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    從太空到田間:悄然進行中的農業數字革命

    2021-04-15 14:01 新浪科技

    導讀:三大發展,吹向了農業數字革命的號角。

    農業的數字革命,或許有益于企業,也有益于地球。農業的數字革命旨在用更少的農場經營,生產更多的糧食。這就意味著,農用化學品減少、重型機械減少、消耗的水也變少了,也不需要額外的土地了;并且對農民們來說,更重要的是,花在農耕上的時間也少了。

    三大發展,吹向了農業數字革命的號角。首先,傳感器技術的發展。如今的傳感器,體積異常小又極為便宜;其次,在農場和計算云之間傳輸數據的通信技術發展;以及最后,使用人工智能和機器學習處理海量信息數據的技術。

    康奈爾數字農業研究中心的主管蘇珊·麥庫奇說:“這可以幫助農民知道,牛羊群中有事情要發生或者果園需要照看?!丙湈炱骖A測,未來,灌溉系統中的傳感器將可以接受衛星信號以決定是否需要澆灌農作物——前提是土地已經干燥且沒有降雨預測。

    她說:“這就是物聯網與生物互聯網的結合,當然這需要海量數據分析能力。比如,我們正在研究奶牛。我們在奶牛的瘤胃中放置了納米傳感器,當奶牛的反芻行為有異樣時,農場主和獸醫就可以在癥狀顯現之前及時找到生病的奶牛?!?/p>

    到目前為止,農業中的大多數進步都屬于定義比較寬泛的“精準農業”。全球定位系統的到來和農業機械的發展,讓農民們現在可以更精準地播種、保護和收獲農作物,盡管精準農業的重點通常以大規模商品作物為主,如小麥、大豆和芥花籽油作物等。這項技術現如今已經與衛星和無人機攝像相結合,以監測雜草水平和綠蔭覆蓋、土壤分析、天氣模式和特定土地的歷史農作物產量數據等,接著再將這些數據輸入處理系統,處理系統會使用人工智能和機器學習來指導田間決策。

    這種海量數據的分層與后續的建模,可以幫助農民做出更好的決策,提供種植的成功可能性。他們擁有的信息越多,他們就可以更加精準地預測耕種決策的結果。他們是否應該在那塊田地里種這種莊稼呢?根據當前的天氣預報,這周播種跟下周播種會有什么區別?這種作物品種是否更適應這類型的土壤呢?知識為農業帶來強大的可預測性,并且也有大量企業正在收集數據,推動農業的數字革命。

    航空航天工程公司Planet就是這樣一家公司。Planet每天使用150個鞋盒大小的微型衛星,以3-5米(10-16英尺)的分辨率在全球拍攝300萬張單個圖像。圖像的拍攝節奏對農民尤其重要,因為這些數據的時效十分短暫。

    Planet的聯合創始人羅比·辛格勒說:“每日衛星拍攝可以在全球范圍內,在當地農場層面,使得實時決策成為可能。農民可以用更少的投入獲得更多的收入,減少營養溢出,并有效擴大再生耕作方式,比如免耕法(有證據證明,犁地會釋放土壤中的碳元素)和覆蓋作物耕作法。下游的消費品公司可以提高供應鏈的透明度,并兌現零森林砍伐的承諾。我們在2010年創辦Planet的時候,我們的愿景是創建一家可以從太空獲取信息,然后用這些信息幫助地球生命的公司。十年后,有了數百顆衛星之后,我們的技術現在可以協助政策的制定,并使農業成為應對氣候變換的一個不可或缺的工具?!?/p>

    讓我們回到地面。地球上最大的公司之一也打算深入田間,將自己的數據專家與傳感器技術和機器人創新相結合。X-The Moonshot Factory是谷歌母公司Alphabet旗下的創新引擎。這些年來,X公司一直在鉆研他們所謂的“計算農業”領域。項目負責人埃利奧特·格蘭特解釋說,Project Mineral項目團隊已經開發了一種現場機器人,該機器人可以通過3D成像與多層數據收集,監控作物中的每一株植物,以制定針對性的養護措施。

    格蘭特說:“Mineral的原型機器人將硬軟件與傳感技術相結合,利用我們在人工智能、仿真、傳感器和機器人領域取得的突破,幫助農民、飼養者還有農學家理解和預測植物的生長方式和與周圍環境的互動方式。在過去幾年中,我們與合作伙伴們共同努力,嘗試理解復雜的植物世界,努力進一步掌握這種復雜性,并致力于建立一個更加可持續、適應力更強和更高產的糧食系統?!?/p>

    ApisProtect在歐洲和北美洲監測著2000萬只蜜蜂,關注生產力下降的跡象

    說到食品生產,大自然中最重要的一個活動就是授粉。正是傳感器技術,在為植物的授粉活動保駕護航。菲奧娜·愛德華茲·墨菲從事傳感器技術的研究已有十多年。2013年,墨菲注意到蜜蜂中間的蜂群崩壞癥候群。從小在愛爾蘭鄉間長大的墨菲,十分清楚蜂群崩壞癥候群可能會對食品生產造成的影響。在拿到無線傳感網絡與嵌入式系統的博士學位之后,她選擇將自己所學到的尖端技術應用于解決蜜蜂的問題。為此,她成立了ApisProtect公司。她和她的團隊開發了一種監測技術,使用智能手機大小的設備全天候24小時不間斷地監測每一個蜂箱。接著,這項技術再運用機器學習算法,來解鎖數據背后的故事。今天,愛德華茲·墨菲和她的團隊在歐洲和北美洲監測著2000萬只蜜蜂,同時也在與愛爾蘭的商業養蜂人、業余養蜂人合作。

