創(chuàng)新突破：精準(zhǔn)型農(nóng)業(yè)與氣候不確定性

到2050年，世界人口預(yù)計(jì)將達(dá)到90億。雖然地球上的人口數(shù)量會(huì)增加，但可用于農(nóng)業(yè)的土地?cái)?shù)量是有限的 —— 可耕地面積的有限性使得每一塊土地都需要更高的產(chǎn)量以滿足不斷增長(zhǎng)的人口需求。

受氣候變化的影響，可能會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)更多的糧食變得越發(fā)困難。溫暖的大氣層含有更多的水分，使得產(chǎn)生強(qiáng)烈暴雨的可能性更大。氣候變化也可能增加干旱的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)氣溫升高可能會(huì)增加植物發(fā)生病蟲害的可能性。

IEEE高級(jí)會(huì)員、葡萄牙里斯本大學(xué)教授Octavian Adrian Postolache指出，農(nóng)民可能無(wú)法依靠過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)來(lái)種植未來(lái)的作物。

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)可能是解決其中一些緊迫挑戰(zhàn)的關(guān)鍵。

在最近的一次網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)上，作為IEEE儀器與測(cè)量協(xié)會(huì)杰出講師項(xiàng)目的一部分（https://ieee-ims.org/smart-sensing-systems-and-ai-precision-agriculture-climate-changes-era），Postolache描述了通過(guò)整合物聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星技術(shù)、無(wú)人機(jī)、云計(jì)算、移動(dòng)連接和人工智能等技術(shù)，為農(nóng)業(yè)帶來(lái)新的可能性。

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什么是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)？

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)一詞是指為水、農(nóng)藥和化肥等農(nóng)業(yè)投入找到“黃金地帶”的技術(shù)組合，以最大限度地提高產(chǎn)量和效率。這是關(guān)于這些投入的適量性——不要太多以至于多余的投入被浪費(fèi)，也不要太少以至于農(nóng)民的產(chǎn)量低于他們的能力。

它出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代，通過(guò)使用GPS引導(dǎo)的拖拉機(jī)（https://spectrum.ieee.org/john-deere-and-the-birth-of-precision-agriculture），農(nóng)民可以減少作物行之間的寬度，從而增加他們?cè)谝粔K土地上的種植量。拖拉機(jī)主要用于種植玉米和小麥等行作物的大型農(nóng)場(chǎng)。根據(jù)美國(guó)農(nóng)業(yè)部的數(shù)據(jù)（https://www.ars.usda.gov/oc/utm/benefits-and-evolution-of-precision-agriculture/），在美國(guó)，一半的大型行作物生產(chǎn)農(nóng)場(chǎng)依賴拖拉機(jī)指導(dǎo)。但精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)并不局限于拖拉機(jī)。人們?cè)絹?lái)越多地使用無(wú)人機(jī)施用殺蟲劑。

但在美國(guó)和世界各地，中小型農(nóng)場(chǎng)占農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的大部分。把精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的工具交到這些農(nóng)民手中可以幫助提高產(chǎn)量。Postolache設(shè)想了這一領(lǐng)域的大規(guī)模發(fā)展，他稱之為“以固定和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)為特征的分布式傳感系統(tǒng)”。他說(shuō)，這些工具現(xiàn)在已經(jīng)可用。

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新興工具

根據(jù)聯(lián)合國(guó)的一份報(bào)告，撒哈拉以南非洲和亞洲80%的糧食來(lái)自小農(nóng)場(chǎng)。新興的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)工具可能能夠?yàn)檩^小的農(nóng)場(chǎng)和種植行作物以外的作物的農(nóng)場(chǎng)提供服務(wù)。

這些工具包括以下內(nèi)容：

土壤傳感器測(cè)量土壤中的水分含量和養(yǎng)分，如氮、鉀和磷。過(guò)度澆水和過(guò)度施肥在農(nóng)業(yè)中很常見(jiàn)。土壤傳感器可以用來(lái)準(zhǔn)確識(shí)別需要關(guān)注的地區(qū)，并使農(nóng)民能夠減少不需要的化肥使用。Postolache的網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)詳細(xì)介紹了為此目的開發(fā)的幾種傳感器、使用它們的一些條件以及校準(zhǔn)它們的氣象考慮因素。

無(wú)人機(jī)和衛(wèi)星可用于遙感，以監(jiān)測(cè)缺水、害蟲滲透或植物健康地區(qū)。無(wú)人機(jī)還可以用于精確灌溉以及化肥和農(nóng)藥的施用。此外，Postolache的網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)指出，無(wú)人機(jī)和衛(wèi)星數(shù)據(jù)可以與固定土壤傳感器協(xié)同工作，創(chuàng)建農(nóng)場(chǎng)的全面圖像。

云和霧計(jì)算，用于存儲(chǔ)和分析傳感器和無(wú)人機(jī)收集的數(shù)據(jù)。霧計(jì)算架構(gòu)將有助于在較小的設(shè)備上存儲(chǔ)和處理數(shù)據(jù)，使自動(dòng)化決策更接近來(lái)源。

移動(dòng)通信，便于將數(shù)據(jù)從物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和傳感器傳輸?shù)皆贫?。平?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/1247/" target="_blank">電腦和智能手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備可能是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中最重要的工具之一，可以用來(lái)控制單個(gè)設(shè)備和機(jī)器。

人工智能可以更好地利用數(shù)據(jù)，這是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的生命線。例如，想象一下，一個(gè)農(nóng)民檢測(cè)到某種形式的作物損失，但無(wú)法確定其來(lái)源。農(nóng)民可能能夠使用圖像識(shí)別系統(tǒng)來(lái)識(shí)別造成損害的害蟲。該系統(tǒng)可能進(jìn)一步建議減輕損害的最佳行動(dòng)方案。人工智能還可以幫助農(nóng)民灌溉作物和優(yōu)化投入。

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)誕生于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)實(shí)踐與現(xiàn)代技術(shù)的結(jié)合，已成為高效和可持續(xù)農(nóng)業(yè)的基石。數(shù)據(jù)分析與古老的農(nóng)業(yè)傳統(tǒng)的融合不僅是一種技術(shù)進(jìn)化，也是實(shí)現(xiàn)全球糧食安全和可持續(xù)農(nóng)業(yè)的必要步驟。通過(guò)定制農(nóng)場(chǎng)投入的部署和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)作物健康狀況，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)有助于培育更具生產(chǎn)力和可持續(xù)性的農(nóng)業(yè)景觀，確保各種規(guī)模的農(nóng)場(chǎng)都能在當(dāng)今的數(shù)字時(shí)代蓬勃發(fā)展。