1. Các yếu tố chính của Nông nghiệp chính xác

Nông nghiệp chính xác có thể được áp dụng trong các giai đoạn canh tác khác nhau, từ việc lựa chọn đầu vào phù hợp, tối ưu hóa sản xuất, đến lập kế hoạch thu hoạch. Các yếu tố chính của PA bao gồm hình ảnh và cảm biến, kết nối, phần mềm quản lý trang trại, robot và máy móc tự động.

Công nghệ hình ảnh/cảm biến cho phép thu thập dữ liệu không gian địa lý và thông tin về ruộng đất bao gồm độ ẩm, nhiệt độ và tình trạng đất.

Kết nối được kích hoạt thông qua việc sử dụng công nghệ IoT để truyền, giao tiếp và kết nối các dữ liệu. Các thiết bị khác nhau được kết nối trong hoạt động nông nghiệp cho phép nông dân thu thập tất cả dữ liệu thiết yếu và tận dụng lượng lớn dữ liệu nông nghiệp.

Hệ thống quản lý trang trại tổng hợp tất cả dữ liệu đã thu thập và sử dụng Phân tích dữ liệu lớn để cung cấp thông tin và hiểu biết sâu sắc nhằm hỗ trợ nông dân theo dõi và quản lý trang trại (ví dụ: khuyến nghị các yêu cầu cụ thể về lượng giống, phân bón hoặc thuốc trừ sâu).

Người máy Robotics và tự động hóa được sử dụng để hỗ trợ vận hành, tận dụng hướng dẫn tự động, đo từ xa và máy bay không người lái để cải thiện hiệu quả hoạt động và tiêu chuẩn hóa nhiệm vụ.

PA có khả năng mang lại lợi ích đáng kể cho người sử dụng trong các giai đoạn canh tác khác nhau. Nó giúp nông dân tối ưu hóa việc bón phân đầu vào bằng cách cung cấp lượng phân bón chính xác cần thiết cho các khu vực khác nhau của đồng ruộng. Những thông tin này có thể được lấy từ việc phân tích dữ liệu trên cánh đồng và thông tin không gian địa lý được thu thập. Điều này giúp họ tiết kiệm chi phí và tránh suy thoái đất không cần thiết do lạm dụng phân bón và các hóa chất khác. PA cũng hỗ trợ nông dân tiến hành lựa chọn hạt giống phù hợp, lựa chọn đầu vào và chất dinh dưỡng phù hợp, cũng như thời điểm thu hoạch phù hợp. Hệ thống quản lý trang trại giúp nông dân đưa ra quyết định đúng đắn để nâng cao hiệu quả công việc, năng suất và sản lượng. Máy móc dẫn hướng tự động (ví dụ: máy kéo dẫn đường bằng GPS) giảm thiểu khối lượng công việc chuyên sâu, cải thiện giảm thiểu rủi ro vận hành và giúp bảo vệ chất lượng đất. Hơn nữa, nông dân có thể giảm chi phí bảo trì ngoài kế hoạch với khả năng bảo dưỡng phòng ngừa tự động (ví dụ: theo dõi tình trạng lốp của xe nông nghiệp).

Hình 1. Hoạt động của Nông nghiệp chính xác

Các công nghệ PA đã được triển khai thành công trên toàn cầu. PA tiên tiến hơn ở các nước phát triển dẫn đầu là Mỹ, Hà Lan và Úc. Ở những nước này, nông dân thường sở hữu những trang trại lớn (từ 10 hecta đến1000 hecta trở lên) và quy trình nông nghiệp đã được cơ giới hóa. PA đã được thực hiện rộng rãi trong các hộ nông dân trồng trọt để thúc đẩy hiệu quả và năng suất sản xuất. PA đã chứng minh lợi ích cho nông dân ở các nước đang phát triển với sự hỗ trợ của chính phủ.

Ở Trung Quốc, đã có một số dự án PA do chính phủ định hướng bắt đầu với tư cách là thí điểm R&D và triển khai với mục đích ban đầu trên quy mô nhỏ trước khi trở thành một phần của thực tiễn sau này. Một ví dụ thành công là việc thực hiện PA trên quy mô lớn ở tỉnh Hắc Long Giang, một trong những vùng sản xuất ngũ cốc và đậu tương quan trọng nhất cả nước. Ở cấp khu vực Đông Nam Á, Chính phủ Malaysia đã khởi động chương trình Canh tác lúa gạo chính xác nhằm tăng hiệu quả sản xuất lúa gạo thông qua việc sử dụng PA của nông dân địa phương.

