Rice evapotranspiration estimation and irrigation optimization based on coupling UAV multispectral and thermal infrared imagery with the FAO-56 model
تقترح هذه الدراسة إطار عمل مبتكر يدمج صور الطائرات بدون طيار متعددة الأطياف والأشعة تحت الحمراء الحرارية مع نموذج FAO-56 وخوارزمية NSGA-II للتحسين لتقدير النتح التبخيري للأرز بدقة وتحديد استراتيجيات الإدارة المثلى للمياه والنيتروجين التي توازن بين الإنتاجية العالية، وكفاءة الموارد، وانخفاض انبعاثات الغازات الدفيئة في منطقة التربة السوداء الباردة في شمال شرق الصين.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
تخيل أنك طاهٍ يحاول طهي وعاء مثالي من الأرز. أنت تعلم أن الماء والسماد هما المكونان السريان، لكن ضبط التوازن بينهما أمر صعب. الكثير من الماء يجعل الأرز رطبًا وعجينًا؛ والقليل منه يجعله قاسيًا ومحبطًا. الكثير من السماد يهدر المال ويلوث الهواء؛ والقليل منه يجعل حبات الأرز صغيرة. لعقود من الزمن، ظل المزارعون يخمنون الكميات الصحيحة بناءً على العادات القديمة والطقس، لكن الأمر يشبه محاولة إصابة هدف متحرك وأنت تضع عصبة على عينيك. وهذا يزدك صعوبة في الأماكن الباردة حيث يكون موسم النمو قصيرًا والطقس غير قابل للتنبؤ به.
لقد حاول العلماء حل هذا اللغز باستخدام مفهوم "النتح التبخري". فكر في هذا كأنه "معدل تعرق" نبات الأرز الشخصي. تمامًا كما تعرق عندما تركض أو عندما يكون الجو حارًا، فإن النباتات "تعرق" الماء عبر أوراقها لتبرد وتنمو. إذا عرفت بالضبط كمية الماء التي يعرقها النبات كل يوم، يمكنك إعطاؤه ما يكفي فقط ليبقى سعيدًا دون إهدار قطرة واحدة. السؤال الكبير هو: كيف تقيس هذا العرق غير المرئي عبر حقل كامل دون المشي عبر كل نبتة؟ هنا تبدأ قصة الزراعة عالية التقنية، حيث تتحول الحقول إلى ملاعب غنية بالبيانات تعمل فيها الطائرات بدون طيار (الدرونز) كعيون للمزارع.
المحقق الطائر وعرق الأرز
في هذه الدراسة، قرر فريق من الباحثين في مناطق التربة السوداء الباردة في شمال شرق الصين ترقية زراعة الأرز من "لعبة تخمين" إلى "علم دقيق". أرادوا معرفة مقدار الماء والسماد الذي يحتاجه الأرز بالضبط لينمو بشكل كبير، ويوفر المياه، ويحافظ على برودة الكوكب، كل ذلك في وقت واحد. ولتحقيق ذلك، بنوا نظامًا عالي التقنية يجمع بين الروبوتات الطائرة (الدرونز)، والرياضيات المتقدمة، وقواعد الزراعة الكلاسيكية.
العيون الطائرة
أرسل الباحثون نوعين من الطائرات بدون طيار فوق حقول الأرز الخاصة بهم. حملت إحدى الطائرات كاميرا "متعددة الأطياف"، وهي ترى ألوانًا لا يستطيع البشر رؤيتها، مثل درجات اللون الأخضر المحددة التي تخبرنا بمدى صحة الأوراق. أما الطائرة الأخرى فقد حملت كاميرا "حرارية"، وهي ترى الحرارة. وهذا أمر بالغ الأهمية لأن النبات العطشان يصبح أكثر سخونة، تمامًا كما تسخن بشرتك عندما تصاب بالحمى. ومن خلال النظر إلى حرارة وخضرة الأرز، استطاعت الطائرات تحديد كمية "عرق" النباتات (النتح التبخري) بدقة في أي يوم.
