大数据在农业中的应用

标签:大数据农业

访客:29744  发表于:2015-06-15 15:22:27

想与老朋友联系?有应用程序。想记录健身目标?有应用程序。想让农场更具有可持续性?当然,也有应用程序!在技术驱动的世界中,农民、科学家和农业经济学家正在利用大数据的研究来保持领先地位。

几前年,美国农场局(AmericanFarmBureau)的几名成员说,数据根本就不会出现在他们的议事日程上。但是在今天,数据却频频出现在PowerPoint幻灯片、各种谈话,以及问答大会中。2014年11月30日,QuentinHardy在《纽约时报》上发表的文章《在土地和数据中工作(WorkingtheLandandtheData)》中指出,今天如果想要在农业中取得成功,就不要只想着把时间花在田间地头,相反,应该花在电脑屏幕上。

预计到2050年,世界人口将达到90亿。为此,全球粮食产量必须增加70%,才能够养活这个世界。同时,随着新兴经济体生活水平的提高,对肉类的需求也会增加,这就需要更大量的土地来提供动物饲料。然而,全球的耕作用地总量是有限的,因此要怎样养活这些人口对农民而言无疑是巨大的负担。2014年3月,在联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)发布的一系列报告中,粮食安全成为一个倍受关注的领域。

许多农场技术专家认为,大数据这项新技术来得正当时。通过大数据分析与研究,农民能够预测最佳播种时间、用什么类型的种子以及在哪里种植,以提高产量、降低运营成本,并尽量减少对环境的影响。未来的粮食安全依赖于强健且适应性强的植物与动物性作物的生产及发展,因此让大数据这个沉睡的巨人充分发挥在农业中的潜力就变得至关重要,也刻不容缓。

大数据在农业中的作用概览

农民熟知自己的每英亩土地,从作物每一寸的生长,到可能破坏作物的虫害,再到风、雨、雪、霜、热和灰尘。可以说,农民对所有这一切对土地的影响了如指掌。但毕竟,他的能力是有限的。很多时候,农民没有足够的人力或资本来利用他所收集的数据来做事情。在近几十年的高科技热潮中,农业世界已经悄然引入了数据聚合技术。比如在农用机械中整合内置的数据系统,在谷仓或联合收割机中启用无线网络,而一些大型农场开始使用软件来管理业务。

生产是农业产业中最最重要的词。据统计,在过去的将近70年间,美国的农业产量增加了一倍多,平均每年大约增长1.5%。但是,这还远远不够,因为在每个农民的脑海中,或者是每个农业产业人的脑海中,都会时刻想着如何养活在2050年将会高达90亿的人口。可耕地的减少和管理法规要求的增加,都迫使农民要“少花钱多办事”,使用更少的化学品,并采用非常精确的施肥方式,从而取得更高的产量。这也正是为什么杂交种子会有吸引力,为什么大农业公司会取得胜利,为什么在新的水平上追踪数据具有革命性意义的原因。随着全球人口的增加,天气波动性的增长,以及依赖石油的农业对化石燃料的价格越来越敏感,必然会激励更多地利用新技术来提高作物产量,并管理风险。围绕着基因组学、生物信息学以计算生物学的研究活动都已经取得了重大进展,使得科学家和组织能够更好地养活全世界,并提高食品和动物作物的质量。这些研究都涉及宠大的数据集和计算分析。那么,在这样一个生态系统中,大数据的作用是什么?

首先,也是最重要的,农民需要测量和了解数量巨大、种类多样的数据所能带来的影响,因为这些数据驱动着他们的耕地的整体质量与产量。这些数据包括当地的天气数据、GPS数据、土壤细节、种子、化肥和作物保护剂规格等等。充分利用这些数据运行长期和短期模拟,以应对气候变化、市场需求或其他参数造成的“事件”,对要实现利润最大化农民而言不可或缺。同时,从监管的角度来看,在整个供应链跟踪并追溯产品,或是实行原产国标签,无疑是额外的大数据挑战。

其次,种子、植物保护剂和肥料的供应商需要接收所有的这些数据,将其放入统一的模型中,并使用专用算法,以便向农民提供尽可能最好的解决方案和服务。

再次,农业机械制造商是整个价值链的另一个重要组成部分。他们不仅需要确保其资产能在最低成本保持最长的正常运行时间,还要支持移动数据采集(如土壤样本、水分监视器和传感器、田间作物的颜色、生长速率、天气破坏、营养水平、农作物品种等),并能让这些信息在价值链内被实时获取,以进行进一步的处理。

