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Tools4Crops - Innovative tools for more resilient and sustainable small-scale crops (ID: 232 )
Coordenador: Instituto Pedro Nunes - Associação para a Inovação e Desenvolvimento em Ciência e Tecnologia
Iniciativa emblemática: 8. Agricultura 4.0
Data de Aprovação: 2022-03-07 Duração da iniciativa: 2025-09-30
NUTS II: Centro NUTS III: Região de Coimbra
Identificação do problema ou oportunidade
O projeto Tools4Crops visa promover o aumento da competitividade e resiliência dos micro e pequenos agricultores da região Centro, com foco particular em três culturas de relevo para aquele território: milho, arroz e batata. No sentido de atingir aquele objetivo, o projeto foca em quatro vetores fundamentais: (i) monitorização e otimização dos processos de gestão agrícola, nomeadamente irrigação, fertilização e controlo de infestantes nas três culturas consideradas; (ii) avaliação da resiliência das variedades comerciais e regionais de milho às alterações climáticas; (iii) estudo da viabilidade de diferentes práticas de cultivo de arroz, em função dos impactos trazidos pelas alterações climáticas, nomeadamente através da comparação entre modo convencional (por alagamento) e sementeira em seco (sem alagamento); (iv) avaliação do impacto das alterações climáticas na cultura da batata, através de ensaios experimentais em regiões com condições climáticas diversas (litoral vs interior). Estes vetores estarão alicerçados num sistema/plataforma integrado de apoio à decisão (decision support system, DSS), alimentado em tempo real por um conjunto alargado de dados provindos de diversas fontes (redes de sensores, tecnologia de alta-resolução de satélites, imagens multi-spectral de drones, dados de estações meteorológicas, dados do produtor (expert-in-the-loop), etc.. Ao combinar dados provenientes de diferentes soluções tecnológicas, o sistema permite uma monitorização multimodal (vegetação, solo, variáveis ambientais) mais precisa e fiável, ao mesmo tempo que possibilita a realização de análises correlacionais entre diferentes fatores (e.g., níveis de humidade do solo e aparecimento de doenças nas plantas). A informação recolhida pela plataforma será incorporada e processada através de ferramentas e técnicas baseadas em aprendizagem computacional (machine learning) e inferência Bayesiana, permitindo a predição de anomalias como o aparecimento de pragas e doenças, stress hídrico, etc. No sentido de garantir a usabilidade do sistema, serão ainda aplicadas técnicas de user interface/user experience (UI/UX), durante o processo de desenho da plataforma, por forma a disponibilizar ao pequeno produtor um sistema simples e intuitivo. No sentido de aumentar o impacto do projeto na região, será ainda promovida a disponibilização dos resultados do projeto, assim como a partilha de dados entre produtores (e.g., partilha de informação acerca do aparecimento de determinada praga ou doença). A disponibilização destes dados será realizada por via de uma plataforma aberta, a qual, no longo prazo, será alimentada quer por dados de produtores individuais (numa lógica de ciência participativa), quer por associações do setor, centros de competências, entidades do sistema científico, e outros stakeholders de relevo.
Breve resumo da iniciativa a desenvolver
A agricultura representa uma das fileiras estratégicas mais relevantes para a dinamização da economia nacional, tendo contribuído entre 2010 e 2019 para 1,9% do PIB (GPP, 2020). Em 2019, as empresas do setor representavam 9,8% das empresas nacionais (INE, 2021). As atividades agrícolas na Região Centro promovem um relevante contributo para o setor, nomeadamente no que respeita às culturas do milho, arroz e batata, as quais ocupavam, em 2020 (INE), uma área de 24 383 ha, 6 461 ha e 5 773 ha respetivamente, constituindo culturas estratégicas para a competitividade da Região e contribuindo para a produção nacional com 33%, 25% e 33%, respetivamente. Contudo, a baixa densidade populacional, a pequena dimensão das parcelas agrícolas (5 ha em média), associada a uma fraca capacidade de investimento, representam desafios importantes para aumentar a competitividade do setor, quer a nível nacional, quer internacional. A estes desafios acrescem questões ambientais, agravadas pelas alterações climáticas, como o aumento da escassez de água, a necessidade gradual de aplicação de fertilizantes para garantir a produtividade dos solos altamente suscetíveis a processos de degradação (ex. depleção da matéria orgânica do solo, erosão, salinização) e a ameaça crescente de pragas e doenças. Neste contexto, é premente dotar os agricultores de ferramentas que garantam a resiliência do setor, assim como de conhecimento que lhes permita optar por uma gestão agrícola mais sustentável, de modo a alavancar a posição do setor no mercado nacional e externo a longo prazo. No mesmo sentido, é fundamental criar ferramentas que possibilitem a identificação de riscos e ameaças à produtividade a longo-prazo, assim como de sistemas de produção resilientes que permitam a sustentabilidade do setor. A agricultura de precisão oferece-nos precisamente um conjunto de ferramentas e tecnologias que, através da recolha e tratamento de dados mais completos e detalhados sobre as diferentes culturas, as particularidades de cada área e de cada cultivo, permitem maximizar os resultados, aumentar o rendimento, otimizar o uso dos consumos e minimizar os impactos ambientais. Por outro lado, o conhecimento adquirido com base em tecnologias associadas à agricultura de precisão poderá ainda promover a valorização das variedades endógenas (mais adaptadas às condições locais), e adoção de práticas de gestão que protejam os recursos hídricos, o solo e a biodiversidade, tais como a agricultura biológica. A implementação de estratégias relacionadas com a transição digital e sustentabilidade agrícola, as quais estão no centro do atual projeto, vai de encontro aos objetivos da iniciativa emblemática Agricultura 4.0, dando resposta às linhas de ação 8.1, 8.3 e 8.4. Por outro lado, a utilização de ferramentas tecnológicas ao serviço da sustentabilidade agrícola está em linha com o definido na Política Agrícola Comum e na estratégia da Comissão Europeia “Farm to Fork”, sendo fundamental para o cumprimento de diversos objetivos da Agenda 2030 (ex. DS2: Produção e consumo sustentáveis, DS15: Ecossistemas terrestres e biodiversidade).
