人工智能使农作物生产更加可持续
无人机监测田地杂草，机器人瞄准并治疗农作物病虫害，听起来像科幻小说，但实际上已经发生了，至少在一些实验农场是这样。波恩大学 PhenoRob 卓越集群的研究人员正在推动农业智能数字化，目前他们已经发布了一份未来需要优先解决的研究问题清单。他们的论文发表在《欧洲农学杂志》上。
如今，地球能够养活 80 多亿人口，这在很大程度上要归功于现代高效农业。然而，这种成功付出了高昂的代价。当前的耕作方法正在威胁生物多样性，而合成肥料的生产会产生温室气体，农用化学品正在污染水体和环境。
通过使用更有针对性的方法来缓解这些问题，例如，只在田地中杂草丛生的地方施用除草剂，而不是对整个区域进行处理。其他可能性是单独处理患病作物，只在真正需要的地方施肥。然而，这些策略极其复杂，几乎不可能通过常规手段大规模管理。
利用高科技和人工智能实现更加可持续和高效的发展
“答案之一可能是使用智能数字技术，”PhenoRob 卓越集群成员 Hugo Storm 解释道。波恩大学与于利希研究中心、圣奥古斯丁弗劳恩霍夫算法与科学计算研究所、明赫贝格莱布尼茨农业景观研究中心和哥廷根甜菜研究所合作开展大型项目，旨在利用新技术和人工智能 (AI) 使农业更高效、更环保。
研究人员来自各个领域，包括生态学、植物科学、土壤科学、计算机科学、机器人技术、大地测量学和农业经济学。在他们最近发表的立场文件中，他们列出了他们认为在短期内必须优先解决的步骤。“我们已经确定了几个关键的研究问题，”斯托姆说。其中之一涉及监测农田，以实时发现任何营养缺乏、杂草生长或虫害。卫星图像提供了粗略的概览，而无人机或机器人可以进行更详细的监测。后者可以系统地覆盖整个田地，甚至可以记录过程中单个植物的状况。“一个困难在于将所有这些信息联系在一起，”斯托姆的同事萨宾·赛德尔 (Sabine Seidel) 说，他与斯托姆一起协调了这份出版物：“例如，什么时候低分辨率就足够了?什么时候需要更详细?无人机需要如何飞行才能以最高效率观察所有作物，特别是那些有风险的作物?”
获得的数据可以反映当前的情况。然而，农民主要感兴趣的是权衡各种潜在策略及其可能产生的影响：我的作物可以承受多少杂草，我什么时候需要干预?我需要在哪里施肥，施肥量是多少?如果我少用农药，会发生什么?“要回答这些问题，你必须创建农田的数字副本，”塞德尔解释说。“有几种方法可以做到这一点。研究人员仍需要找出如何结合各种方法以获得更准确的模型。”还需要开发合适的方法来根据这些模型制定行动建议。从机器学习和人工智能中借鉴的技术在这两个领域都发挥着重要作用。
农民必须参与
然而，如果农作物生产真的要接受这场数字革命，那么真正付诸行动的人——农民——也需要相信它的好处。“展望未来，我们必须更加关注需要哪些基本条件才能获得认可，”大地测量学家海纳·库尔曼 (Heiner Kuhlmann) 教授说。他是卓越集群的两位发言人之一，另一位是机器人小组负责人西里尔·斯塔赫尼斯 (Cyrill Stachniss) 教授。“例如，你可以提供经济激励措施或对化肥的使用设定法律限制。”如今，这些工具的有效性，无论是单独使用还是组合使用，都可以使用计算机模型来衡量。
在论文中，PhenoRob 的研究人员还用实例展示了当前技术已经具备的能力。例如，可以创建种植区域的“数字孪生”，并借助传感器输入各种稳定数据流，例如检测根系生长或土壤中气态氮化合物的释放。“从中期来看，这将使施用的氮肥水平能够根据特定地点的营养丰富程度实时适应作物的需求，”Stachniss 教授补充道。因此，在某些地方，农业数字化革命已经比人们想象的更近了。
参与机构和资金
PhenoRob 卓越集群汇聚了来自波恩大学、于利希研究中心、圣奥古斯丁弗劳恩霍夫智能分析与信息系统研究所 (IAIS)、明歇贝格莱布尼茨农业景观研究中心和哥廷根甜菜研究所的研究人员。该项目由德国研究基金会 (DFG) 资助。
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