Alimentar o mundo: como o USDA usa dados e IA para atender a essa necessidade

Agricultores de todo o mundo enfrentam a questão urgente de como alimentar de forma sustentável uma população que deve atingir 9,7 bilhões em 2050 – e a resposta, em parte, pode ser encontrada entre os pés de milho e soja de uma fazenda a uma curta distância de Washington, DC.

Os campos são equipados com uma rede de sensores de alta tecnologia que podem revolucionar a maneira como os alimentos são cultivados em todo o mundo, colocando dados nas mãos de agricultores e cientistas de formas inimagináveis alguns anos atrás.

Os sensores fazem parte de uma nova parceria inovadora entre a Microsoft e o Departamento de Agricultura dos EUA (USDA). A fazenda de 7.000 acres no Centro de Pesquisa Agrícola de Beltsville, em Maryland, está usando o FarmBeats, um projeto que visa aproveitar dados e inteligência artificial para ajudar os agricultores a reduzir custos, aumentar a produtividade e cultivar de forma sustentável culturas mais resistentes às mudanças climáticas.

“Não podemos simplesmente duplicar nossa área cultivada para produzir alimentos”, diz Dan Roberts, líder de pesquisa do Laboratório de Pesquisa em Sistemas Agrícolas Sustentáveis, localizado no centro de Beltsville. “Com a urbanização, há muita competição por terras aráveis. O que precisamos fazer é desenvolver sistemas de produção agrícola mais benignos para o meio ambiente – a nova revolução verde, se você preferir.”

O FarmBeats coleta dados de várias fontes, como sensores, drones, satélites e tratores, e alimenta modelos de inteligência artificial baseados em nuvem que fornecem uma imagem detalhada das condições da fazenda. Como a maioria das fazendas tem pouco ou nenhum acesso à internet, o FarmBeats transmite dados por TV white spaces, as frequências de transmissão não utilizadas entre os canais de televisão, para um dispositivo de fronteira na fazenda e para a nuvem da Microsoft.

O projeto piloto do USDA está testando a tecnologia FarmBeats em dois experimentos de sistemas de cultivo na fazenda de Beltsville. Se tudo correr como planejado, a funcionalidade será distribuída em mais de 200 fazendas em uma rede de pesquisa nacional, desde empreendimentos familiares até grandes fazendas comerciais. Os agricultores poderão ver os dados gerados pelo FarmBeats em tempo real; os pesquisadores do USDA usarão esses dados para embasar seu próprio trabalho e fornecer ferramentas baseadas na web e insights específicos do local aos agricultores para ajudá-los a alocar melhor os recursos e refinar seus métodos.

O piloto está focado em culturas de cobertura, cultivadas durante a entressafra para limitar ervas daninhas, gerenciar pragas, evitar erosão e melhorar o solo para as principais culturas. Na fazenda de Beltsville, os sensores medem a temperatura, a umidade e a acidez do solo. Os sensores também rastreiam os níveis de água no solo, ajudando a determinar a quantidade de água retida após chuvas pesadas cada vez mais comuns e, por sua vez, informam a avaliação da água para uma estação de crescimento. Uma estação meteorológica rastreia a temperatura do ar, a precipitação e a velocidade do vento, e um trator com uma série de sensores avaliará a altura das culturas, a biomassa e o verdor – um indicador da saúde das plantas.

O projeto está usando um software de mapeamento de sistemas de informações geográficas da empresa californiana Esri. A Microsoft e a Esri uniram forças para fornecer ao USDA uma plataforma projetada para alimentar a crescente população mundial de maneira ambientalmente sustentável, diz o presidente da Esri, Jack Dangermond.

“Como resultado, os agricultores terão uma maneira mais rápida e inovadora de implementar práticas que beneficiem diretamente o clima, e a parceria também fornecerá uma via para que eles levem novos produtos agrícolas ao mercado com boa relação custo-benefício com base em boa ciência”, ele diz.

Quase 90 milhas a leste de Beltsville, Trey Hill olha de soslaio contra o sol da tarde enquanto observa a terra que sua família cultiva há mais de um século. A Harborview Farms está sediada em Rock Hall, Maryland, uma encantadora vila costeira na costa leste da Baía de Chesapeake, e abrange 13.000 acres e mais de 80 fazendas em três condados.

A fazenda cultiva principalmente milho, soja e trigo de inverno, e painéis solares alimentam tudo, exceto os recipientes de armazenamento e secagem de grãos da fazenda. Hill e seu pai começaram a usar plantas de cobertura na fazenda há cerca de 20 anos para ajudar a melhorar a ecologia da baía e promover a biodiversidade. Agora eles cultivam plantas de cobertura em 100% de seus campos.

