慧农业中的气象应用

智慧农业中的气象应用主要指利用物联网､大数据､人工智能等技术,通过传感器和物联网等设施实时采集气象数据,并分析气象数据与农作物生长的关系,利用人工智能预测气象灾害对农作物产量的影响,并据此制订精准的农业生产决策,从而将农业气象服务的精准度提升到新的水平｡

2、智慧农业虚拟仿真实训基地建设的意义

2.1有助于提升农业生产智能化水平,促进农业可持续发展

智慧农业虚拟仿真实训基地可以促进物联网技术在传统种植业中的广泛应用,促进气象服务与智慧农业深度融合,通过培养更多懂技术的职业农民和农业生产者并指导､帮助他们根据气象数据精准调控设施农业中的环境参数,实现精准农业生产,提高农作物产量和品质,降低生产成本,增加农民收入,推动传统种植业向现代化､智能化方向发展,提高农业生产的智能化水平[2]｡智慧农业技术的应用有助于农业生产者合理利用气象资源,减少农业生产对环境的负面影响,避免资源浪费和环境污染,实现资源的高效利用｡例如,精准灌溉和施肥技术可以避免水资源和肥料的浪费,减少土壤污染,防止水体富营养化｡

2.2有助于构建高仿真虚拟环境,实现物联网技术全流程模拟

创建与传统种植业实际生产场景高度相似的､涵盖多种农作物和种植模式的虚拟环境,可以使学习者身临其境地体验农业生产过程｡通过模拟不同地区､不同季节､不同气候类型下的气象条件,并完整模拟物联网技术在传统种植业中的全流程应用,如从传感器数据采集､网络传输､数据处理到智能决策和执行控制,可以让学习者全面掌握智慧农业的技术体系,进一步了解气象因素对农业生产的影响,可促进农业经营者将最新技术应用到实际生产中,掌握利用气象数据优化生产决策和流程的方法｡

2.3有助于开展多层次教学与培训,满足培养现代农业人才的需求

传统种植业正在向智慧农业转型,需要大量既懂农业知识又掌握物联网等现代技术的复合型人才｡虚拟仿真实训基地这种实践与理论相结合的教学实践和科研实验模式丰富了教学资源和手段,使教师可以更加生动､形象地向学生传授智慧农业知识,让学生深入理解农业气象与智慧农业的关系等,提高了学生的学习兴趣和学习效果,培养了学生的实践能力､创新能力､解决问题的能力,提高了学生的综合素质以及教学质量和效果｡同时,可为农业院校培养出更多掌握物联网技术和传统种植业知识的复合型人才,为农业科技创新､农业产业升级提供了人才支持,满足了农业现代化发展的需求[3]｡

2.4有助于推动农业技术创新与推广,促进科研成果转化

虚拟仿真技术为科研人员提供了一个便捷､高效的研究平台,可以加速科研进程,降低科研成本和风险｡科研人员可以在虚拟仿真实训基地中快速开展各种农业新技术､新方案的模拟实验,缩短了研发周期,并可以在此类基地中开展新技术研发和应用示范活动,以提高研究效率｡

3、智慧农业虚拟仿真实训基地建设的功能需求分析

3.1气象环境模拟的功能需求

3.1.1多类型气象的数据模拟

能够准确模拟不同地区､不同季节､不同气候类型下的常规气象条件,包括温度､湿度､气压､降水､风速､风向､日照时长等｡同时,可以根据实际需求生成不同时间尺度(小时､天､月､年)的气象数据序列,以满足对农作物生长周期内气象条件变化的模拟需求｡

3.1.2极端气象的事件模拟

能够模拟并真实再现台风､暴雨､暴雪､干旱､霜冻､冰雹等极端气象事件的发生过程和影响范围,包括模拟极端气象事件的强度变化､持续时间､移动路径等,为灾害应对训练提供高度逼真的场景｡

3.1.3气象数据的动态调整

在模拟过程中允许用户手动或根据预设的规则,动态调整气象数据参数和模型,生成不同时空尺度的气象数据,包括历史气象数据重现和未来气象情景模拟,以便观察不同气象条件变化对智慧农业生产系统的即时影响,为研究气象因素与农业生产关系提供灵活的实验条件｡

3.1.4气象数据的可视化

能够将模拟生成的气象数据和不同季节的气候变化场景以直观可视化的方式呈现,并通过折线图､柱状图､等值线图等展示气象要素随时间或空间的变化规律,实现利用3D场景展示天气系统的空间分布和移动,将气象数据转化为可视化的气象场景,方便用户理解和分析气象信息｡

