Цифровой двойник предскажет урожай
Российские и китайские ученые разработали метод создания цифровых двойников растений, которые могут предсказывать неурожаи этих культур на основе моделирования данных о погоде и информации о почве.
Применение технологии цифровых двойников в растениеводстве принципиально меняет эффективность отрасли. Цифровой двойник – виртуальная копия реального физического объекта, или его математическая модель.
Первыми цифровые двойники начали применять для моделирования работы промышленные предприятия. Теперь их используют и в сельском хозяйстве, в том числе, для создания цифровых двойников конкретных агрокультур. Виртуальные модели позволяют быстро проводить глубокий анализ развития урожая, имитацию процессов, при этом не вмешиваясь в реальную деятельность на поле. Это дает возможность быстро вносить необходимые изменения в работу.
Русско-китайская модель для трех агрокультур
Над новым проектом трудились ученые из Института космических исследований РАН, МГУ имени М.В. Ломоносова и китайского Технологического университета Чэнду. Была поставлена задача сформировать цифровую платформу для анализа и оценки рисков при посевах различных культур. В качестве базовой модели разработчики взяли мировую систему WOFOST и адаптировали ее к российским условиям. Новая платформа формирует цифровой двойник растения и оценивает качество его развития исходя из меняющихся климатических и почвенных условий.
Первые цифровые двойники созданы для трех популярных в России агрокультур – кукурузы, ячменя и подсолнечника. Чтобы анализировать их рост и развитие, для цифровых моделей настроили фенологические параметры, характеристики фотосинтеза и особенности распределения питательных веществ.
«Прогнозирование урожайности без обязательного использования данных дистанционного зондирования представляет значительный интерес, прежде всего при оценке больших территорий. Такой подход снижает зависимость от наличия спутниковых наблюдений необходимого качества и временного разрешения, а также сокращает объем обрабатываемых пространственных данных. Это особенно важно в случаях, когда получение репрезентативных спутниковых снимков затруднено из-за облачности или недостаточной периодичности съемки», – отметила старший преподаватель агробиотехнологического департамента Аграрно-технологического института РУДН Валерия Гресис.
Прогноз неурожая
Новую модель настраивали для прогнозирования урожайности. При этом важно было понять степень точности оценки. Для этого использовались проверочные данные на основе анализа реальных ситуаций. Разработчики старались синхронизировать даты цветения и созревания исследуемых культур с реальными среднемноголетними показателями для каждой территории. Средняя ошибка для подсолнечника составила примерно 24%, для кукурузы – 26%, для ячменя – 24%. Важно, что практически полностью устранены повторяющиеся, систематические ошибки при оценке урожайности.
В качестве одного из главных индикаторов плохого урожая стала климатическая норма. Новая цифровая платформа стала первым примером детальной настройки модели, что позволяет заранее выявлять отклонения в развитии культур и прогнозировать эффективность растениеводства. Таким образом, технология позволяет оценивать развитие агрокультур на всех этапах созревания на основе почвенно-климатической ситуации в конкретных регионах. Другими словами, она позволяет создать систему предупреждения о возможном неурожае.
С помощью новой цифровой модели можно даже попробовать заглянуть в будущее – моделировать влияние различных сценариев изменения климата на разные регионы России, что особенно важно в эпоху глобального потепления.
Поддержка АПК на основе математических прогнозов
В дальнейшем в процессе машинного обучения цифровых двойников будут применять не только созданную технологию, но и данные спутникового наблюдения, что увеличит точность оценки.
Главная ценность технологии цифровых двойников – способность быстро обрабатывать большие массивы данных и представлять их в понятном для человека формате: карты зон плодородия и вегетационные индексы. Это помогает агрономам принимать обоснованные агротехнические решения.
Помимо роста урожайности цифровые двойники растений помогут развитию агрострахования. В России невозможно заниматься растениеводством без эффективной системы защиты от рисков, бизнес зависит от природных явлений. Государство поддерживает агрострахование, но ситуацию осложняют трудности в оценке рисков. Проблему поможет решить система прогноза неурожаев. После подключения к единой цифровой платформе агропромышленного и рыбохозяйственного комплексов (ЕЦП) она позволит давать независимую оценку рисков.
Цифровые двойники открывает огромные перспективы для развития российского АПК. После интеграции с автоматизированными системами управления агробизнесом они станут этапом развития точного земледелия, что позволит увеличить урожайность и поставлять больше продуктов на экспорт. Они же создают фундамент для экспорта российских AgTech-решений. После масштабирования и проверки в условиях массового производства российские цифровые агротехнологии имеют хороший экспортный потенциал в дружественных странах.
