APPLICATION OF ARTIFICIAL INTELLIGENCE FOR FORECASTING WEATHER CONDITIONS AFFECTING AGRICULTURE AND OPTIMISATION OF AGRICULTURAL PRACTICES

Современное сельское хозяйство находится на пересечении двух глобальных вызовов: изменения климата и роста мирового спроса на продовольствие. Согласно прогнозам Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (FAO), к 2050 году мировое производство продуктов питания должно увеличиться не менее чем на 70% для удовлетворения потребностей населения. Одновременно усиливаются экстренные климатические явления — засухи, аномальные осадки, экстремальные температуры, которые нарушают агротехнологические циклы и снижают аграрную устойчивость. Традиционные методы агрометеорологического прогнозирования (основывающиеся на детерминированных моделях атмосферной динамики) становятся недостаточными для решения задач локального масштаба, особенно в условиях разреженной метеорологической сети наблюдений и высоко вариативных локальных климатических условий. Растущие климатические колебания, участившиеся погодные экстремумы и необходимость устойчивого земледелия требуют от аграриев внедрения новых подходов к управлению рисками. Ключевым фактором адаптации сельского хозяйства к этим вызовам является интеграция цифровых технологий, прежде всего методов искусственного интеллекта (ИИ)

В отличие от традиционных статистических методов, ИИ-модели обладают высокой обобщающей способностью, могут быть адаптированы к конкретным агроценозам и корректироваться в быстром темпе

Цель настоящей работы — проанализировать современные ИИ-подходы в прогнозировании погодных условий, критически оценить существующие модели и обсудить их применение для повышения устойчивости и эффективности сельского хозяйства.

2.1. Искусственный интеллект в агрометеорологии

Применение ИИ в агрометеорологии в первую очередь связано с задачами прогноза погодных параметров, критически важных для ведения сельского хозяйства: осадков, температуры воздуха, влажности почвы, индексов засушливости и т. п.

Математическое описание такой задачи прогноза может быть сведено к задаче регрессии в пространстве временных признаков:

где 

Для повышения устойчивости прогноза используются методы ансамблирования (bagging, boosting), а также регуляризация и байесовский вывод для учёта априорной неопределённости. Валидизация моделей проводится на основе кросс-валидации с разбиением по сезонам и географическим зонам.

2.2. Модели машинного обучения для прогноза агрометеоусловий

Многочисленные исследования показывают, что комбинация численного прогноза погоды (NWP) и машинного обучения (ML) позволяет повысить точность краткосрочных и локальных прогнозов. В частности, ML-модели успешно корректируют систематические ошибки NWP, основываясь на исторических данных и локальных климатических особенностях

Перспективным направлением здесь являются нейросетевые архитектуры. Искусственные нейронные сети (ANN), сверточные (CNN) и рекуррентные сети (LSTM) активно применяются для прогнозирования осадков, температуры, влажности почвы и других метеопараметров. LSTM-модели демонстрируют высокую эффективность при анализе временных рядов

В развитии статистических методов можно выделить Байесовские модели и вероятностное прогнозирование. Байесовские сети позволяют учитывать априорную неопределенность и взаимосвязь между метео- и агропараметрами. Они применяются для оценки риска неблагоприятных условий, моделирования нитратного загрязнения, засоренности сорняками и других задач агроэкологии

2.3. Модели прогнозирования урожайности сельскохозяйственных культур

Прогнозирование для планирования урожайности осуществляется на основе мультифакторных моделей, включающих в себя как метеорологические параметры, так и агрохимические, фенологические и спектральные характеристики культур

Чаще всего применяются методы:

· Случайного леса (Random Forest).

· Градиентного бустинга над решающими деревьями (XGBoost, LightGBM).

· Глубоких нейронных сетей с вниманием (Attention-based DNN).

· Генеративных моделей для имитации развития агрофитоценоза (GANS).

Формально задача может быть представлена как задача регрессии:

где Y — вектор урожайности, M — метеорологические данные, S — почвенные и топографические параметры, A — агротехнические приёмы, β — обучаемые коэффициенты модели F.

Модели проходят предварительное обучение на исторических данных, а затем уточняются на данных конкретного хозяйства (fine-tuning). В качестве метрик качества применяются RMSE, MAE и коэффициент детерминации

3.1. Применение ИИ для оптимизации агропрактик

3.1.1. Интеллектуальные системы управления поливом

Одним из ключевых факторов в повышении эффективности сельскохозяйственного производства является оптимизация водопользования. Модели машинного обучения позволяют точно рассчитывать потребность в воде на основе прогноза осадков, состояния почвы и культуры. Это ведет к снижению водопотребления на 20–30%

Системы реализуются на основе гибридных моделей:

· Регрессионных алгоритмов (Support Vector Regression, Gaussian Process Regression).

