Для содействия восстановлению сельского хозяйства необходимо внедрить широкий спектр нормативных, экономических и социальных изменений, но ключевым элементом этой головоломки являются технологии.
Фермеры интегрируют спутниковые снимки, дроны, наземные датчики, робототехнику и анализ данных с использованием искусственного интеллекта (ИИ) или машинного обучения (МО) в регенеративные или «умные» методы ведения сельского хозяйства. С помощью этих современных инструментов фермеры могут оптимизировать свою работу, бороться с деградацией почвы, увеличивать урожайность и повышать эффективность использования ресурсов. Эти технологии предоставляют информацию, которая ранее была недоступна, и их использование может помочь фермерам занять активную позицию в прогнозировании и адаптации к будущим изменениям.
Рост сельскохозяйственных издержек и ограниченный доступ к ресурсам всегда представляют собой проблему, но возможности, которые открывает технология, огромны. Интеграция технологических достижений может проложить путь к устойчивому управлению земельными ресурсами и повысить устойчивость сельского хозяйства — луч надежды на лучшее будущее. В этой статье мы проанализируем преобразующий потенциал технологий для восстановления деградированных земель, рассмотрим некоторые из доступных инструментов и потенциальных стратегий.
Инструменты для «умного» земледелия.
Несмотря на то, что это новая область, сектор «умного» земледелия, использующий сенсорные, коммуникационные и аналитические технологии для повышения эффективности, производительности и устойчивости методов ведения сельского хозяйства, уже растет. В 2023 году его стоимость достигла 22,65 млрд долларов, и ожидается, что в период с 2024 по 2030 год среднегодовой темп роста (CAGR) составит 13,7%. [footnoteRef:2]
В условиях постоянно растущих вызовов в этом секторе, «умное» сельское хозяйство стало жизненно важной инициативой. Оно включает в себя широкий спектр инструментов для использования новейших и самых передовых технологий и революционизирует методы оценки и улучшения землепользования, что приводит к более эффективным и устойчивым методам ведения сельского хозяйства.
Спутниковые снимки:
Несмотря на физическую удаленность от земли, спутниковые снимки являются одним из наиболее эффективных инструментов, имеющихся в нашем распоряжении. Мониторинг обширных сельскохозяйственных угодий, которые зачастую очень трудно осмотреть с земли, позволяет получить аэрофотоснимок местности и выявить скрытые закономерности эрозии, состояние растительности и землепользование. Эта информация помогает принимать целенаправленные меры для устранения первопричины проблемы.
Европейское космическое агентство (ESA) имеет долгую историю поддержки интеллектуального сельского хозяйства; например, оно регулярно публикует бесплатные данные со своих спутников. В дополнение к этим точным изображениям, миссия ESA по изучению влажности почвы и солености океана (SMOS) предоставляет данные об уровне влажности почвы, которые фермеры могут использовать для планирования орошения и которые предупреждают их о засухе или дефиците воды.
Датчики почвы:
Вместо традиционных лабораторных анализов состояния почвы, интеллектуальные датчики почвы обеспечивают непрерывный сбор данных о состоянии земли в режиме реального времени. Эти датчики отслеживают уровень влажности, содержание питательных веществ и уровень pH, предоставляя подробную картину состояния почвы и ее способности поддерживать растительность. На деградированных землях использование таких датчиков, как датчик почвы Seeed Studio MODBUS-RTU RS485 (рис. 1), позволяет получать интеллектуальные данные, выявляющие скрытые проблемы почвы.
Датчики влажности и температуры Seeed Studio имеют класс защиты IP68, поэтому их можно оставлять на полу на длительное время (источник: Mouser Electronics)
Датчики объединяют измерения влажности, температуры и электрического тока (опционально) в почве для выявления проблем; это обеспечивает получение интеллектуальной информации и позволяет лучше управлять ресурсами, особенно водой.
Интеллектуальная автоматизация
: Автоматизация в сельском хозяйстве открыла новые возможности, связанные с эффективностью и точностью. Множество задач, таких как орошение или борьба с вредителями, могут быть автоматизированы, что способствует более эффективному использованию ресурсов, улучшению здоровья и повышению урожайности сельскохозяйственных культур.
Кроме того, существуют дополнительные приложения, которые могут обеспечить еще более высокий уровень эффективности. Например, агровольтаические системы (изображение 2) используют мобильные и автоматизированные солнечные панели для покрытия животных и посевов, вырабатывая энергию и одновременно защищая или улучшая условия выращивания.
Важные электронные компоненты этих решений, такие как микроконтроллеры и беспроводные и радиочастотные модули, постоянно совершенствуются, что будет способствовать улучшению применения и эффективности автоматизации, а также снижению затрат на внедрение.
Стратегии улучшения условий выращивания:
При применении мер регенеративного земледелия необходимо определить несколько важных областей. Первым шагом является определение конкретных проблем почвы до начала ее использования; то есть, будет ли она использоваться для выпаса скота, обработки земли или рекреационной деятельности.
Далее, крайне важно определить имеющиеся ресурсы, как экономические, так и материальные, для обеспечения жизнеспособности запланированной трансформации. Усилия по восстановлению почвы и стратегии возвращения дикой природы оказали значительное влияние, но все еще существуют ограничения, которые необходимо учитывать.
Оптимизация почвенного стока:
Спутниковые снимки имеют важное значение для восстановления почвы и могут использоваться как для мониторинга процесса, так и для планирования стока. Плантации и леса, плохо оптимизированные для топографии почвы, легко подвержены эрозии и стоку воды, что приводит к потере питательных веществ почвой. Спутниковые снимки позволяют нам реорганизовывать почву в соответствии с принципом проектирования Keyline, [сноска:4] который предлагает множество преимуществ, особенно на сухих горных пастбищах. Этот принцип определяет естественный поток воды и оптимизирует подачу воды и удобрений в соответствии с этим естественным движением посредством террасной планировки, помогая предотвратить сток и сократить использование ресурсов.