Harborview faz parte do piloto de Beltsville e possui vários sensores que medem a temperatura, a a água e o nitrato no solo. Hill obtém diariamente imagens de satélite que o ajudam a ver como estão suas plantações. Segurando o telefone, ele aponta para uma imagem que exibe linhas amarelas mostrando onde uma de suas culturas está sofrendo.

Mas as imagens não dizem a ele o porquê ou o que está acontecendo no solo. Hill acha que suas culturas de cobertura estão ajudando a manter o solo mais fresco, um benefício importante à medida que o verão fica mais quente e seco, mas ele precisa de dados para verificar essa afirmação. E com as grandes chuvas se tornando mais frequentes, ele precisa saber se as áreas com culturas de cobertura retêm mais água, permitindo que ele use menos fertilizante, e se uma combinação específica de culturas de cobertura aumenta a retenção.

“Ao fazer plantações de cobertura, vimos muitas coisas diferentes mudarem no solo. O problema é que não conseguimos quantificar nada disso”, diz Hill. “Muitas são as coisas que vemos, mas não temos a ciência nem os números por trás disso”.

É aí que entra o FarmBeats. Steven Mirsky, ecologista de pesquisa no Laboratório de Sistemas Agrícolas Sustentáveis ​​de Beltsville, coletará dados das lavouras de Hill e o ajudará a analisá-los para alocar recursos e tomar decisões sobre o gerenciamento de lavouras. Atualmente, a fazenda está usando três programas diferentes para armazenar e gerenciar dados, e Hill espera mesclar as informações em um único conjunto de dados baseado na nuvem, fácil de usar e de gerenciar.

“Estamos recebendo uma tonelada de dados e estamos lutando para descobrir como utilizar tudo isso. Temos dados do solo; temos dados de eletrocondutividade; temos dados de plantio; temos dados das imagens de satélite que recebemos todos os dias. Temos dados das colheitadeiras que nos informam o rendimento e a umidade do campo à medida que colhemos”, diz Hill. “De alguma forma, precisamos consolidar em uma linguagem comum. No momento, está tudo muito fragmentado para mim como agricultor.”

A combinação de dados do sensor com imagens de drones e satélites ajudará os pesquisadores do USDA a entender melhor como as condições do solo, o clima e o gerenciamento se cruzam para impulsionar o desempenho das culturas e a conservação da água e do solo a longo prazo. Armados com essas informações detalhadas, eles podem analisar condições e identificar a tomada de decisões em seções de um campo.

“Há tanta variação espacial em um campo, da topografia do solo e das perspectivas do clima, que precisamos dos dados que nos ajudam a fornecer soluções específicas para o local”, diz Mirsky, que lidera o piloto do USDA.

“A única maneira de fazer isso é coletando dados sobre regimes climáticos, de solo e de manejo”, diz ele. “Isso requer uma grande quantidade de dados, aplicativos de IA e aprendizado de máquina para que possamos reunir tudo isso e criar soluções específicas para os agricultores.”

Apenas uma década atrás, coletar esses dados normalmente significava enviar cientistas para o campo para anotar informações em um caderno. Em seguida, os dados seriam inseridos em planilhas no laboratório e disseminados, um processo demorado, propenso a erros e sem dúvida não o melhor uso das habilidades de cientistas altamente treinados.

O USDA desenvolveu anteriormente seus próprios sistemas para coletar e analisar dados, diz Mirsky, mas o FarmBeats elimina essa necessidade, fornecendo uma plataforma padronizada que permite que os pesquisadores reúnam dados e construam modelos de aprendizado de máquina em conjuntos de dados. Embora as tecnologias sem fio tenham facilitado a coleta de dados, elas levaram a um problema diferente que o FarmBeats também aborda.

“Como cientista pesquisador com muitas tecnologias diferentes de hardware e sensores ao meu alcance, o desafio atualmente na agricultura não é obter dados”, diz Mirsky. “Antes, era ‘Como você obtém dados?’ Agora, é ‘O que você faz com todos esses dados?’ O FarmBeats está nos fornecendo um mecanismo para agregação, visualização e análise de dados na nuvem.”

Com mais de 90 estações de pesquisa e cerca de 2.000 pesquisadores e cientistas em todo o país, o USDA lutou com o que Michael Buser, líder nacional do programa de engenharia do departamento, chama de “silos dentro de silos” – grandes quantidades de dados que ficam no disco rígido dos PCs dos funcionários e em arquivos que não são acessíveis a outros colaboradores do USDA.

“Da maneira como estamos estruturados, não capturamos todo o valor dos dados. É uma perda enorme para o departamento”, diz Buser.