2. Cách tiếp cận của Nông nghiệp chính xác dựa trên ứng dụng IoT

Giám sát chế độ báo động từ xa, kết nối nông trại thông qua việc ứng dụng IoT

Các tùy chọn kết nối tại trang trại, các giải pháp IoT giám sát nông trại từ xa và dữ liệu trang trại được hiển thị trên nền tảng dữ liệu. Giải pháp mạng kết nối trên các trang trại lưu trữ được cài đặt (bao gồm cả công nghệ băng thông thấp và cao) với Mạng diện rộng công suất thấp LPWAN (Low Power Wide Area Networks) sử dụng các giao thức truyền thông LoRaWAN, SigFox và CatM1 cũng như các mạng Wi-fi tại nhà băng thông cao hơn và Mạng di động 3G/4G.

Hình 2. Giải pháp IoT giám sát nông trại từ xa

Các giải pháp được thực hiện để giúp cải thiện hiệu quả trang trại thông qua dữ liệu đối với các loại cây trồng như ngũ cốc, lúa mì, yến mạch... là:

Ngoài ra còn giám sát sức khỏe cây trồng/dịch hại qua vệ tinh và máy bay không người lái UAV (Unmanned Aerial Vehicle); Ứng dụng biến đổi tỷ lệ; Camera an ninh từ xa; Hệ thống WiFi điểm tới điểm.

Khi nói đến các lĩnh vực cần yêu cầu phân tích dữ liệu, chẳng hạn như độ ẩm của đất, độ mặn và độ pH, cần phải hiểu rằng càng thu thập nhiều dữ liệu theo thời gian thì kết quả càng tốt. Ví dụ: những thay đổi đối với đất bị ảnh hưởng bởi thời tiết và phương pháp xử lý nhưng càng thu thập được nhiều dữ liệu cho phép người dùng đánh giá những thay đổi do đầu vào hoặc các yếu tố môi trường khác và sau đó so sánh với những thay đổi của các loại đất khác nhau. Khí hậu nông nghiệp theo chu kỳ và cần được quan sát trong ít nhất một mùa đầy đủ để có cơ sở cung cấp những hiểu biết nhất định cho người dân. 

Hình 3. (1) Hiệu chuẩn đầu dò độ ẩm của đất (2) Cổng LoRaWAN được lắp đặt (3) Đầu dò độ ẩm đất SCF và trạm đo mưa

Chú ý

1. LoRaWAN (Long Range Wide Area Network): là giao thức mạng năng lượng thấp, diện rộng (LPWA - Low Power Wide Area Network) được phát triển bởi Liên minh LoRa (Long Range Radio), kết nối không dây “hoạt động” với Internet trong các mạng khu vực, quốc gia hoặc toàn cầu, nhằm mục tiêu các yêu cầu chính của Internet of Things (IoT) như thông tin liên lạc hai chiều, dịch vụ bảo mật đầu cuối, di động.

2. Sigfox: là hệ thống giống như mạng di động, sử dụng công nghệ Ultra Band (UNB) để kết nối các thiết bị từ xa... Ngoài ra, nó đòi hỏi yêu cầu về antenna thấp hơn so với mạng di động GSM/CDMA. Sigfox sử dụng các dải tần ISM được sử dụng miễn phí mà không cần phải được cấp phép để truyền dữ liệu.

3. CatM1: Danh mục M1 là công nghệ hoạt động trên phổ 1,4 MHz (giảm từ 20 MHz), có công suất truyền 20Bm và cung cấp tốc độ tải lên trung bình từ 200kpbs đến 400 kpbs. Công nghệ này có thể kéo dài tuổi thọ pin, có khả năng lên tới 10 năm.

3. Các nghiên cứu điển hình

(1) Chuyển đổi nông nghiệp ở Hắc Long Giang sử dụng PA

Tỉnh Hắc Long Giang là vùng sản xuất ngũ cốc và đậu tương quan trọng - chiếm 10% diện tích đất canh tác toàn quốc. Tỉnh tạo cơ hội phát triển mở rộng Nông nghiệp chính xác do tỉnh có diện tích nông nghiệp bằng phẳng và rộng nhưng lại cho năng suất thấp. Dự án PA do chính phủ định hướng bắt đầu vào năm 2009 và tiếp tục mở rộng đến năm 2016. Các công nghệ khác nhau đã được triển khai trong dự án bao gồm: thiết bị đo từ xa (ví dụ: hướng dẫn tự động, công nghệ tốc độ thay đổi) và dữ liệu Nông học (ví dụ: hình ảnh / vệ tinh, viễn thám). Tất cả dữ liệu đầu vào được hợp nhất trong một hệ thống quản lý thông tin dựa trên đám mây. Trên khắp Hắc Long Giang, hơn 1 triệu hecta đất nông nghiệp hiện được quản lý theo hoạt động của Nông nghiệp chính xác.

