Alimentar al mundo: Cómo la USDA utiliza datos e IA para hacer frente a una necesidad crítica

Los agricultores alrededor del mundo se enfrentan a la urgente pregunta de cómo alimentar de manera sustentable a una población mundial que se espera que alcance 9.7 mil millones para 2050 – y la respuesta, en parte, podría ser encontrada entre los tallos del maíz y la soya en una granja a poca distancia de Washington, D.C.

Los campos están equipados con una red de sensores de alta tecnología que podría revolucionar la manera en que se cultivan los alimentos alrededor del mundo al poner los datos en manos de los agricultores y científicos en maneras que eran inimaginables hace tan solo unos años.

Los sensores son parte de una nueva e innovadora asociación entre Microsoft y el Departamento de Agricultura de los Estados Unidos (USDA, por sus siglas en inglés). La granja de 7 mil acres en el Centro de Investigación Agrícola Beltsville de la USDA en Maryland, utiliza FarmBeats, un proyecto que busca aprovechar datos e inteligencia artificial para ayudar a los agricultores a reducir costos, incrementar el rendimiento de la tierra y producir cultivos sustentables que sean más resistentes al cambio climático.

“No podemos tan solo duplicar nuestra superficie para producir este alimento”, comentó Dan Roberts, líder de investigación en el Laboratorio de Investigación de Sistemas Agrícolas Sustentables, ubicado en el centro de Beltsville. “Hay mucha competencia por la tierra arable con la urbanización. Lo que necesitamos hacer es desarrollar sistemas de producción de cultivo más benignos para el medio ambiente – la nueva revolución verde, por así decirlo”.

FarmBeats recolecta datos de múltiples fuentes, como sensores, drones, satélites y tractores y los alimenta en modelos de inteligencia artificial basados en la nube que brindan una imagen detallada de condiciones en la granja. Dado que la mayoría de las granjas no tienen o tienen poco acceso a internet, FarmBeats transmite datos a través de los espacios blancos de TV, frecuencias de transmisión entre los canales de televisión que no son utilizadas, a un dispositivo de entorno en la granja y hacia la nube de Microsoft.

El programa piloto de la USDA prueba la tecnología de FarmBeats en dos experimentos de sistemas de cultivo en la granja de Beltsville. Si todo va como lo planeado, la funcionalidad será distribuida a más de 200 granjas en una red de investigación a nivel nacional, desde operaciones pequeñas a grandes granjas comerciales. Los agricultores podrán ver los datos generados por FarmBeats en tiempo real; los investigadores de la USDA utilizarán esos datos para informar su labor y brindar herramientas basadas en web e información de valor específica de cada sitio a los agricultores para ayudarles a asignar mejor sus recursos y refinar sus métodos.

El piloto está enfocado en los cultivos de cobertura, que se cultivan fuera de temporada para limitar malezas, gestionar plagas, prevenir la erosión y mejorar el suelo para los cultivos principales. En la granja de Beltsville, los sensores miden la temperatura del suelo, su humedad y acidez. Los sensores también rastrean los niveles de agua en el suelo, lo que ayuda a determinar cuánta agua es retenida después de las cada vez más comunes fuertes lluvias y, a su vez, informan los presupuestos de agua para una temporada de cultivo. Una estación climática rastrea la temperatura del aire, precipitación y velocidad del viento, y un tractor con un conjunto de sensores evaluará la altura de los cultivos, su biomasa y el verde de estos, un indicador de la salud de la planta.

El proyecto utiliza un software de mapeo de sistema de información geográfica de Esri, la compañía ubicada en California. Microsoft y Esri unieron fuerzas para brindar a la USDA una plataforma diseñada para alimentar a la creciente población mundial de una manera sustentable para el medio ambiente, comentó Jack Dangermond, presidente de Esri.

“Como resultado, los agricultores tendrán una manera más rápida e innovadora de implementar prácticas que beneficien de manera directa al clima, y la asociación también brindará una avenida para ellos de llevar nuevos productos agrícolas asequibles al mercado que sean basados en ciencia buena”, mencionó.

Casi 90 millas al este de Beltsville, Trey Hill mira de reojo al sol de la tarde mientras contempla la tierra que su familia ha cultivado durante más de un siglo. Harborview Farms se encuentra ubicada en Rock Hall, Maryland, un encantador pueblo costero en la costa este de Chesapeake Bay, y abarca 13 mil acres y más de 80 granjas en tres condados.

En su mayoría, la granja cultiva maíz, frijol de soya y trigo de invierno, y los paneles solares dan energía a todo menos a los contenedores de almacenamiento y secado de granos de la granja. Hill y su padre comenzaron a utilizar cultivos de cobertura en la granja hace alrededor de 20 años para ayudar a mejorar la ecología de la bahía y promover la biodiversidad. Ahora plantan cultivos de cobertura en el 100% de sus campos.