В отчете «Примеры из практики: регенеративное сельское хозяйство в действии», подготовленном Европейским институтом инноваций и технологий, рассматривался случай фермы в Италии, где наблюдалась значительная разница в высоте между различными участками пастбища: на нижнем участке высота достигала 1,8 м, в то время как на холмах она составляла всего 70 см. Однако после применения метода Keyline заметной разницы не наблюдалось
Точное выпасание скота:
спутниковые снимки также помогают оценить воздействие скота на почву, что упрощает внедрение более точных методов выпаса, минимизирующих воздействие на окружающую среду и улучшающих благополучие животных. Это можно интегрировать с интеллектуальными решениями для выпаса скота, включающими модули точного позиционирования и связь через Интернет вещей (IoT). В результате фермеры могут более эффективно контролировать скот и расширять доступ к большим пастбищам.
Модуль позиционирования u-blox MAX-M10 отличается высокой точностью обнаружения и потребляет всего 25 мВт, что обеспечивает длительный срок службы батареи. Это устройство можно комбинировать с модулем Bluetooth®, например, с модулем Bluetooth 5.2 u-blox NORA-B1, для локальной связи в сети IoT. В качестве альтернативы, радиочастотный модуль серии u-blox SARA-R4 (на фото) обеспечивает как мобильное позиционирование по LTE, так и позиционирование по глобальной навигационной спутниковой системе (GNSS) в одном модуле.
Плата u-blox SARA-R4 выпускается в миниатюрном форм-факторе SARA LGA (26×16 мм и 96 контактов) (источник: Mouser Electronics)
Реализация распределенного интеллекта:
В отличие от систем с фиксированным порогом или множественной линейной регрессии, система ИИ обеспечивает более высокий уровень адаптивности и может постоянно совершенствоваться и самонастраиваться по мере получения новых данных. Одной из таких систем является Edge Impulse: аппаратно-независимое решение, позволяющее развертывать децентрализованный интеллект на периферии сети, а не в облаке. Это устраняет необходимость в подключении к интернету и сокращает количество энергоемких компонентов.
Технология Edge Impulse была реализована в различном оборудовании, например, в плате Arduino Edge Control, для проектирования интеллектуальных систем орошения с использованием технологии AA. Контроллер Arduino специально разработан для наружного применения, например, для интеллектуального орошения или гидропоники, и имеет шестнадцать входов для гидростатических датчиков уровня воды, а также батарею 12 В, 5 Ач, которая может работать до 34 месяцев. Он включает в себя Bluetooth-соединение для локальной связи и может быть расширен с помощью модемов 2G/3G/CatM1/NB-IdC, LoRa®, Sigfox и Wi-Fi® путем добавления совместимых плат Arduino MKR. В практическом исследовании, проведенном Edge Impulse, контроллер Arduino был объединен с набором реле и гидростатических датчиков для создания системы управления и обратной связи для интеллектуального орошения сельскохозяйственных культур, направленной на максимизацию урожайности, минимизацию деградации почвы и сокращение потерь воды.
Устойчивые фермы:
Интеллектуальное восстановление почвы включает в себя сочетание инструментов и стратегий для возвращения почвы в состояние, пригодное для сбора урожая. В управлении почвой такие решения, как разработанное в тематическом исследовании Edge Impulse, позволяют контролируемо подавать ресурсы, такие как вода и удобрения, а также обеспечивают сложный механизм обратной связи в контексте более крупного проекта по восстановлению.
Интеллектуальные датчики являются эффективной отправной точкой для выявления существенных проблем со здоровьем почвы, но они являются частью более широкой системы непрерывного улучшения. Визуальный анализ, будь то непосредственное наблюдение или спутниковые снимки, помогает фермерам точно определить конкретные участки, где улучшенное управление почвой и распределение воды, растений и скота могут дать положительные результаты. Следуя этим процессам, собирая данные с почвенных датчиков и интеллектуальных систем орошения в этих местах, фермеры могут определить соответствующие уровни таких переменных, как оптимальная влажность или pH для конкретного участка земли.
Эти данные можно использовать для разработки более сложных прогностических моделей, способных учитывать будущие погодные условия, перемещение животных и другие факторы. В свою очередь, это способствует тщательному управлению земельными ресурсами, обеспечивая их поставку только тогда, когда это необходимо, минимизируя потери и повышая общую эффективность.
Оптимизация будущего:
по всему миру сочетание передовых технологий с замечательной трудовой этикой сельскохозяйственного сектора уже оказывает значительное влияние. По данным Boston Consulting Group (BCG), регенеративные методы могут увеличить прибыльность фермы на 70–120 процентов, а также сократить использование удобрений на 50 процентов и пестицидов до 75 процентов — при этом сохраняя или повышая производительность. [footnoteRef:7]
«Умное» сельское хозяйство позволяет нам более тесно взаимодействовать с природой, чтобы противодействовать последствиям чрезмерного земледелия и экстремальных погодных условий. Такие технологии, как почвенные датчики и спутниковые снимки, помогают нам понимать проблемы на местах на обширных территориях способами, которые были бы невозможны при лабораторных исследованиях. Кроме того, при постоянном использовании эти системы позволяют непрерывно регулировать подачу воды, пестицидов и удобрений, адаптируясь к изменениям почвенных и погодных условий, что помогает нам более эффективно удовлетворять будущие потребности в продовольствии.
Автор: Марк Патрик, директор по техническому контенту в регионе EMEA, Mouser Electronics.