    她解釋說:“簡而言之,我們將傳感器技術和機器學習相結合,從而幫助養蜂人在養蜂過程中,減少損失,提高生產效率。我們將小型傳感器放置在蜂箱中,不斷收集數據——尤其是溫度、濕度、聲音和運動等數據,然后使用我們在過去三年中開發的機器學習技術,將這些數據轉化為有用的信息,能告訴我們蜂箱中的情況?!?/p>

    如果蜂箱遇到問題,傳感器可以監測并記錄下蜜蜂的行為變化,然后數據處理會提醒蜜蜂主人,蜂箱內可能出了一些問題。這不僅可以幫助養蜂人及時定位出問題的蜂箱,也可以減少對健康蜂箱的非必要檢查,從而避免打擾蜜蜂們的正?;顒?。

    墨菲說:“從本質上講,我們為養蜂人提供了講述他們的蜂箱內一切情況的圖片,然后他們可以據此選擇,哪一個蜂箱在當前節點需要實際干預。我們經過研究發現,80%的蜂箱不需要人為的干預。我們會找出哪些蜂箱行為異常,接下來就需要依靠養蜂人的專業技能了。所以,我們不是要成為醫生,我們其實是設備,告訴醫生應該關注哪些患者的設備?!?/p>

    數字革命也可以在食物鏈的另一側發揮作用,比如預測農作物的產量。盡管荷蘭的面積相對較小,但該國卻是全球番茄作物產量最高的國家。每平方英里產量接近132000噸。這些番茄的生長十分依賴溫室,因為密封的溫室可以讓農民精準地控制園藝條件,而且他們在這一領域的創新也屬世界一流。最近,Hortikey公司的安德里亞·霍夫蘭德解釋說,他們開發了一個名為“Plantalyzer”的機器人。

    霍夫蘭德說:“我們需要提高整個供應鏈的透明度,因為供應和需求的匹配之間存在一個很大的問題。預測作物產量,以前完全是靠人工完成的——靠眼睛觀察,無法規?;瘮U展,而且就算是專家來估計,也會存在很大的誤差率?!?/p>

    所以,我們引入了Plantalyzer。這個機器人可以通宵工作,測量底部兩到三個番茄藤,每晚對5000株植物的果實顏色和數量進行繪制。然后,這些視覺數據會使用與華盛頓大學合作開發的專業軟件進行處理,在第二天計算出預期產量,準確率在85%到95%之間。所有這些結合在一起,可以讓種植者在出售番茄時商定更好的價格協議,獲得更高的利潤率,高效地規劃運輸物流,避免浪費,更重要的是,避免超市貨架上缺貨。

    眾所周知,到2050年,地球上預期將再多出20億人口,如果我們希望喂飽這么多的人口,生產更多糧食迫在眉睫。與此同時,科學證據亦毫不留情地提醒我們,我們在生產更多糧食的同時,必須減少對環境的影響。根據聯合國糧食及農業組織的數據,26%的全球溫室氣體排放來自于農業;全球使用的淡水,有70%用于農業;78%的全球海洋和淡水富營養化(農用化學品流入水道,破壞原有水生生態系統的過程),也歸咎于農業。這些都是導致人為氣候變化和生態危機的重要因素。除此之外,我們還面臨其他日益嚴重的挑戰,比如土壤貧瘠、農用化學品使用以及野生棲息地減少所造成的生物多樣性損失等。如今,地球上約有一半的可居住土地用于農業,而在一千年前,用于農業的可居住土地僅4%。

    農業,因其造成的種種問題,已經越來越受到嚴密的關注。但是,不斷以盡可能低的成本生產糧食,這一個壓力仍舊是減少破壞性活動的政治與經濟障礙。數字技術和深度數據處理的引入,或許是協調地球與人類需求的一個催化劑,它可以幫助我們減少有害化學品的使用、在植株層面上定制作物養護方案,以及了解我們所依賴的生態系統。

    在康奈爾,蘇珊·麥克庫奇解釋說:“數字技術在農業上的應用對‘同一健康’這個概念具有巨大的影響。如今,在公共衛生政策領域,同一健康這個概念正變得越來越重要。這是地球的健康,也是人類的健康、動物的健康、植物的健康——所有構成整個互聯網絡的生物的健康。當你開始把這一切視為一整個非常復雜的系統時,由于它的復雜性遠超過了我們人類大腦的能力,你就需要新的工具來監測這個系統,從而實時地輸入數據并采取適當的應對措施?!?/p>

    這一次非同尋常的農業革命,將給我們帶來巨大的希望和收獲。但麥克庫奇的言語中不乏警示之意。她說:“農業數字革命可以解決這個世界上的許多糧食過剩和糧食不平等的問題。我們可以創造一個更加健康的糧食供應,我們可以更加平等的分配糧食。但是,任何變化,在惠及一部分的人時候,也會損害到另一部分人的利益。如果機器人和信息管理可以勝任大量工作,那么先前以此為生且教育水平不高的人們將逐漸失去工作,失去收入來源。我們的社會又該如何處理這個問題呢?政府政策不能缺失,而且由于新的設備和維護需要大量投資,許多小農場主未必能夠及時享受到數字農業帶來的美好前景?!?/p>

    麥克庫奇還說:“同樣重要的是,我們又該如何整體評估系統即時生成的這些耕種建議呢?畢竟了解這些系統的人少之又少?!?/p>

    麥克庫奇提醒說,我們不能簡單的將農業視為一種生產卡路里的機械方式——純粹由投入和產生構成的系統。相反,我們需要思考,如何通過我們與大地之間的紐帶,與自然世界保持有意義的關系。