Harborview es parte del piloto de Beltsville y tiene varios sensores que miden temperatura, agua y lixiviación de nitratos en el suelo. Hill obtiene imágenes de satélite a diario que le ayudan a ver cómo le va a sus cultivos. Con su teléfono, señala una imagen que despliega líneas amarillas que muestran en dónde sufre uno de sus cultivos.

Pero las imágenes no le dicen por qué, o qué sucede en el suelo. Hill cree que sus cultivos de cubierta ayudan a mantener el suelo más fresco, un beneficio importante conforme el verano se vuelve más caliente y seco, pero él necesita datos para verificar esto. Y con las grandes lluvias que se vuelven más frecuentes, él necesita saber si las áreas con cultivos de cobertura retienen más agua, lo que le permite utilizar menos fertilizante, y si una combinación en particular de cultivos de cubierta incrementan esa retención.

“Al hacer cultivos de cobertura, hemos visto cambiar muchas cosas diferentes en el suelo a medida que crece la salud del suelo. El problema es, que no somos capaces de cuantificar nada de esto”, mencionó Hill. “Mucho de eso son solo cosas que vemos, pero no tenemos la ciencia detrás de eso y no tenemos los números detrás”.

Ahí es donde entra FarmBeats. Steven Mirsky, un ecologista investigador en el Laboratorio de Sistemas Agrícolas Sustentables Beltsville, recolectará los datos de los cultivos de Hill y le ayudará a analizarlos para ubicar recursos y tomar decisiones de gestión del cultivo. La granja en la actualidad utiliza tres diferentes programas para almacenar y gestionar datos, y Hill espera fusionar la información en un solo conjunto de datos basados en la nube fáciles de usar, que se puedan gestionar de manera sencilla.

“Obtenemos una gran cantidad de datos, y batallamos para descubrir cómo utilizarlos. Tenemos datos del suelo; datos de electro conductividad; datos de plantación; tenemos datos de las imágenes del satélite que recibimos cada día. Tenemos datos de las cosechadores que nos dan rendimiento y humedad del campo a medida que lo cosechamos”, comentó Hill. “De alguna manera, necesitamos consolidarlos en un lenguaje común. En este momento, está muy fragmentado para mí como agricultor”.

Combinar los datos de sensor con imágenes de drones y satélites ayudará a los investigadores de la USDA a entender mejor cómo se cruzan las condiciones del suelo, el clima y la gestión para impulsar el rendimiento del cultivo y la conservación a largo plazo del agua y el suelo. Armados con esa información detallada, pueden analizar las condiciones y determinar la toma de decisiones en secciones del campo.

“Hay tanta variabilidad espacial en un campo, desde el suelo, la topografía y las perspectivas climáticas, que necesitamos los datos que nos ayuden a brindar soluciones específicas para el sitio”, comentó Mirsky, quien encabeza el piloto de la USDA.

“La única manera en la que podemos hacer esto es al recolectar datos a través de amplios regímenes de clima, suelo y gestión”, mencionó. “Esto requiere extensas cantidades de datos, aplicaciones de IA y de aprendizaje automático para poder reunir todo esto y crear soluciones específicas del sitio para los agricultores”.

Hace sólo una década, recolectar esos datos significaba de manera típica enviar científicos al campo para escribir información en una libreta. Luego los datos serían ingresados en hojas de cálculo en el laboratorio y se difundirían, un proceso que consumía tiempo, que era propenso a errores y podría decirse que no era el mejor uso de las habilidades de científicos con una alta capacitación.

De manera previa, al USDA desarrolló sus propios sistemas para recolectar y analiza datos, comenta Mirsky, pero FarmBeats elimina la necesidad de brindar una plataforma estandarizada que permita a los investigadores fusionar datos y construir modelos de aprendizaje automático a través de conjuntos de datos. Mientras que las tecnologías inalámbricas han facilitado la recolección de datos, estas han llevado a un diferente problema al que también hace frente FarmBeats.

“Como científico de investigación con una gran cantidad de hardware y tecnología de detección a mi alcance, el desafío hoy en día en la agricultura es no recibir datos”, mencionó Mirsky. “Solía ser, ‘¿Cómo obtienes datos?’ Ahora se trata de, ‘¿Qué vas a hacer con todos esos datos?’ FarmBeats nos brinda un mecanismo para agregar, visualizar y analizar datos en la nube”.

Con más de 90 estaciones de investigación y alrededor de 2 mil investigadores y científicos alrededor del mundo, la USDA ha batallado con lo que Michael Buser, líder del programa nacional de ingeniería del departamento, llama “silos dentro de silos” – grandes cantidades de datos que se encuentran en los discos duros de los empleados y en archiveros que no son accesibles para otros miembros del equipo de la USDA.

“De la manera en la que estamos estructurados, no capturamos todo el valor de esos datos. Es una gran pérdida para la agencia”, mencionó Buser.