除了农民、农业企业、供应商和农业机械制造商以外,气象站和实验室、贸易商和行业合作伙伴、技术和解决方案提供商等也是这个日益复杂的生态系统的一部分,他们对来自无数信息源的大数据也有巨大的需求。这就需要向农业供应网络中的所有利益相关者提供一个独立的、以大数据为手段的、值得信赖并且安全的平台,让他们在支持精准农业的概念时,能够互惠互利地放置、分享和交换数据。同时,这一平台应该简化并协调农民和与其有共同最终目标的各个利益相关者之间的合作,不断推动产量提高,并可持续地养活世界上不断增长的人口。

使用现代化的机器,就意味着很难摆脱大数据。可以说,数据科学是农业新的推动力。在农业支出中,大约有2/3是侧重于做出选种、繁殖和土地使用权的决策。而有大量的数据会影响这些决策。现在新的数据采集技术,比如航空影像等,具有很高的价值。对农民来说,考虑使用他们收集的对自己有利的信息非常重要。

大数据应用——精准农业

大数据在农业中应用最普遍的领域之一就是精准农业。通过对气候、土壤和空气质量、作物成熟度,甚至是设备和劳动力的成本及可用性方面的实时数据收集,预测分析可以用来做出更明智的决策,而这就是所谓的精准农业。在精准农业中,控制中心实时收集并处理数据,来帮助农民在播种、施肥和收割作物等方面做出最明智的决策。遍布田间的传感器用于测量土壤和周围空气的温度与湿度。此外,卫星图像和无人机会被用来拍摄田地的照片。随着时间的推移,图像会显示作物成熟,加上对未来48小时的精准天气预测模型,就可以建立模型并进行模拟,从而预测未来的情况,并帮助农民做出前瞻性的决策。

农民无法创建土地,甚至他们在不断地失去耕地,因此他们必须最大限度地发挥耕地的潜力,而精准农业能让农民更高效。最近一份对种植大豆的农民的调查数据显示,精准农业可以得到快速回报——种子、肥料和化学品的使用节省高达15%。另一份出自美国国务院高级科学顾问RajKhosla教授的研究表明,仅使用一种类型的精密技术,农民就可以将产量增加16%,而同时将用水量减少50%。如果足够重视精密技术,并加以合适地利用,精准农业将让农民有机会加倍其产出,从而养活90亿人,并改变社会对农业这一产业的认知。

大数据遍布于农业生产的整个价值链,也就意味着,几乎在这一价值链的每一个环节,都有精准农业的概念。仅仅天气一项,就足以为例。

为了能够以最佳方式种植农作物,农民需要通过数据了解在某一特定的区域如何培养这些作物,为此需要考虑种子对天气和当地疾病的耐性,同时还要考虑种植的种子对环境产生的影响。例如,在河附近的田地种植,最好就选用需要较少肥料的种子,从而减少污染。

一旦种子已经种下,围绕着施肥和维持作物的各种决策都对时间非常敏感,并且很大程度上受天气的影响。如果农民知道第二天会有大雨,他们可能会决定今天不施肥,因为肥料将会被冲走。知道是否即将下雨也可能会影响何时灌溉。由于全世界有70%的淡水资源被用于农业,能够更好地管理农业用水将会对全球淡水供应产生巨大的影响。

天气不仅影响作物如何生长,而且会影响围绕作物收割和运输的物流。例如当收割甘蔗的时候,就需要土壤足够干燥,从而可以支持收割设备的重量。如果土壤潮湿,设备就可能会破坏农作物。通过数据了解未来几天的天气情况,以及哪些区域会受到影响,就可能提前做出更好的关于工人部署的决策。

作物收获之后,将其运输到配送中心的物流至关重要。大量的食物浪费发生在分配环节,因此尽快在合适的温度下运输食物很重要。而天气也可能会对此造成影响。比如如果很多道路是泥土路的话,大雨就会导致卡车陷入泥中。通过了解哪里会下雨,有哪条路可能会受到影响,公司就可以更好地选择出运输食物的最佳路线。

随着全球食品供应链需求的日益增加,以可持续发展的方式实现农业资源最大化至关重要。因此,大数据带动的精准农业也势必继续持续发展。同时,由于属于高科技的工作,因此相比于传统农业,精准农业更能够吸引年轻人的到来,这无疑增加了农业在整个社会价值链中的活力。

面对大数据,大型农业公司的反应

现在,当有人提到农业时经常会想到的是什么?是孟山都公司(Monsanto)。虽然该公司已经被妖魔化为企业贪婪和罪恶的代表,但也正是它使得农业产业发生了革命性的改变。成立于1901年的孟山都公司最初是销售DDT、牛激素、多氯联苯(PCB)和阿斯巴甜的化学公司。从20世纪80年代起,孟山都公司开始购买种子企业并投资于生物技术研究,战略性地过渡成为一家农业公司。孟山都公司早在公众认识到之前就看到了农业的长期机会,并投注于此。该公司认为,农业大数据是个价值数十亿美元的投资,而其在2012年5月到2014年2月间收购的几家农场数据分析公司也验证了这一点。

