AI maakt akkerbouw milieuvriendelijker

Wat klinkt als verre toekomst is op sommige proefboerderijen al realiteit.

In de PhenoRob Cluster of Excellence, gevestigd aan de Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn, werken onderzoekers aan het bevorderen van de intelligente digitalisering van de landbouw. In een actuele publicatie wijzen zij op de onderzoeksvragen die in de toekomst prioritair moeten worden aangepakt.

Probleemstelling

Dat de aarde ruim acht miljard mensen voedt, is mede te danken aan de moderne, hoogwaardige landbouw. Maar dit succes heeft een hoge prijs: de huidige teeltmethoden brengen de biodiversiteit in gevaar. Bij de productie van kunstmest komen veel broeikasgassen vrij en landbouwchemicaliën verontreinigen de waterwegen en het milieu.

Veel van deze problemen kunnen worden geminimaliseerd door gerichtere methoden. Dat kan bijvoorbeeld door niet hele velden met herbiciden te behandelen, maar alleen de gebieden waar onkruid daadwerkelijk een probleem wordt. Of door de individuele behandeling van zieke planten en door bemesting daar waar dat echt nodig is. Maar een dergelijke aanpak is complex en moeilijk op conventionele wijze op grote schaal te beheren.

Hightech en AI

Eén oplossing zou het gebruik van intelligente digitale technologieën kunnen zijn. In het PhenoRob project werkt de Universiteit van Bonn samen met andere onderzoeksinstituten. Het gemeenschappelijke doel is om de landbouw milieuvriendelijker en efficiënter te maken door middel van nieuwe technologieën en het gebruik van kunstmatige intelligentie.

De onderzoekers komen uit heel verschillende gebieden: ecologie, plantenwetenschappen, bodemwetenschappen, informatica, robotica, geodesie, landbouweconomie. In een position paper laten ze zien welke stappen in de nabije toekomst als prioriteit moeten worden aangepakt. Ze hebben een aantal belangrijke onderzoeksvragen geïdentificeerd.

Eén daarvan betreft bewaking van de bebouwde oppervlakten om tekorten aan voedingsstoffen, onkruid of plagen tijdig op te sporen. Satellietbeelden geven een globaal overzicht; aanzienlijk gedetailleerdere onderzoeken zijn mogelijk met drones of robots. Deze laatste kunnen achtereenvolgens het veld bestrijken en zelfs de toestand van individuele planten registreren.

Digitalisering

Een van de problemen is het met elkaar verbinden van deze data. Wanneer is een lage resolutie genoeg, wanneer moet het gedetailleerder zijn? Hoe moeten drones vliegen om zo efficiënt mogelijk te kunnen focussen op planten die gevaar lopen? De verkregen gegevens geven de status quo weer. Maar boeren zijn vooral geïnteresseerd in het afwegen van verschillende handelingsopties en de mogelijke effecten ervan. Hoeveel onkruid kan zijn gewas verdragen en wanneer moet hij ingrijpen? Waar en hoe zwaar moet hij bemesten? Wat gebeurt er als hij het gebruik van pesticiden terugdringt?

Om dit soort vragen te kunnen beantwoorden, moet het bouwland digitaal worden nagebootst. Daar zijn verschillende benaderingen voor. Een open onderzoeksvraag is hoe ze kunnen worden gecombineerd om de nauwkeurigheid van de modellen te verbeteren. Daarnaast moeten er geschikte methoden worden ontwikkeld die op basis van deze modellen aanbevelingen voor actie afleiden. Op beide punten spelen methoden uit het veld van machine learning en kunstmatige intelligentie een essentiële rol.

Boeren moeten meedoen

Om de digitale revolutie in de landbouw daadwerkelijk te laten plaatsvinden, moeten degenen die deze moeten uitvoeren ook overtuigd worden: de boeren. In de toekomst zullen onderzoekers zich meer moeten concentreren op de vraag welke randvoorwaarden nodig zijn voor deze acceptatie. Het is bijvoorbeeld denkbaar om financiële stimuleringssystemen te creëren. Als alternatief kan de wetgever grenswaarden stellen, bijvoorbeeld voor het gebruik van meststoffen.

Hoe effectief dergelijke stelschroeven alleen of in combinatie zijn, kan nu ook met behulp van computermodellen worden ingeschat. De PhenoRob-onderzoekers laten ook een voorbeeld zien van wat er al mogelijk is met de huidige technologieën. Zo kan een digitale tweeling van bouwland via sensoren voortdurend worden gevoed met diverse data – bijvoorbeeld over de uitzetting van de wortels of het vrijkomen van gasvormige stikstofverbindingen uit de bodem.

Op middellange termijn zal het mogelijk zijn om de bemesting met stikstof in real-time aan te passen aan de behoeften van de planten, afhankelijk van de lokale voedingssituatie. Op sommige plekken is de digitale revolutie in de landbouw dichterbij dan je zou denken.

Foto: Volker Lannert / Universität Bonn