A migração desses dados para um repositório centralizado e seguro do Microsoft Azure permitirá que o USDA capture dados históricos e futuros que podem ser úteis para os pesquisadores, diz Buser. Ele também vê potencial para o FarmBeats ser usado em operações de monitoramento contínuo em estações meteorológicas do USDA, locais de pesquisa com animais e outros lugares para reduzir o tempo despendido pela equipe e os custos.

“Vemos o FarmBeats como a oportunidade de trazer essas informações de volta à nuvem mais rapidamente e com menos interação humana”, diz Buser.

“Quando pensamos em big data, temos desafios além de como colocamos todas essas informações em um sistema. Também temos a parte econômica. Quando você pensa em ter mais de 90 locais de pesquisa, 2.000 cientistas e pós-doutorados e quanto tudo custa, isso é uma consideração. Acho que o FarmBeats pode ser a peça econômica que estávamos procurando.”

O uso dos espaços livres da TV pelo FarmBeats é fundamental. A tecnologia permitirá que o USDA envolva mais fazendas em sua rede de pesquisa e forneça a largura de banda necessária para transmitir imagens. Por exemplo, se uma plantação está estressada, uma imagem das plantas pode ser enviada ao computador ou telefone celular do agricultor para ajudar na avaliação da situação.

“Isso diz muito, e simplesmente não podíamos fazer isso anteriormente”, diz Chris Reberg-Horton, professor de ciências de culturas e do solo da NC State University que criou a rede de pesquisa agrícola com Mirsky há quatro anos.

“A realidade é que os agricultores não veem seus campos com muita frequência. Uma fazenda média na América tem cerca de 5.000 acres, mas muitas estão em 10.000 acres, e esses campos podem estar espalhados por vários municípios”, diz Reberg-Horton.

“Como o tamanho da fazenda aumentou, a necessidade de algum tipo de sistema de monitoramento para todos esses campos cresceu.”

O FarmBeats foi criado em 2015 por Ranveer Chandra, agora cientista-chefe da Microsoft Azure Global, que havia trabalhado na fazenda de seus avós na Índia quando criança e via os dados como uma maneira de ajudar os agricultores a cultivar alimentos de qualidade e melhorar seus meios de subsistência. A iniciativa surgiu de um hackathon de funcionários para se tornar um projeto com a assinatura do Microsoft AI for Earth, um programa que fornece ferramentas de nuvem e IA para organizações desenvolverem soluções sustentáveis ​​para desafios ambientais.

O piloto do USDA será um caso de teste importante para o programa, em uma fazenda de pesquisa de alto nível próxima da capital dos EUA. O FarmBeats está em preview fechado em fazendas de vários estados. Matthew Kerner, gerente-geral de setores e blockchain da Microsoft Azure Global, diz que a Microsoft continua trabalhando com fabricantes de dispositivos para integrar os recursos do FarmBeats em seus produtos e espera tornar o programa disponível em cerca de seis meses.

“Acreditamos que técnicas de precisão e uso de dados para melhorar o mundo formam um padrão que pode ser aplicado em muitos setores”, diz ele. “Por trás do FarmBeats está o nosso desejo de aplicar isso à agricultura.”

Para Hill, os dados se tornaram uma ferramenta cada vez mais importante para mapear o futuro de Harborview. Ele também está coletando dados para uma iniciativa que espera demonstrar neutralidade de carbono no solo da fazenda e permitir que ela venda créditos de carbono. Os dados estão se tornando cada vez mais importantes para a agricultura, já que os consumidores, principalmente os mais jovens, querem saber de onde vêm seus alimentos, diz ele.

“Transparência na comida é um grande problema. Um agricultor do meu tamanho terá que ser transparente”, diz ele. “Se estou usando práticas orientadas à conservação, espero que isso gere valor e fé no consumidor, e muito disso gira em torno desse conjunto de dados em constante mudança.”

Por fim, Hill espera que seu trabalho com Mirsky confirme a abordagem que ele e seu pai desenvolveram ao longo de décadas vendo, tocando e trabalhando suas terras, observando o solo e as plantas crescerem à medida que as estações mudam e os anos passam.

“Espero que o que estou fazendo esteja correto”, diz ele. “Espero estar certo. Mas o que Steven vai fazer é começar a validar e quantificar isso – ou talvez me diga que estou errado, o que também seria bom, porque provavelmente seria uma boa experiência de aprendizado.”

Imagem principal: Steven Mirsky, ecologista de pesquisa no Laboratório de Sistemas Agrícolas Sustentáveis do USDA em Beltsville, Maryland.

Fotos: Dan DeLong