2012年初,孟山都公司收购了精密播种(PrecisionPlanting)公司,该公司生产的硬件和软件能够在田间播种空间、深度以及根系方面向农民提供帮助。2013年10月,孟山都公司以9.3亿美金收购了农业数据科学的最大的公司之一,即位于旧金山的气象数据分析公司——气候集团(ClimateCorporation),标志着要转向数据与生物技术解决方案的整合。而金融时报(FinancialTimes)报道说,孟山都公司的这一收购行动标志着首宗重大的“大数据”收购顺利完成。随后,在2014年2月,气候集团买下了总部设在旧金山的土壤测试服务公司Solum。而孟山都公司的主要软件产品FieldScripts适用于所有的这些系统,以确定土壤的生产力和产量。

孟山都公司的总裁兼首席运营官BrettBegemann说,随着数据存储越来越便宜,并且能够更容易地从一个平台转移到另一个平台,他们预计精准农业将继续快速增长,而目前该公司还仅仅是开始探索使用这些工具能够为农民所创造的价值。孟山都公司估计称,在种植方面的建议有可能每年让全球作物产量增加值达200亿美元。

几乎所有的大型农业公司都纷纷向农业大数据投钱。杜邦先锋(DupontPioneer)使用精准农业技术已经有相当长的时间了,并且最近加大了其服务。在孟山都公司收购气候集团之后,杜邦公司(DuPont)和迪尔公司(Deere)都与其他公司合作,推动自己进军农业数据科学。目前,Deere的FarmSight、孟山都公司(Monsanto)的FieldScripts和先锋公司(Pioneer)的Field360都是被广泛使用的农业大数据系统,所有这些系统都与气候云(Climatecloud)相结合,它们可以让农民收集来自机械化农场设备的种植和产量数据并将这些信息输入数据库,当与多个来源的匿名数据整合后,能够得出详细的对策。或许,这将有机会彻底改变农业,它使农民与公司之前的事务更加透明,并有助于农业的成功。

大数据在农业中应用的

具体案例

MySmartFarm农民都不可避免地要使用数据,有机农业运营更需要采集大量的耕作数据。MySmartFarm的创始人兼首席执行官WolfgangvanLoeper正在利用大数据来改造农业。MySmartFarm致力于为农民创造一种环境,让他们的耕种更适应自然,即更多地利用大自然的技巧,用更低的成本收获庄稼,并让作物含有更多的重要的天然植物营养素,这些营养素在经过大量化学处理的农产品中含量很少。

MySmartFarm是个SaaS系统,它将收集到的数据与预测数据相结合,帮助农民对预测或趋势做出反应。通过MySmartFarm系统,农民能够拥有他所有的数据,包括收获、施肥、实验室、天气、疾病,以及来自当地土壤或叶片水分和卫星传感器的传感器数据,同时还能有重要的映射和地理信息系统数据。MySmartFarm将所有这些数据与气候数据相结合,并产生新的情报。将其加入农民自身完整的安全存储的数据中,农民可以得出一个非常方便的管理仪表板,指明面对众多的参数时,要做出快速而高效的决策,最重要的是什么,从而更及时地采取行动。

MySmartFarm将推动农民走向更可持续的耕作实践活动,这不仅仅是节约水和化学品,更是帮助他们通过知识转移(比如成功并且盈利的,或者是更加生态的耕作实践),转向更农业生态化的做法。

iPlant奶牛养殖需要参考很长一段时间里的大量数据,也就意味着大数据变得非常重要,而其中获取整个基因组的遗传变异是真正的制胜法宝。设在德克萨斯高级计算中心(TexasAdvancedComputingCenter)的iPlant是一个植物与动物生命科学分析和大数据的知名平台。该平台的科学家可以使用奶牛的基因组序列来预测奶牛的产奶量,其精度是以前的三倍,而成本只有1/20。并且,现在科学家能在奶牛刚刚出生就提供这一信息,而不是象以前一样要到奶牛5岁的时候才能预测。这项技术中,很显然,这项技术能够真正改变奶牛养殖,并彻底改变乳品行业。因为只要可以抽取样本,就能评估公牛,并可以相当准确地确定最终它的女儿的表型。

大数据应用于作物种植在哥伦比亚,水稻产量不断下降,加之自由贸易协定危及当地农民,因此利用大数据的预测能力来改善耕作条件显然非常有用。国际热带农业研究中心(InternationalCenterforTropicalAgriculture)发现,在哥伦比亚某些地区,作物产量的变化有30~40%是由气候影响造成的。2014年10月,国际热带农业研究中心和哥伦比亚的水稻种植者联合会(ColombianRiceGrowersFederation)开发出的计算机模型正式发布,它能够得出在特定地区和特定气候条件下,哪种作物生长得最好。