الكتاب القديم مقابل البيانات الجديدة
عادةً ما يستخدم المزارعون دليلًا مشهورًا يسمى نموذج FAO-56 لتخمين الاحتياجات المائية. فكر في هذا النموذج كأنه كتاب وصفات قياسي. لكن الوصفات القياسية لا تأخذ في الاعتبار حقيقة أن اليوم قد يكون أكثر حرارة من الأمس، أو أن بقعة واحدة من الأرز قد تكون أكثر عطشًا من غيرها. أدرك الباحثون أنه بدلًا من اتباع الوصفة بشكل أعمى، يمكنهم استخدام بيانات الدرون لتحديث الوصفة في الوقت الفين الحقيقي. لقد استخدموا قراءات "الخضرة" من الدرون لمعرفة مقدار مساحة الأرض المغطاة بالأوراق، وقراءات "الحرارة" لمعرفة ما إذا كانت النباتات تعاني من الإجهاد. سمح لهم ذلك بحساب الاحتياجات المائية اليومية بدقة أعلى بكثير من ذي قبل.
عملية التوازن
بمجرد معرفة كمية الماء التي يستهلكها الأرز بالضبط، واجهوا مسألة رياضية معقدة. أرادوا إيجاد "الوسط الذهبي" الذي سيحقق:
- نمو أكبر حصاد ممكن.
- استخدام أقل قدر من الماء.
- استخدام أقل قدر من السماد.
- إنتاج أقل قدر من غازات الاحتباس الحراري (التي ترفع حرارة الكوكب).
المشكلة هي أن هذه الأهداف غالبًا ما تتصادم. للحصول على أكبر حصاد، تحتاج عادةً إلى المزيد من الماء والسماد، مما يخلق المزيد من التلوث. ولتوفير الماء، قد تحصل على حصاد أصغر. ولحل هذه المعضلة، استخدم الباحثون خوارزمية ذكية للغاية (تسمى NSGA-II) عملت مثل الحكم، حيث اختبرت آلاف التوليفات المختلفة لإيجاد أفضل تسوية ممكنة.
ما وجدوه
أكدت الدراسة أن الماء والسماد يعملان معًا مثل فريق رقص؛ إذا خرج أحدهما عن المسار، يتأثر الأداء بأكمله. وجدوا أن:
- أفضل توليفة للمحصول: إعطاء الأرز 80% من أقصى كمية مياه و155 كجم/هكتار من سماد النيتروجين أنتج أكبر كمية من الأرز (حوالي 11,883 كجم لكل هكتار).
- الأفضل في كل المجالات: ومع ذلك، لم يكن الحل "المثالي" هو الذي ينتج أكبر كمية من الأرز. فقد وجدت الحواسيب "السيناريو S5" كأفضل توازن عام. تطلبت هذه الخطة 669.94 ملم من الري و117.48 كجم/هكتار من النيتروجين.
- النتيجة: أنتجت هذه الخطة المتوازنة كمية ضخمة بلغت 11,473.43 كجم/هكتار من الأرز (تقريبًا مثل الحد الأقصى!)، ولكنها استخدمت مياهًا وسمادًا أقل، وحافظت على تأثير بيئي منخفض.
لماذا يهم هذا الأمر؟
اكتشف الباحثون أن نظامهم القائم على الدرون كان دقيقًا للغاية. فعندما قارنوا حسابات الدرون مع كمية الماء الفعلية المقاسة في التربة، تطابقت الأرقام بمعامل ارتباط بلغ 0.89 (مطابقة قوية جدًا). وهذا يعني أن الطائرات بدون طيار يمكنها التنبؤ بـ "عرق" الأرز بدقة شبه مثالية.
كما أثبتوا أنه ليس عليك الاختيار بين حصاد كبير وكوكب نظيف. فمن خلال استخدام البيانات اللحظية من الطائرات بدون طيار لتوجيه المياه والسماد، يمكن للمزارعين التوقف عن التخمين والبدء في التحسين. وبدلًا من سكب الماء والسماد وفق جدول زمني قد يكون خاطئًا، يمكنهم إعطاء الأرز ما يحتاجه بالضبط، وفي الوقت الذي يحتاجه فيه بالضبط.
في النهاية، تشير هذه الدراسة إلى أن مستقبل الزراعة في المناطق الباردة لا يتعلق بالعمل بجهد أكبر، بل بالعمل بذكاء أكبر. من خلال ترك الطائرات بدون طيار تكون هي العيون والحواسيب هي العقل، يمكن للمزارعين زراعة المزيد من الغذاء، وتوفير المياه الثمينة، والحفاظ على هواء أنقى، وكل ذلك دون التضحية بحجم حصادهم. إنه فوز للجميع: للأرز، وللمزارع، وللكوكب.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.