· Глубокообученных автоэнкодеров для обнаружения латентных зависимостей.

· Обучения с подкреплением (reinforcement learning) для оптимального управления поливом на длительном горизонте.

Формализованная задача управления имеет вид:

где u(t) — стратегия полива,

Интеллектуальные системы управления ирригацией позволяют адаптивно регулировать водоснабжение на основе предсказаний потребности культур во влаге, с учётом прогноза осадков, температуры, стадии вегетации и гидрофизических свойств почв, они позволяют реализовать так называемый «прецизионный полив», сводя к минимуму перерасход воды и переувлажнение, что влечёт за собой не только экологические, но и экономические эффекты

3.1.2. Автоматизированный фитосанитарный мониторинг на основе ИИ

Фитосанитарные риски, включая вспышки заболеваний и инвазии вредителей, наносят значительный ущерб агросистемам

ИИ-подходы применяются в защите растений и обработке посевов для:

· Прогнозирования вспышек заболеваний (на основе метеоусловий и исторических данных).

· Диагностики болезней с помощью компьютерного зрения.

· Определения оптимального времени и дозы обработки

ИИ-решения реализуются в виде:

· Сверточных нейронных сетей (CNN) для анализа изображений листьев, стеблей и плодов (задачи классификации и сегментации).

· Моделей обнаружения объектов (YOLO, Faster R-CNN) для локализации источников заражения на аэрофотоснимках.

· Временных моделей для предсказания вспышек (e.g., TCN, LSTM) на основе климатических и биологических индикаторов.

Верификация моделей проводится с использованием сводных матриц ошибок, ROC-кривых, F1-score. При этом особое внимание уделяется устойчивости моделей к шуму и доминированию фона (data augmentation, adversarial training).

Задача ранней диагностики и локализации опасностей является важным элементом устойчивого управления урожаем

Применение таких систем обеспечивает:

· Автоматическое оповещение агрономов.

· Построение карт фитосанитарного риска.

· Выбор наилучшей стратегии обработки и карантинных мероприятий.

3.2. Интеграция ИИ с IoT и сенсорными системами

Развитие Интернета вещей (IoT) обеспечило появление плотных сенсорных сетей, фиксирующих параметры среды в режиме реального времени: температура, влажность воздуха и почвы, освещенность, содержание 

· Выявлять локальные микроклиматические аномалии.

· Оперативно реагировать на угрозы (например, заморозки или перегрев)

· Осуществлять мониторинг, управлять ирригацией и внесением удобрений, в том числе с использованием беспилотных летательных аппаратов

Примером является система AgWeatherNet (США), в которой совмещаются датчики, метеостанции и нейросетевые модели, предоставляющие фермерам рекомендации на уровне отдельных полей.

Среди проблем и ограничений стоит выделить: 

· Качество данных — часто агрометеоданные неполные, зашумленные или собраны с разной частотой.

· Недостаток инфраструктуры — в сельских регионах может отсутствовать доступ к быстрому интернету и вычислительным ресурсам.

· Сложность интерпретации результатов ИИ-моделей, особенно при вынесении критически важных рекомендаций сельхозпроизводителю.

· Правовые и этические аспекты, например, защита персональных и экологических данных, вопросы доверия к рекомендациям ИИ.

В качестве перспективных направлений исследований можно отметить:

· Создание открытых высококачественных агрометеодатасетов.

· Разработку объясняющих цепочку рассуждений моделей ИИ (explainable AI или XAI) для повышения прозрачности принимаемых решений.

· Создание локальных моделей — с обработкой данных на устройстве (on-edge), тем самым снижая зависимость от облака.

· Интеграцию цикла разработки ML и физико-механистических моделей (погодных, биофизических).

· Развитие платформ комплексного управления умным хозяйством (Smart Farms)

Искусственный интеллект становится неотъемлемым компонентом современного устойчивого сельского хозяйства. Его применение в прогнозировании погодных условий и управлении агротехническими мерами способствует повышению продуктивности, снижению экологических рисков и адаптации к изменению климата. Однако реализация его потенциала требует преодоления проблем с данными, повышением доверия пользователей и развитием инфраструктуры.

Внедрение ИИ в агрометеорологию и агротехнологии предоставляет фундаментальные преимущества в условиях изменяющегося климата и растущих требований к устойчивости сельского хозяйства. Среди основных достижений следует отметить:

· Значительное улучшение точности прогнозов метеоусловий и урожайности.

· Повышение эффективности управления ресурсами (вода, удобрения, средства защиты).

· Оперативное принятие решений на основе объективных данных и вероятностных оценок.

Перспективы дальнейших исследований связаны с интеграцией ИИ-моделей в цифровые платформы агропроизводства, разработкой мультиагентных систем для управления крупными хозяйствами и систем ИИ с формализацией объяснений (explainable AI) — для прозрачности в принятии решений.