3.2智慧农业生产模拟的功能需求

3.2.1农作物生长全周期模拟

能够结合气象数据和农作物生长模型模拟不同作物在不同气象条件下的生长发育过程｡可以模拟温度､光照､水分等气象因素对作物生长速度､产量和品质的影响,并应考虑到各个生长阶段,涵盖多种常见农作物的生长模拟｡在模拟过程中要能精确反映不同气象条件对农作物生长速度､形态特征､生理指标､产量和品质的影响,使农作物生长模型与气象模型紧密联动｡

3.2.2农业设施的协同模拟

能够模拟温室､灌溉系统､通风系统､遮阳系统､保温系统等农业设施的运行状态和调控过程,展示设施农业在应对气象变化中的智能控制机制和作用效果｡这些设施的运行要与气象条件和农作物生长需求实时关联,例如,温室的温度､湿度调节可根据外界气象条件和内部作物生长阶段自动调整或手动控制设施的运行参数;灌溉系统可根据土壤湿度和作物需水规律控制水量,实现精准灌溉等｡

3.2.3农业生产的决策模拟

能够基于实时气象数据和农作物生长状态信息,运用智能决策算法生成农业生产决策建议,包括施肥量和施肥时间､病虫害防治时机和方法､灌溉量和灌溉频率､收获时间预测等,让用户体验智慧农业决策过程｡同时,能够模拟不同决策方案对农作物产量和品质的影响,允许用户对比和评估不同决策的优劣,体验智慧农业决策过程的复杂性和科学性｡

3.2.4多种农业的生产模式模拟

能够模拟不同的农业生产模式,如传统农业､精准农业､有机农业等生产模式在不同气象条件下的生产过程和效果,使用户可以了解各种生产模式对气象环境的适应性和利用效率,为农业生产模式的选择和优化提供参考｡

3.3教学与培训的功能需求

3.3.1课程设计与发布

教师能够方便地创建､编辑和发布个性化的课程,包括理论课程和实践课程｡课程内容可以包含多种形式的教学资源,如文本､图片､动画､视频､虚拟实验任务等,从而可满足不同教学目标和学生不同学习风格的需求｡

3.3.2在线学习与进度跟踪

学生可以通过网络随时随地登录系统进行课程学习,系统可以自动记录学生的学习进度､实验操作结果等,包括已完成的课程模块､观看的视频时长､参与的虚拟实验次数等信息,方便教师进行教学评估､及时给予指导和调整教学策略｡

3.3.3虚拟实验操作与指导

设计丰富多样的､与农业气象服务和智慧农业相关的虚拟实验,每个实验都配备详细的操作指南和背景知识介绍｡在实验过程中,系统可以实时提供操作提示,引导学生完成实验步骤,教师和学生可以在虚拟环境中进行实验操作,并获取实验指导和结果反馈,以提高学生的实践能力和解决问题的能力｡

3.3.4考核与评价体系

教师可以灵活设置课程考核方式,包括在线考试､实验报告､项目作业等｡系统能够自动评分(客观题)或辅助教师进行评分(主观题和实践操作),并生成详细的学生成绩报告和学习成效分析,为教学质量评估和改进提供依据｡

3.3.5交流互动平台

应具有在线讨论､答疑等互动交流功能,方便师生､学生之间针对课程内容､虚拟实验中的问题以及农业气象和智慧农业领域的热点话题进行交流和讨论,促进知识共享和协作学习｡

3.4科研与创新的功能需求

3.4.1数据采集与深度分析

能够在虚拟环境中为科研人员提供全面､便捷的数据采集接口,可获取包括气象原始数据､处理后的数据､农作物生长过程数据､农业设施运行数据等在内的多种类型数据｡同时,配备专业的数据分析工具,支持高级数据分析方法以及数据挖掘和机器学习算法,便于科研人员挖掘数据中的潜在规律和关系｡

3.4.2科研模型的开发与验证

科研人员可以在虚拟环境中测试和验证自己开发的农业气象模型或智慧农业决策模型｡通过将模型输出结果与虚拟仿真实训基地中的标准模型或实际观测数据进行对比分析,评估模型的准确性､可靠性和适用性,进而优化模型参数和算法结构,加速项目的研发进程｡

3.4.3创新实验的设计与实施

鼓励科研人员和学生开展新的农业气象服务技术和智慧农业应用的创新实验,并提供灵活的实验设计平台,支持测试新的气象传感器性能､评估新型农业设施在不同气象条件下的效能､探索新的基于气象大数据的农业生产模式等｡同时,提供资源共享和协作机制,促进跨学科､跨领域的研究与创新｡

3.4.4科研项目管理与成果展示

具备科研项目管理功能,可创建､跟踪和管理科研项目的各个阶段,包括项目计划､任务分配､进度监控等｡同时,提供成果展示平台,科研人员可以发布和分享研究成果､论文､专利等信息,促进学术交流和科研成果的转化应用｡