(2) Malaysia đang trên con đường sản xuất gạo tự cung tự cấp

Chương trình canh tác lúa gạo chính xác được thực hiện ở Sawah Sempadan, một trong những vựa lúa ở Malaysia. Chương trình tập trung vào quản lý và giám sát dinh dưỡng cho ruộng lúa bằng Hệ thống thông tin địa lý GIS (Geographic Information Systems) và hình ảnh vệ tinh / viễn thám thông qua sự hợp tác của các cơ quan chính phủ khác nhau. Dự án thử nghiệm đầu tiên vào năm 2011 bắt đầu trên 2.300 hecta đất và 86 hộ nông dân. GIS dựa trên đám mây trực tuyến với giao diện thân thiện với người dùng đã được giới thiệu cho nông dân - cung cấp quyền truy cập vào cơ sở dữ liệu trực tuyến (ví dụ: thông tin sâu bệnh và dịch hại), lập bản đồ tương tác và khuyến nghị phân bón. Chương trình này là một phần trong các sáng kiến của chính phủ đang thực hiện nhằm đạt được sản lượng lúa gạo tự cung tự cấp là 5 tấn/hecta vào năm 2020.

Tại Malaysia, mối quan tâm đến Nông nghiệp Chính xác bắt đầu cách đây khoảng 15 năm khi Giáo sư Tiến sĩ Pierre C. Robert quá cố, được nhiều người ca ngợi là “Cha đẻ” của Nông nghiệp Chính xác, đã có bài giảng cho khách về các nguyên tắc của PA và các ứng dụng tiềm năng của nó đối với cây trồng nhiệt đới hệ thống tại Đại học Putra Malaysia. Kể từ đó, Khu Bảo vệ đã dần dần phát triển từ một ý tưởng phức tạp thành một chiến lược hợp lý để quản lý cây trồng và đất. Nhiều nghiên cứu về PA đã được thực hiện, đặc biệt là về cây hàng hóa và cây lương thực. Hai trong số các loại cây trồng được nghiên cứu rộng rãi là cọ dầu và lúa. Malaysia hiện là nhà sản xuất lớn thứ hai thế giới và nhà xuất khẩu dầu cọ lớn nhất, đóng góp 44% thị trường xuất khẩu toàn cầu. Quỹ đất cọ dầu hiện ở mức 5,8 triệu ha. Mặt khác, gạo là lương thực chính của Malaysia và chiếm diện tích đất canh tác gần 0,6 triệu ha. Hiện tại, tỷ lệ tự cung tự cấp gạo của Malaysia ở mức 72% và dự kiến sẽ tăng lên 90% vào năm 2020. Trong khi cọ dầu và lúa là những ứng cử viên tuyệt vời cho PA do là cây trồng có giá trị cao và là cây trồng chiến lược, một số cây trồng khác đã nổi lên là những ứng cử viên tiềm năng cho việc thực hiện PA. Các ứng cử viên tiềm năng này bao gồm dứa, rau và cây ăn quả.

Công việc ban đầu của PA tập trung vào các ứng dụng cơ bản như triển khai GPS để đánh dấu ranh giới nông trại và các cụm, điểm cây trồng (đối với cây trồng). Điều này tiếp theo là sự biến đổi theo không gian đặc trưng của năng suất cây trồng, hàm lượng chất dinh dưỡng trong đất và sự hấp thụ, cũng như các đặc tính hóa lý của đất. Mười năm trước, các cuộc điều tra viễn thám đã bắt đầu với mục đích phát hiện tình trạng căng thẳng của cây trồng trên mặt đất. Một số lượng công việc đáng kể đã được thực hiện để tìm hiểu phản ứng quang phổ của cây trồng mục tiêu qua các giai đoạn sinh trưởng khác nhau.

Một số giải pháp dựa trên PA thực tế đã được chứng minh trong cọ dầu bao gồm: i) Ước tính không phá hủy hàm lượng dầu cọ và chất lượng dầu bằng cách sử dụng các giao thức hình ảnh và GIS, ii) Phân định các vùng quản lý dinh dưỡng dựa trên các thuộc tính địa hình, iii) Lập bản đồ cây trồng các cụm năng suất sử dụng hình ảnh Quickbird, iv) Đánh giá mật độ khán đài bằng Google Earth và v) Phân biệt quang phổ về mức độ nghiêm trọng của bệnh Đốm da cam.

