Локализация прогнозов и внедрение искусственного интеллекта позволяют сельхозпредприятию меньше зависеть от капризов природы
Проблема всех сельхозпроизводителей — зависимость их прибыли от погодных условий. Но риск засухи, оптимальный режим осадков или погодные параметры, сильнее влияющие на урожайность конкретной культуры, можно определять благодаря науке агрометеорологии. Агрометеорологические решения позволяют следить за текущим состоянием и делать прогнозы на самые разные сроки для конкретного участка. Разберемся, как современные технологии позволяют выращивать и собирать хороший урожай.
Зачем фермеру агроклиматология
Представим себе фермера, который планирует начать агробизнес на новом участке. Как ему определить, для каких культур лучше всего подходит земля? Найти ответ на этот вопрос во многом поможет агроклиматология — наука о влиянии климата на сельское хозяйство. Крупная агропромышленная компания всегда держит в штате одного или нескольких агрометеорологов или агроклиматологов, которые тщательно изучают территорию своих полей на предмет соответствия тем или иным культурам.
Сейчас фермер перед освоением нового поля может изучить его агроклиматические характеристики. Среди них — средняя температура за каждый день года, количество теплых дней, перепады температур, осадки, вероятность засухи. Рассчитывается длительность вегетационного периода. В итоге по этим данным можно понять самое главное: сколько времени в году будет у растений, чтобы расти, развиваться и давать урожай. Если выбранная для посадки культура «не вписывается» в эти показатели, ее лучше заменить на более подходящую.
Агроклиматических параметров много, их количество постоянно увеличивается, так как со временем появляется больше измерений и прогнозов. За погодой можно следить на очень разных горизонтах.
Прогноз на ближайшие несколько дней подскажет, ждать ли заморозков через неделю, поможет спланировать полив в засушливый период.
Прогноз на полгода — год нужен, чтобы оценить тенденции. Например, следующая зима, скорее всего, будет на один градус теплее средних показателей за последние 30 лет. Возможно, выпадет чуть меньше снега. Но если хотя бы на два-три дня придет сильный мороз, то из-за нехватки снега земля успеет промерзнуть. Несмотря на то, что зима теплая, этот короткий мороз может погубить озимое поле.
Долгосрочные прогнозы также позволяют оценить вероятность крупных природных катаклизмов.
Частично долгосрочные (до двух лет) и, в основном, климатические прогнозы (от двух лет) позволяют оценить изменения агроклиматических условий для конкретного поля. Такие прогнозы позволяют заранее узнать, например, о том, что из-за изменения климата через 5-10 лет на конкретном поле значительно снизится урожайность культуры, которая по текущим агроклиматическим условиям подобрана идеально. Или же спрогнозировать риск опасных явлений («в среднем через 10 лет на этом поле риск града будет выше на N%»).
Зачем фермерам прогноз погоды
Базовая необходимость для любого фермера — знание климата своего участка. Это нужно для понимания, где какие культуры можно выращивать, какие земли пригодны для определенного вида сельского хозяйства, а какие нет. Дальше пригодятся среднесрочный и краткосрочный прогнозы погоды для данной местности.
Когда фермер засеивает поле, то примерно представляет, исходя из данных о климате, в какие сроки это нужно делать. Затем корректирует их в соответствии со среднесрочным прогнозом, сдвигая посевную в ту или иную сторону на несколько дней. А краткосрочный прогноз позволяет принимать решения «на месте», в перспективе нескольких часов. Это актуально и для краткосрочных прогнозов опасных явлений, знание о которых позволяет вовремя перевести технику и людей в безопасное место.
Агрокультуры начали расти — важно, чтобы они не погибли от жары. Имея достаточно точный прогноз погоды, фермер успеет предпринять какие-то действия. Если он видит, что в следующую неделю будет аномальная жара, то понимает: надо приготовить технику, воду и людей для поливов. Прогнозы погоды помогают выбрать оптимальные сроки внесения удобрений — когда у земли будет необходимая для этого влажность. От погоды зависит размножение насекомых-вредителей — прогнозы «подскажут» время для обработки пестицидами.
Долгосрочный прогноз позволяет планировать сроки тех или иных работ, количество персонала и техники, приблизительный объем урожая. Среднесрочные и краткосрочные прогнозы помогают избежать рисков или уменьшить их, сэкономить средства. Зная, что через неделю настанут затяжные дожди, хозяйство должно приложить максимум усилий, чтобы закончить уборку урожая к этому сроку. А на период непогоды можно уменьшить количество временного персонала на уборке урожая, запланировать подготовку техники и другие работы «под крышей».
Наличие больших ресурсов позволяет использовать прогнозы погоды в более полной мере. Например, если ожидается очень сильный град — авиаслужбы могут разогнать облака, чтобы осадки выпали не на сельскохозяйственных территориях. Минус только один: очень большие расходы. Наверное, это может быть уместно в южных регионах для защиты винодельческих и других хозяйств.
По каким параметрам оценивать будущий урожай
В анализе мониторингов погоды фермеры ориентируются на ряд ключевых показателей, или индексов. Один из самых известных, простых и понятных индексов — NDVI. Это цифровой показатель качества и количества растительности на участке поля. Его оценивают по данным спутниковой съемки в различных каналах (на разных длинах волн). Так можно увидеть, как растения отражают и поглощают световые волны разной длины.