4、智慧农业虚拟仿真实训基地建设探索

4.1基地建设项目在规划阶段的可行性建议

首先,基于农业气象服务的智慧农业虚拟仿真实训基地的建设需要深入农业院校､科研机构､农业企业和基层农业部门,了解各方对此类基地的功能､教学和科研需求｡其次,对此类基地建设项目的技术可行性､经济可行性和实施可行性进行全面评估｡分析现有技术条件是否能够满足此类基地的建设要求,估算建设成本和运营成本,预测项目的经济效益和社会效益｡最后,制订建设方案｡根据需求调研和可行性研究结果制订详细的虚拟仿真实训基地建设方案,包括技术架构､功能模块设计､数据库设计､教学和科研应用规划､项目实施进度安排和预算分配等[4]｡

4.2基地建设项目在系统开发阶段的必要性建议

首先,按照硬件架构智慧农业虚拟仿真实训基地的设计要求采购服务器､网络设备､存储设备等硬件设施,并进行安装和调试,建立稳定的硬件运行环境｡其次,根据功能需求开发气象环境模拟模块､智慧农业生产模拟模块､教学与培训模块､科研与创新模块等软件系统｡采用规范的软件工程流程进行软件设计､编码､测试等工作,确保软件系统的质量和功能完整性｡最后,根据数据库设计方案,建立气象数据､农业生产数据､用户数据､教学数据和科研数据等数据库表结构,并安装数据录入､查询､修改和删除等功能接口,实现数据库的高效管理｡

4.3基地建设项目在系统集成与测试阶段的关键性建议

首先,集成智慧农业虚拟仿真实训基地的硬件系统和软件系统,实现各个功能模块之间的互联互通｡解决系统集成过程中出现的硬件与软件兼容性问题､数据传输问题等｡其次,对虚拟仿真实训基地进行全面测试,包括功能测试､性能测试､安全测试等｡最后,检查气象环境模拟是否准确､智慧农业生产模拟是否符合实际､教学和培训功能是否满足需求､科研功能是否完善以及系统的响应速度､稳定性和数据安全性等方面是否达标,针对测试中发现的问题及时进行修改和优化[5]｡

4.4基地建设项目在人员培训与运行阶段的重要性建议

首先,应组织农业院校教师､科研人员和农业技术人员等相关人员参加智慧农业虚拟仿真实训基地的使用培训｡培训内容应该包括此类基地的系统功能业链延长水平､农业附加值提升能力和带动辐射能力｡建立企业+合作社+基地+农户的利益联结机制,完善产业利益分配机制,增强产业凝聚力和市场竞争力,切实推动泰安市产业向规模化､集约化､高水平发展,实现农业产业高质量发展[7]｡

4、结束语

位于泰山脚下的泰安市,蕴藏着丰富的乡土优势资源和潜在的开发优势｡在乡村振兴战略和农文旅融合发展的大背景下,作为全国文旅城市和山东省农业大市的泰安,必须立足本土,努力探索,有所作为｡习近平总书记关于“土特产”助力产业振兴的重要论述,为泰安市产业破除发展困境､摆脱发展瓶颈､实现产业高质量发展提供行动指南｡因此,泰安市需因地制宜发展“土特产”,要立足本土优势资源,瞄准市场新需求,充分挖掘农业农村新功能;要用好泰山文旅这块“金字招牌”,培育打造乡村特色品牌;要加快发展新质生产力,推动产业集群高质量发展,从而真正助力泰安市全面推进乡村振兴,促进泰安市农业农村现代化建设｡

参考文献:

[1]习近平.加快建设农业强国推进农业农村现代化[J].新长征,2023(7):4-11.

[2]刘姗姗.泰安市农文旅融合发展路径探讨[J].文化月刊,2024(9):42-44.

[3]泰安市人民政府.泰政发〔2023〕1号泰安市人民政府关于印发加快农业优势特色产业高质量发展实施意见(2023—2027年)的通知[EB/OL].[2024-12-17].､

[4]发展新质生产力是推动高质量发展的内在要求和重要着力点[J].人民之声,2024(11):1.

[5]奋力谱写中国式现代化山东篇章———习近平总书记山东考察重要讲话指明方向､催人奋进[N].人民日报,2024-05-26(1).

[6]张珺,胡小芳.“一村一品”南阳市特色农产品助力乡村振兴高质量发展策略[J].河北农机,2024(18):154-156.

[7]李嘉伟.菏泽高新区引导特色农业高质量发展问题研究[D].济南:山东大学,2022.

基金资助:杨凌职业技术学院2024年科技创新项目(重点)“智慧农业平台在传统农业中的应用”(ZKZ24-13);

文章来源:解锋.基于农业气象服务的智慧农业虚拟仿真实训基地建设探索[J].山西农经,2025,(03):162-164+169.