Đối với cây lúa, một số giải pháp dựa trên PA bao gồm: i) GIS tùy chỉnh để quản lý chất dinh dưỡng cụ thể tại địa điểm, ii) Hệ thống hỗ trợ quyết định cho khuyến nghị phân bón, và iii) Loại bỏ các tác động biến đổi không gian trong các thử nghiệm phân bón. Trong dứa (trồng trên than bùn), các khu vực quản lý được phân định dựa trên sự thay đổi của năng suất cây trồng, độ phì nhiêu của đất và sự hấp thụ chất dinh dưỡng.

Nghiên cứu và phát triển PA liên quan đến một số cơ quan chính phủ và công ty tư nhân, trong đó Đại học Putra Malaysia (UPM) và Viện Nghiên cứu và Phát triển Nông nghiệp Malaysia (MARDI) là những người dẫn đầu. Trong UPM, nhiều sáng kiến nghiên cứu về Khu bảo tồn được thực hiện bởi các bộ phận sau: Công nghệ Nông nghiệp, Quản lý Đất đai và Kỹ thuật Sinh học & Nông nghiệp. Gần đây, UPM đã thành lập một trung tâm xuất sắc được gọi là Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Thông tin Không gian Địa lý để phối hợp các nỗ lực nghiên cứu trong PA. Trong mười lăm năm qua, UPM đã sản xuất hơn 20 luận án sau đại học (MS và PhD) có liên quan trực tiếp đến PA.

PA đã trở thành một chủ đề hấp dẫn trong các cuộc họp do giới học thuật và hiệp hội nghề nghiệp tổ chức. Ví dụ, Đại hội Nông nghiệp - một sự kiện khoa học được tổ chức ba lần bởi Khoa Nông nghiệp, UPM, thường dành toàn bộ phiên kỹ thuật về Khu bảo tồn. Các tên tuổi nổi tiếng trong Khu bảo tồn như Giáo sư Tiến sĩ David J Mulla (Đại học Minnesota, Hoa Kỳ) và Giáo sư Tiến sĩ Raj Khosla (Đại học Bang Colorado, Hoa Kỳ) đã phát biểu toàn thể tại Đại hội Nông nghiệp. Hiệp hội Khoa học Đất Malaysia và Hiệp hội Khoa học Nông nghiệp Đông Nam Á Quốc tế (Chương Malaysia) cũng đã tổ chức các hội thảo, tọa đàm và các bài giảng công khai về các chủ đề liên quan trực tiếp với Khu bảo tồn.

PA, khởi đầu là một chiến lược đồng ruộng nhằm tăng năng suất cây trồng, hiện đang tiến triển như một yếu tố thúc đẩy chất lượng cây trồng và môi trường, nông nghiệp bền vững và an ninh lương thực. Ngày càng có nhiều mối quan tâm trong việc sử dụng khái niệm PA và các công cụ của nó để quản lý thay đổi lớp phủ sử dụng đất, an toàn thực phẩm và truy xuất nguồn gốc, phân tích vòng đời và giám sát môi trường/sinh thái.

Kết luận

Để triển khai ứng dụng thành công Nông nghiệp chính xác PA đối với đất nước Việt Nam từ “phân tán, rải rác” sang “tập trung” thì điều kiện cần là:

Đối với nông dân địa phương nhỏ trên toàn quốc

- Khởi động chuỗi dự án Nông nghiệp chính xác thí điểm cho cây trồng chủ lực ở các vùng chiến lược;

- Chỉ định các nhà đầu tư dự án lớn và các bên liên quan chính có liên quan ở cấp địa phương để bảo đảm thực hiện thành công;

- Hỗ trợ thực hiện Nông nghiệp chính xác bằng cách cung cấp cho nhà nông các cảm biến cơ bản có giá cả phải chăng và phân tích dữ liệu tập trung tại các cơ quan hành chính địa phương.

Đối với các dự án Nông nghiệp chính xác quy mô lớn trong khu vực

- Tăng cường áp dụng Nông nghiệp chính xác ở các khu vực lớn bằng cách cung cấp các cuộc hội thảo, chương trình đào tạo và tư vấn về Nông nghiệp chính xác cho các doanh nghiệp vừa và nhỏ;

- Thúc đẩy và hỗ trợ các doanh nghiệp vừa và nhỏ thực hiện Nông nghiệp chính xác thông qua chia sẻ kiến thức, hỗ trợ tài chính, dịch vụ tư vấn của chính phủ và các doanh nghiệp tư nhân lớn.

Lê Thị Thùy Trang

Tài liệu tham khảo

[1] Future Farming: the road to real-time remote on-farm monitoring.

[2] Insights on digitalization of Thailand industry.