早在2013年,通过该模型,研究人员就建议一些哥伦比亚农民不要种植作物,因为他们预测大干旱会严重破坏收成。听从这一正确的建议的农民们节省了380万美元,而那些不采纳建议的就没这么幸运了,他们失去了他们的庄稼。在2014年9月,该项目在联合国大数据气候变化挑战(BigDataClimateChallenge)中获胜,并且已经开始受到其他国家的关注,比如尼日利亚。

农业大数据这一双刃剑的

另一面

农业数据的力量无法估量,它是农民提高作物产量的关键。同时,农民也可以通过数据来增强自身。比如如果极端环保主义者来敲门,并试图指责农民使用了太多的农药或用错了种子,那农民就可以简单地拿出一部iPhone,提供与比相反的证据。在某种程度上,这使得种植在公众面前更透明。

但在另一方面,大数据也是一把双刃剑,会成为对付农民的武器,因为它总会让人产生被监视的感觉。对于大数据公司而言,农民就是一个帐号,是在每个人身边的种植者。但对于一个农民来说,如果他们的数据落入坏人之手,将会对其生存造成威胁。大数据带动的精准农业的最大风险不在于将数据与竞争对手的数据集中在一起,而在于让一些特殊利益集团具有了这些专有信息的访问权限。如果有人知道了某项农业运作的数据,那也就意味着他可能也知道了这些作物产于何时何地,产量是多少,成本是多少,甚至农场的利润是多少等。而一旦这些数据落入坏人之手,就可能会被用来对付农民。有些农民表示,他们担心一些没有相关知识的人获取了关于农业操作的机密信息,然后故意扭曲农民实际上在做的事情。比如数据中会反映出氮肥的使用,这一使用是严格受政府监管的,而别有用心的人可以很容易制造出错误信息,产生误导。

农民一直在担心他们专有的农业数据的隐私问题,其最大的担忧是要将他们的专业知识暴露给外部分析人员。在农业中使用数据科学原理或大数据技术是最近几年的事情,应用相对较新,并且其潜在应用会有一定程度的不确定性。因此,要在整个农业领域采用一种陌生的技术,有顾虑是完全可以理解的。而实践证明,当对亲自收集的自身农场的数据的使用、隐私和控制有确定性的时候,农民们会更容易接受那些推动农业生产发展的新技术。因此,当许多行业正采取狂野的西部方式应用大数据的时候,农耕世界却正在处理更有份量的问题,包括隐私权、数据集成和安全漏洞等。农民们正在密切研究如何将种子科学与数据分析相结合,同时不影响他们自身的竞争优势。

2014年1月31日,美国农场局联合会(AmericanFarmBureauFederation)主席BobStallman在发布会中指出,从个体农场收集到的专有数据具有价值,应该是农民的财产。创新和技术对这些数据的使用经过扩展,能为农民提供新的管理工具,因此保护这些数据的隐私至关重要。

2014年3月,开放农业数据联盟(OpenAgDataAlliance,OADA)应运而生,其主要目标就是作为一个独立的机构,监督跨不同的技术或数据来源平台的流畅的互操作性、通用数据格式,以及安全和隐私标准。该组织构建了一系列开放的应用程序接口(ApplicationProgramInterface,API),从而让农民的硬件和软件系统能够通过安全的云服务自动进行通信。使用这一开放标准软件,农民可以整合来自各种各样的来源的数据。该组织确认,如果农民们提供了一个无缝集成的数据处理平台,那么农民就有权优化农业产量,改善养护方法,进而增加技术基础设施的投资回报率。

同时,美国农场局(AmericanFarmBureau)也在设立关于如何妥善收集及处理收成数据的行为规范。毕竟,农业是一种高竞争性的实践活动。在大量的数据收集工具背后,有当今一些领先的大型农业公司(如孟山都),那么农民必须要努力确保他们这些高度机密的数据不会被泄露,不会被供应商滥用,或者是不会被竞争对手得到。因此,开放农业数据联盟和美国农场局为设立围绕数据收集和分析的行为规范而做出的努力非常有必要,因为它至少提供了一个基准。

作为比尔和梅林达·盖茨基金会(Bill&MelindaGatesFoundation)的联席主席,比尔·盖茨认为农业投资是战胜饥饿和贫困的最佳武器。大数据让农民具有更高的学习能力,每年了解更多的关于农场运作的知识,从而更快地理解生产与实施新方法的实践。有人认为,数据带来的趋势会鼓励大规模种植单一作物,从而实现技术有效性的最大化,因此可能会造成科技趋势排挤小型农场;但另一些人认为,随着大数据成本的迅速下降,小农场主也能使用这些技术来不断加强自身。但无论如何,我们正在迈进一个人口更多、资源更少的时代,这使得农业成为世界上最重要的产业之一。最终,农业会赢得全世界的尊重。

来源:互联网

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