灌溉澆水大哉問 – 史丹福大學研究人員新開發的灌溉優化工具

灌溉澆水大哉問 – 史丹福大學研究人員新開發的灌溉優化工具

一項為農場所設計的灌溉管理的工具推動智慧農業的進程，該工具在利用資訊及現代技術提高作物產量的同時，還能保護自然資源。

史丹福大學的研究人員設計了一款灌溉優化工具，可幫助農民大幅減少用水量。該工具能快速計算土壤因「蒸散」而損失的水分，所謂「蒸散」意指水份蒸發到大氣以及植物吸收水分的過程。相較目前最先進的蒸散預估方法，史丹福的新模型工具不但有著高準確率，同時計算速度快了近百倍。

在實際應用上，研究人員表示該工具能顯著縮短訂定策略性及高效灌溉計劃所需的時間，同時可讓整個農場的澆水和感測設備達到最佳配置。在較小的農地範圍內，甚至能快速處理數據，實現即時調整灌溉計劃，以應對天氣的變化。

能源科學與工程博士候選人Weiyu Li表示：「蒸散是設計高效灌溉系統的關鍵資訊。」作為主要作者，Weiyu Li將該研究發表於《Water Resources Research》期刊；Weiyu Li是2023年西貝爾學者計畫[1]的獲獎人之一，同時也是史丹福杜爾永績發展學院首位，同時也是目前唯一一位獲得此榮譽的研究生。

整體而言，該研究讓智慧農業得到長足進展，讓智慧農業利用大數據和物聯網等現代技術和方法提高作物產量的同時保護自然資源；「透過這項研究，我們正在實現智慧農業的承諾，以永續的方式養活全球數十億人口，也為後代保護我們的星球。」史丹福的能源科學與工程教授Daniel Tartakovsky，同時也是Weiyu Li的指導教授如是說明。

簡單的垂直流動與複雜的水平流動

「傳統的蒸散計算依賴於研究人員所謂的“垂直流動假設” 」。Weiyu Li表示，在這種建模方法中，灌溉用水被認為只會垂直向下滲入土壤，而忽略了水可能（且實際上會）水平流動的事實。由於智慧農業需要處理大量數據，所以垂直流動假設被視為一種快速的計算方式。這種方法對於某些灌溉模型來說是足夠的，但其結果仍有大幅改善空間。

對真正的智慧農業而言，尤其是透過「滴灌」實現的智慧農業，垂直流動假設是不夠的，Weiyu Li解釋。顧名思義，滴灌涉及緩慢且精確地向植物根區供水，以最小化蒸發所造成的水損失。滴灌主要應用於乾旱地區——例如加州大部分地區——以避免傳統的淹灌技術導致嚴重的水資源浪費。

智慧農業系統還優化了澆水時機；僅在植物需要水份時供水，而植物對於水的需求則取決於天氣和植物生長階段等不同因素。「歷史上，灌溉在很大程度上與植物當下的需求無關，」Tartakovsky說。「滴灌，結合智慧農業實踐，打破了這一迷思。」有鑑於此，智慧農業的挑戰之一是找到濕度感測器和滴頭最佳放置地點。目前現有設計仍然依賴概括和假設，但這款灌溉設計則根據現實世界和近乎即時的條件提供農民更恰當的指引。

更好的演算法

為了開發這款工具，Weiyu Li和Tartakovsky打算用演算法改進數據處理的方式以達高品質的成果及效果。在這項研究中，研究人員結合了兩種演算法：增強型卡爾曼濾波器和最大概似估計。這些演算法對於能獲取的可量測數據作出預測，並以此為據，以降低後續測量結果的不確定性。

「我們將土壤濕度和根部吸水的實際數據輸入模型，以提升對整體系統的理解以及演算法的表現，」Weiyu Li說。「我們的研究是第一個結合這種演算法並將其應用於滴灌的研究。」

為了測試該方法的準確度和效率，史丹福研究人員模擬一塊大約5英尺寬、33英尺長的土地——約等於一小排種植作物的面積並進行試驗。測試結果顯示，若使用Weiyu Li和Tartakovsky的新模型，計算該模擬地農的精確蒸散率僅需約10分鐘；而傳統只使用增強型卡爾曼濾波器的計算時間則長達100倍（如其他近期研究所示），大約1000分鐘，相當於17小時。對於講求及時的智慧農業來說，傳統方式無法符合此一需求。「相較之下，使用我們模型工具的灌溉優化系統幾乎能對外在條件變化作出即時反應，」Weiyu Li表示。

考慮到農場可能幅員廣闊，有些甚至可達數千英畝，優化整體農場的滴灌系統設計，降低計算時間所需的成本變得極為高昂並令人望之卻步。「你可以理解為什麼灌溉系統設計者在面對大型安裝計畫時傾向依賴簡化的垂直流動方法，」Weiyu Li解釋。

展望未來，史丹福研究人員計劃測試該模型工具在實際農場中的表現。「我們打算進行一次真正的‘田間’測試，」Tartakovsky說。「我們期待在真實感測器、真實滴頭、真實作物和真實天氣…意即所有變量都存在下的情況進一步完善我們的方法。」

原文連結：https://news.stanford.edu/stories/2023/04/better-faster-tool-saving-water-farms