Индекс NDVI показывает, насколько растения активны и жизнеспособны, какая у них площадь зеленой поверхности. Например, здоровое растение хорошо поглощает красный свет и отражает инфракрасный. Из этого можно рассчитать дальнейшие индексы, которые тоже будут говорить о состоянии растения.
NDVI относится к спутниковым индексам. Путем математических операций со спутниковыми снимками в различных каналах получается индекс, отражающий физические процессы. Существуют и другие индексы такого же типа. Они могут отражать особенности состояния растений, которые не видны по NDVI, или больше подходят определенным видам культур. Благодаря им можно отслеживать фазы роста культур: идут ли они по графику или запаздывают. Если видно отставание — значит, полю необходимо орошение или внесение удобрений. Или наоборот — растения растут слишком бурно, и нужно готовиться к большому урожаю.
Еще один востребованный показатель — индекс влажности листа. Он важен для прогнозирования заболеваемости у растений. Развитие болезней происходит при сочетании некоторых условий, главные из которых — температура и влажность листа. Этот индекс рассчитывается очень просто. Если на поверхности листа есть влага, тогда индекс равен 1. Это можно определить, например, по 100% влажности воздуха или по наличию осадков. Листья влажные, поэтому созданы хорошие условия для развития заболеваний растений.
Таких индексов очень много. Они помогают оценивать, все ли хорошо с растениями сейчас, и делать прогнозы о их росте в перспективе.
Современные технологии и искусственный интеллект в сельскохозяйственных целях
Многие крупные агропредприятия имеют свои сети небольших полупрофессиональных станций, расставленных на полях. Они позволяют отслеживать ряд важных параметров: температуру воздуха, осадки, температуру и влажность почвы. Эти станции обладают датчиками, помещенными в почву, поэтому они могут следить за почвенными характеристиками. Такие показатели тоже очень важны фермерам. Например, после внесения в почву удобрений выпало слишком много осадков — она стала очень влажной. Удобрения растворились в воде и после ее ухода остались в виде солей — это нужно учитывать.
В США полупрофессиональные метеостанции фирмы Davis Instruments стали настолько популярными, особенно среди фермеров, что сейчас их десятки тысяч внутри страны и тысячи по всему миру. За счет установки недорогой станции можно было следить за характеристиками погоды и состоянием почвы на своем поле. Сейчас эти станции по всему миру объединены в общую сеть и могут принести еще больше пользы фермерам и не только, так как их данные можно использовать для создания более точных и локальных прогнозов погоды.
Есть и более сложные показатели, индивидуальные для каждого клиента в зависимости от того, что он выращивает, или особенностей его участка. Сделать прогноз точнее и локальнее, что очень важно при наличии разных полей и культур, сейчас помогает и искусственный интеллект (машинное обучение, нейросети). Чтобы у агропредприятий был доступ к такого рода данным, мы запустили платформу «Погода для бизнеса». С ее помощью из разных параметров можно настраивать погодные сценарии и предупреждения «под ключ». Например, сельхозпроизводитель задает сочетание температуры воздуха, влажности почвы и количества осадков. На основании этих данных он видит, в какие дни растениям требуется дополнительное орошение, когда лучше сеять или удобрять культуры без лишнего риска и многое другое.
Тренды ближайшего времени
Из-за изменения климата и, в первую очередь глобального потепления, будет больше экстремальных явлений, типа очень сильной жары, шквалистого ветра или ливневых осадков. При таких раскладах прогнозы погоды станут еще более ценными. Тот, кто умеет их использовать, сможет максимально сократить ущерб от негативных природных явлений.
2022 год в Европе запомнился экстремальной летней жарой. Это привело к сокращению производства кукурузы, подсолнечника и сои на 5,5-9,6%. В других регионах планеты, например в Китае, потери урожая из-за засухи достигали 70%. С 2015 по 2021 год Индия потеряла из-за наводнений 339 тыс. кв. км пахотных земель, и еще 350 тыс. кв. км — по причине засухи. Конечно, знание прогноза не позволит избежать стихии, но может серьезно сократить потери от нее.
Если климатический прогноз показывает, что в ближайшие годы стихийных явлений становится больше, фермеры могут планировать адаптационные мероприятия. Если высока вероятность новой засухи — строят новую систему орошения. Обратный пример: сильные ливневые осадки приводят к эрозии полей. В местах скопления излишков воды (небольшие овраги, ложбинки, канавки) почва размывается и разрушается. Площадь поля может стать меньше, она будет «съедаться» оврагами. Края этих оврагов нужно усиливать, сажать больше деревьев или даже делать бетонные сооружения.
Один из главных современных трендов в прогнозах погоды — локализация. Большинство прогнозов от разных поставщиков — это прогнозы на территорию в несколько десятков квадратных километров. Самые точные могут «ориентироваться» в километрах. То есть два поля на расстоянии 500-600 м друг от друга получают один и тот же прогноз. При этом реальная погода может на них сильно отличаться. Например, если одно из них выше другого, или они лежат на холмах под разным углом к солнцу.
Если у фермера есть данные по многолетним наблюдениям на конкретном поле — на их основе можно обучить искусственный интеллект. Это поможет локализовать прогнозы. Таким образом, глобальные прогнозы «адаптируют» к конкретным полям, культурам и требованиям. Это позволит сельхозпредприятию меньше зависеть от капризов природы, работать эффективнее, а значит получать больше прибыли.
Автор — руководитель сервиса «Яндекс Погода».
Мнение автора может не совпадать с позицией редакции.
