Кукуруза в США
«Сельское хозяйство кажется очень простым, когда твой плуг — карандаш, а ты в тысяче миль от кукурузного поля», — Дуайт Д. Эйзенхауэр
В то время как национальные сельскохозяйственные журналисты и агрономы отправляются в свой ежегодный тур по кукурузному поясу, случайным образом выбирая фермы для посещения и растения для взвешивания и измерения, мы только что представили наш первый космический прогноз урожайности кукурузы в США и производства (об этом на этой неделе сообщает Блумберг). Используя спутниковые снимки и наблюдения за погодой, собираемые ежедневно более 15 лет, мы создали систему машинного обучения в облаке, которая следит за прогрессом национальных кукурузных ферм и прогнозирует количество бушелей зерна, которые будут собраны с полей для каждой из них. графство, с большей точностью и скоростью, чем традиционные методы обследования. Эта технология может изменить то, как мы оцениваем и понимаем проблемы продовольственной безопасности в эпоху истощения ресурсов и глобального изменения климата.
От науки к стартапу
Descartes Labs — это стартап, поддерживаемый венчурным капиталом, который занимается изучением Земли с помощью спутниковых снимков. Мы используем машинное обучение, дистанционное зондирование и крупномасштабные облачные вычисления со спутниковыми снимками, чтобы исследовать прошлое, настоящее и будущее человеческой деятельности и природных ресурсов в глобальном масштабе. Как описал мой соучредитель Марк Джонсон, мы — небольшая группа ученых и технологов, созданная из государственного исследовательского центра, Лос-Аламосской национальной лаборатории, потомка Манхэттенского проекта военного времени, спрятанного на уединенной плато в красивый северный Нью-Мексико.
Мы открыли свои двери в декабре прошлого года и с тех пор усердно работаем, превращая спутниковые пиксели в количественные данные. Fast Company хорошо описывает наши первоначальные попытки научить нашу систему машинного обучения находить пшеничные поля в США и упоминает о нашем намерении обработать все спутниковые снимки НАСА Landsat, начиная с оригинального Landsat 1. спутник был запущен в 1972 году. Landsat был реализацией инициативы Эйзенхауэра Открытое небо, средством укрепления мира во всем мире путем повышения взаимопонимания между народами и предотвращения неожиданностей, и его основная миссия состоит в том, чтобы нанести на карту мировые природные ресурсы и отслеживать их изменения, указывающие на угрозы нашей окружающей среде.
Фактически, вскоре после того, как история с Fast Company стала известна, мы превзошли нашу техническую цель, обработав более петабайта спутниковых изображений менее чем за 16 часов с помощью виртуального суперкомпьютера с 30 000 ядер процессора, который мы наколдовали в Google Cloud (как написали в блоге замечательные ребята из Google). В то время как пшеница является прекрасным зерном и (наряду с рисом) составляет основу для питания 7 миллиардов голодающих людей, самая большая награда в сельском хозяйстве — это кукуруза, которая идет на производство этанола для наших автомобилей и корма для наших животных и сладкого сиропа для наших высококалорийных продуктов. напитков, а также в традиционные здоровые продукты. Поэтому мы сосредоточили наши первоначальные усилия на кукурузе, и, поскольку США являются крупнейшим в мире производителем этого ценнейшего сельскохозяйственного товара, мы начали свою работу здесь, дома.
Вот (математические) Драконы…
Поскольку в статье для прессы никогда не бывает достаточно дюймов колонки, чтобы полностью описать, что мы делаем, мы хотели бы остановиться на немного более подробном, чем обычно (не стесняйтесь переходить к «Что дальше?», ниже).
Во-первых, и это очень важно, мы должны подчеркнуть, что наши модели были оптимизированы для оценки фактических почвенных условий сельскохозяйственных культур, и не предпринимается никаких попыток смоделировать оценки, основанные на опросах, представленные в августовском отчете Национальной службы сельскохозяйственной статистики Министерства сельского хозяйства США или в другом отчете. продукты прогноза урожая. Вместо того, чтобы проводить бумажные опросы примерно 10 000 фермеров в месяц или посылать рабочих для посещения примерно 1000 полей для отбора проб реальных початков кукурузы, мы используем спутниковые наблюдения примерно 100 000 ферм в день для оценки урожайности и производства в видимом и инфракрасном спектре. и временные подписи растений, видимых с орбиты.
Наши методы основаны на анализе более 10 триллионов пикселей видимых и инфракрасных спутниковых изображений, собранных в Соединенных Штатах за 15 лет наблюдений. Мы используем спутниковые наблюдения Земли с помощью датчиков NASA/USGS Landsat TM, ETM+ и OLI и датчиков NASA Aqua/Terra MODIS, собранных в период с 1 января 2004 г. + лет.
Мы проверяем наши модели вегетационного периода с помощью ретроспективного тестирования за период с 2004 по 2014 год и делаем прогнозы на этот год. Наша проверенная оценка урожая кукурузы на национальном уровне за день 216 (начало августа) имеет медианную абсолютную точность 2,5 бушелей на акр (бушелей на акр). То есть можно ожидать, что наш прогноз будет в пределах 2,5 бушелей/акр от окончательной оценки доходности USDA через половину лет. Этот среднесезонный прогноз улучшается благодаря дополнительным спутниковым наблюдениям за оставшуюся часть вегетационного периода и достигает оценки урожайности на национальном уровне в конце сезона со средней абсолютной точностью 1,5 бушелей/акр. По сравнению с «золотым стандартом» методов опроса в USDA, наши исторические прогнозы на 216 день (например, 4 августа 2015 г.) более точны, чем августовский прогноз USDA, наши прогнозы на 248 день (5 сентября 2015 г.) более точны, чем их прогнозы на 248 день (5 сентября 2015 г.). Сентябрьский прогноз и прогнозы на 280-й день (конец сезона: 7 октября 2015 г.) более точны, чем их прогнозы на октябрь.
Быстрее и лучше: ошибка прогноза Descartes Labs в зависимости от дня года для урожайности кукурузы в США по сравнению с ошибкой прогноза USDA NASS/WASDE.
Что дальше?
Теперь, когда наш количественный анализ, основанный на ежедневных спутниковых и погодных наблюдениях за более чем десятилетие, показывает, что мы быстрее и точнее, чем Министерство сельского хозяйства США, оцениваем урожайность и производство кукурузы в США, что дальше? Предложение кукурузы в США — это всего лишь один из терминов в глобальном уравновешивании спроса и предложения, и в нашем стремлении понять мир как единую систему мы, естественно, хотим как можно скорее получить оценку мирового производства. Удивительно, но в настоящее время в мире еще нет глобальной карты производства кукурузы или любой другой товарной культуры в режиме реального времени. Несмотря на то, что в настоящее время Институт мировых ресурсов ведет интересную работу над глобальными лесами, все ресурсы, от воды до полезных ископаемых и наших обширных городских зон, могут быть полезны для постоянного научного наблюдения и моделирования, и Descartes Labs намерена помочь вывести это новое понимание на рынок. .
Последствия этого выходят далеко за рамки прямых выгод для торговли сырьевыми товарами. Экономика кукурузы переместила производство пшеницы в США на более маргинальные сельскохозяйственные угодья через бывшие прерии и вниз на юго-запад США, где она сильно зависит от древних водоносных горизонтов. Эти водоносные горизонты наполнялись дождями на протяжении тысячелетий, и мы можем быть на пути к тому, чтобы эффективно выпить их всего за следующие 20 лет, что намного быстрее, чем обычные опасения по поводу глобального изменения климата. Если это не кажется ужасно хорошей ситуацией, мы склонны согласиться.
