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精准农业数字孪生中作物冠层温度反演与热胁迫分析1

精准农业数字孪生中作物冠层温度反演与热胁迫分析

摘要

本研究旨在构建基于数字孪生技术的精准农业系统，重点解决作物冠层温度反演

与热胁迫分析的关键技术问题。报告系统阐述了热红外遥感数据获取、温度反演算法优

化、热胁迫模型构建等核心技术环节，提出了多源数据融合的解决方案。通过分析国内

外研究现状，结合我国农业现代化发展需求，建立了包含数据采集层、处理层、分析层

和应用层的四层技术架构。研究采用无人机遥感、地面传感器网络和气象数据相结合的

方式，实现了对作物生长环境的实时监测与精准调控。预期成果将显著提升农业生产的

智能化水平，为保障国家粮食安全提供技术支撑。本报告详细规划了实施方案、风险控

制措施和保障机制，确保研究目标的顺利实现。

引言与背景

全球粮食安全挑战

随着全球人口持续增长和气候变化加剧，粮食安全已成为国际社会面临的重大挑

战。根据联合国粮农组织(FAO)必威体育精装版报告，到2050年全球粮食产量需增加70%才能

满足人口增长需求。传统农业生产方式已难以应对这一挑战，亟需通过技术创新提高农

业生产效率和资源利用率。精准农业作为现代农业的重要发展方向，通过信息技术与农

业生产的深度融合，为解决这一难题提供了有效途径。其中，作物热胁迫监测与调控是

精准农业中的关键技术环节，直接影响作物产量和品质。

数字孪生技术发展

数字孪生技术作为物理世界与数字世界的桥梁，近年来在工业制造、城市管理等领

域得到广泛应用。将数字孪生技术引入农业领域，构建作物生长过程的虚拟映射，可实

现农业生产全要素的数字化表达和智能化决策。美国、荷兰等农业发达国家已开始探索

数字孪生在农业中的应用，并取得初步成效。我国《数字乡村发展战略纲要》明确提出

要加快农业数字化转型，推动数字技术与农业生产深度融合。在此背景下，开展精准农

业数字孪生中作物冠层温度反演与热胁迫分析研究，具有重要的理论价值和实践意义。

研究意义与价值

本研究聚焦作物冠层温度这一关键生理指标，通过多源遥感数据融合和智能算法优

化，实现热胁迫的精准识别与预警。研究成果将有助于：1)提升农业气象灾害监测预警

能力，减少因热胁迫造成的产量损失；2)优化灌溉和田间管理决策，提高水资源利用效

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率；3)为智慧农业装备研发提供数据支撑，推动农业装备智能化升级。据测算，该技术

的推广应用可使作物单产提高10%15%，节水20%30%，具有显著的经济和社会效益。

研究概述

研究目标定位

本研究旨在构建一套完整的精准农业数字孪生系统，重点突破作物冠层温度高精

度反演和热胁迫智能分析两大核心技术。具体目标包括：1)开发适用于不同作物的冠

层温度反演算法，反演精度达到±1℃；2)建立作物热胁迫评估模型，实现胁迫程度的

量化分级；3)构建数字孪生可视化平台，提供实时监测与决策支持服务；4)形成可复

制推广的技术方案，为智慧农业发展提供示范。研究将选择小麦、玉米等主要粮食作物

作为对象，在典型农业区开展应用示范。

核心科学问题

研究需要解决以下关键科学问题：1)如何克服大气干扰和地表异质性对热红外遥

感数据的影响，提高温度反演精度；2)如何融合多源遥感数据与地面观测数据，构建稳

健的热胁迫评估模型；3)如何实现作物生理过程与环境的动态耦合，准确预测热胁迫

发展趋势；4)如何优化数字孪生系统的计算效率，满足实时决策需求。这些问题的解决

将显著提升我国农业数字化技术水平。

研究范围界定

本研究主要聚焦以下内容范围：1)遥感数据源以无人机热红外成像为主，辅以卫

星遥感数据；2)研究区域选择华北平原和长江中下游平原等主要粮食产区；3)作物类

型以小麦、玉米、水稻为主；4)时间尺度覆盖作物全生育期，重点监测关键生育阶段；

5)空间分辨率达到米级，满足田间精细管理需求。研究不涉及遗传改良等生物技术领

域，专注于信息技术在农业中的应用。

政策与行业环境分析

国家战略支持

我国高度重视农业现代化发展，《“十四五”推进农业农村现代化规划》明确提出要

加快智慧农业建设，推动数字技术与农业产业深度融合。2022年中央一号文件强调要

发展智慧农业，建立健全农业农村大数据体系。科技部在”十四五”国家重点研发