Áreas de Trabalho e responsabilidades de cada parceiro
Este projeto é uma parceria coordenada pelo IPN em estreita colaboração com parceiros que garantem a implementação do plano de ação, do ponto de vista científico (UC (DEEC; CEF), IPC (ESAC)), tecnológico (IPN, Spotlite e TheLoop), operacional (SMEs do setor) e de disseminação e adoção dos resultados (DRAP, PorBatata, COTArroz). Em termos de plano de trabalhos, o projeto conta com as seguintes atividades: 1. Levantamento das dinâmicas de uso do solo nos últimos 25 anos. A evolução do uso e ocupação do solo da área de estudo será efetuada recorrendo à análise da série temporal com cinco anos de referência das "Carta de Uso e Ocupação do Solo" e do parcelário agrícola (iSIP) dos últimos 5 anos, o que permitirá avaliar a evolução dos sistemas produtivos desde 1995 até à atualidade. De forma a aferir a qualidade histórica das culturas, serão utilizadas séries temporais de imagens de satélite para cálculos de índices de qualidade de vegetação (e.g. NDVI) associados a cada cultura e variedade. (UC/CEF) 2. Modelação e geração de mapas de riscos e vulnerabilidades das culturas do arroz, milho e batata, através da análise dos limites abióticos para ocorrência das principais pragas e doenças de cada cultura, e subsequente validação através de interpolações espaciais das ocorrências reportadas (ligação com a DRAP e ESAC) e das ameaças (EPPO) presentes, determinando as variáveis geográficas e climáticas que determinam o risco potencial. (UC/CEF; IPN; IPC/ESAC) 3. Recolha e pré-processamento de dados multimodais através do desenvolvimento de uma infraestrutura de comunicação dinâmica e modular para sensores IoT de baixo consumo, permitindo, assim, a recolha de dados em áreas onde a cobertura de rede é reduzida ou inexistente, sendo também reforçada com dados óticos de satélite de muito alta resolução. Esta infraestrutura será dotada de canais de comunicação e processamento automático de informação multimodal, que permitirá a integração e a centralização de todos os ativos digitais relevantes para o produtor. (UC/DEEC; IPN; Spotlite; TheLoop) 4. Desenvolvimento do componente de AI/Machine Learning tendo por base algoritmos já desenvolvidos pelos parceiros em outros projetos de I&D, o projeto vai adaptar modelos de aprendizagem computacional para os domínios de interesse (cross-domain adaptation). Técnicas modernas e clássicas, com interpretação probabilística, serão otimizados e ajustados (via transfer learning) para as culturas do milho, arroz e batata. Um modelo de representação espaço-temporal georeferenciado será utilizado para a combinação/fusão dos dados multi-sensores e assim permitir predição consistente e robusta durante o monitoramento das culturas. (UC/Spotlite/TheLoop) 5. Desenvolvimento de Sistema de Apoio à Decisão, adaptado a cada uma das três culturas, capaz de apresentar informação sobre os terrenos e dados de monitorização dos mesmos. Este sistema deverá permitir não só o cadastro georeferenciado de todos os elementos presentes num terreno, mas também a gestão e apresentação dos dados multimodais recolhidos por satélites, drones e redes de sensores, assim como permitir o registo das intervenções efetuadas nos terrenos e a monitorização de fatores específicos, como ocorrência de doenças, pragas ou insetos. O sistema incorporará ainda os dados resultantes da aplicação dos algoritmos de machine learning para deteção e predição de anomalias. A plataforma não será construída de raiz, será uma evolução de uma plataforma já existente no IPN para produtores de Kiwi. (IPN) 6. Implementação e validação das diversas soluções desenvolvidas através de projetos-piloto a realizar em ambiente real, em SMEs do setor. (IPN, UC, IPC, Spotlite, TheLoop Company, SMEs do setor) 7. Divulgação e promoção da adoção dos resultados do projeto. Promoção dos resultados do projeto através do lançamento de press-releases, eventos dedicados (workshops) e sessões de demonstração que visam fomentar, por um lado, a adoção do sistema de apoio à decisão, e, por outro lado, dinamizar a partilha de informação entre os diversos stakeholders destes setores. (DRAP, PorBatata, CoTarroz)
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