Migrar esos datos en un repositorio centralizado y seguro de Microsoft Azure, permitirá a la USDA capturar datos históricos y futuros que pueden ser útiles para los investigadores, menciona Buser. Él también ve potencial para que FarmBeats sea utilizado para operaciones de monitoreo continuo en las estaciones climáticas, sitios de investigación animal y otras instalaciones de la USDA, para reducir el tiempo del personal y los costos.

“Consideramos que FarmBeats nos brinda la oportunidad de devolver esa información a la nube de manera más rápida y con menos interacción humana, menos toques en los datos”, comentó Buser.

“Cuando pensamos en big data, tenemos desafíos más allá de sólo cómo devolver toda esa información hacia un sistema. También tenemos el aspecto económico. Cuando piensas en tener más de 90 instalaciones de investigación, 2 mil científicos y postdoctorales y cuánto cuesta eso, es algo a considerar. Creo que FarmBeats podría ser el aspecto económico que buscamos”.

El uso de los espacio blancos de TV de FarmBeats es clave. La tecnología permitirá a la USDA involucrar más granjas en su red de investigación y brindar el ancho de banda requerido para transmitir imágenes. Por ejemplo, si un cultivo está estresado, una imagen que muestre a las plantas puede ser enviada a la computadora o el teléfono del agricultor para ayudarle a evaluar la situación.

“Eso dice mucho, y antes no lo podíamos hacer”, mencionó Chris Reberg-Horton, profesor de ciencias de cultivos de suelos en la Universidad Estatal de Carolina del Norte que lanzó la red de investigación agrícola con Mirsky hace cuatro años.

“La realidad es que los agricultores no ven ninguno de sus campos muy seguido. Una granja de cultivo en hileras promedio en Estados Unidos tiene alrededor de 5 mil acres, pero muchas están cercanas a los 10 mil, y esos campos pueden estar esparcidos en múltiples condados”, mencionó Reberg-Horton.

“Conforme se ha incrementado el tamaño de las granjas, la necesidad de algún tipo de sistema de monitoreo para todos esos campos se ha incrementado también”.

FarmBeats inició en 2015 a través de Ranveer Chandra, quien ahora es jefe científico en Microsoft Azure Global, que trabajaba en la granja de su abuelo en India cuando era niño y vio a los datos como una manera de ayudar a los agricultores a cultivar mejores alimentos y mejorar su forma de vida. La iniciativa creció a partir de un proyecto de hackathon de empleados hasta convertirse en un proyecto insignia dentro de Microsoft AI for Earth, un programa que brinda herramientas de nube e IA a organizaciones para el desarrollo de soluciones sustentables para desafíos ambientales.

El piloto de USDA será un importante caso de prueba para el programa, en una granja de investigación de alto perfil cerca de la capital de la nación. FarmBeats se encuentra en versión previa privada y es utilizada en algunas granjas en varios estados. Matthew Kerner, gerente general para industrias y blockchain en Microsoft Azure Global, comentó que Microsoft continúa su trabajo con fabricantes de dispositivos para integrar las capacidades de FarmBeats en sus productos y espera que el programa esté disponible a nivel general en alrededor de seis meses.

“Creemos que las técnicas de precisión y poder utilizar datos para hacer al mundo mejor es un patrón que puede ser aplicado a través de diferentes industrias”, comenta. “Detrás de FarmBeats está nuestro deseo de aplicar eso a la agricultura”.

Para Hill, los datos se han convertido en una herramienta cada vez más importante para mapear el futuro de Harborview. Él también recolecta datos para una iniciativa que espera pueda demostrar la neutralidad de carbono en el suelo de la granja y permita a la granja vender créditos de carbono. Los datos se han vuelto cada vez más importantes para la agricultura dado que los consumidores, en particular los más jóvenes, quieren saber de dónde vienen sus alimentos, menciona.

“La transparencia en los alimentos es un tema mayor. Un agricultor de mi tamaño va a tener que ser transparente”, comenta. “Si uso prácticas orientadas a la conservación, espero que eso establezca valor y fe en el consumidor, y mucho de eso girará en torno a este siempre cambiante conjunto de datos”.

En última instancia, Hill espera que su trabajo con Mirsky afirme el enfoque que él y su padre han desarrollado a través de décadas de ver, tocar y trabajar su tierra, ver crecer el suelo y las plantas conforme cambian las estaciones y pasan los años.

“Espero que lo que hago sea lo correcto”, comentó. “Espero tener razón. Pero lo que Steven comenzará a hacer es empezar a validar eso y cuantificarlo – o tal vez decirme que estoy equivocado, que también estaría bien, porque eso tal vez sería una buena experiencia de aprendizaje”.

Imagen principal: Steven Mirsky, ecologista investigador en el Laboratorio de Sistemas Agrícolas Sustentables de USDA en Beltsville, Maryland. Fotos por Dan Delong.