Nền nông nghiệp chính xác bao gồm một loạt các công nghệ và thực hành liên quan giúp người nông dân nhận thức và giải quyết được những sự biến đổi đất có thể ảnh hưởng lên sự tăng trưởng của cây trồng. Các kỹ thuật canh tác chính xác hiện nay có xu hướng tập trung vào việc khám phá cách thức biến đổi của các yếu tố như chất lượng đất, nguồn nước, mô hình thoát nước,… trong một cánh đồng, sau đó áp dụng các chiến lược trồng, thu hoạch và quản lý để giải quyết những biến đổi đó. Thông tin, số liệu về các biến đổi trong cánh đồng có thể thu được từ nhiều nguồn như thao tác lấy mẫu và kiểm tra; thiết bị cầm tay, cảm biến gắn ở thiết bị, cảm biến đặt trên cánh đồng hay đặt trên mặt đất, trên không, hoặc các điều tra dựa trên vệ tinh. Các chiến lược quản lý có thể rất khác nhau, mục đích có thể là nhằm tăng năng suất cây trồng hoặc giảm tiêu thụ nguyên liệu đầu vào tốn kém như hạt giống, phân bón và thuốc diệt cỏ.
Canh tác chính xác tập trung vào việc nhận thức và thích ứng với các biến đổi trong cánh đồng có thể là kết quả của nhiều yếu tố khác nhau giúp phát triển nền nông nghiệp chính xác. Mặc dù các nhà khoa học cây trồng từ lâu đã thử nghiệm nhiều phương pháp nhằm tận dụng thông tin, dữ liệu từ các bức ảnh chụp trên không hay từ vệ tinh cũng như từ những khảo sát được thực hiện trên cánh đồng để cung cấp tin tức về thực hành quản lý cây trồng, nhưng kỹ thuật canh tác chính xác chưa được áp dụng rộng rãi trước thập niên 1990, khi những thay đổi trong bối cảnh kinh doanh nông nghiệp Hoa Kỳ bắt đầu dần có xu hướng mang lại lợi ích cho các nông trại lớn và tích hợp theo chiều dọc ở mức độ cao. Khi các nông trại phát triển, các phương pháp quản lý nông trại truyền thống coi mỗi cánh đồng là một thực thể nguyên khối nhường chỗ cho kỹ thuật quản lý thay thế nhằm tập trung tìm hiểu các biến thể nội đồng và những ảnh hưởng của chúng đến yếu tố năng suất cây trồng. Đồng thời, giá thành của các hệ thống định vị vệ tinh vào thời điểm đó đang giảm mạnh, và các nguồn công nghệ thông tin khác nhau cần thiết để tạo ra, cập nhật và tận dụng bản đồ cánh đồng tùy chỉnh đang trở nên dễ dàng tiếp cận và có giá thành hợp lý đối với những nông dân.
Do lịch sử phát triển, nền nông nghiệp chính xác gắn bó chặt chẽ với các hoạt động thực hành nông nghiệp-công nghiệp quy mô lớn chiếm ưu thế trong các khu vực như miền trung tây Hoa Kỳ, miền nam Brazil, và nhiều vùng ở Canada, Đức và Úc. Chi phí vốn tương đối thấp, quỹ đất cao và tập trung vào hiệu quả (bao gồm cả hiệu quả lao động) giúp khuyến khích nông dân ở các khu vực này mua máy móc, phương tiện nông nghiệp lớn hơn và phức tạp hơn và có khả năng tích hợp các công nghệ canh tác chính xác.
Mặc dù một số kỹ thuật nông nghiệp chính xác có thể được sử dụng trên các trang trại quy mô nhỏ dựa trên sức lao động của con người thay vì lao động cơ khí, nhưng các công nghệ nông nghiệp chính xác tiên tiến nhất lại dựa trên tính tự động ở mức độ rất cao, không chỉ tính ứng dụng mà còn cả về ra quyết định. Nền nông nghiệp chính xác có thể sẽ bổ sung đáng kể vào chi phí hiện tại, và có thể là đến năm 2040 sự gia tăng sản lượng với công nghệ bổ sung này chưa thể bù đắp cho các chi phí bổ sung. Đối với các công nghệ nông nghiệp chính xác được nhân rộng trong tương lai và theo cách thức tác động đáng kể đối với sản lượng lương thực toàn cầu và tiêu thụ tài nguyên, thì những hướng dẫn hay hệ thống ứng dụng tự động hóa đang nổi lên ở các phương tiện máy móc nông nghiệp sẽ phải giảm về kích thước và chi phí để có thể hoạt động được trên các mảnh đất nhỏ ở các nước đang phát triển vốn được xem là nơi có thể tăng năng suất tiềm năng lớn nhất.
Tổng quan về công nghệ nông nghiệp chính xác sau đây minh họa một lộ trình phát triển mà trong đó nền nông nghiệp cơ giới hóa sẽ trải qua một quá trình chuyển đổi mạnh mẽ và có thể được áp dụng phù hợp với hầu như bất kỳ địa điểm nào.
Các thành phần cơ bản: Lập bản đồ và quản lý
Xét trong nhiều khía cạnh, thiết bị thu nhận định vị vệ tinh là một công nghệ nền tảng trong nền nông nghiệp chính xác và được ứng dụng rộng rãi nhất trong tất cả các công nghệ nông nghiệp chính xác. Thiết bị thu này thường sử dụng tín hiệu từ chùm vệ tinh của Hệ thống định vị toàn cầu Hoa Kỳ (GPS), cùng với điều chỉnh tín hiệu từ máy phát trên mặt đất cố định để cung cấp thông tin vị trí cực kỳ chính xác - một yếu tố đóng vai trò hết sức quan trọng cho các ứng dụng nông nghiệp chính xác. Một trong những ứng dụng phổ biến nhất của đầu thu GPS trong nông nghiệp chính xác là tạo ra các bản đồ đất tọa độ địa lý. Nông dân sẽ sử dụng đầu thu GPS cầm tay để đánh dấu chính xác các vị trí của mẫu đất, sau đó đối chiếu mẫu đất và tọa độ GPS trong một cơ sở dữ liệu hệ thống thông tin địa lý (GIS). Có các công nghệ và kỹ thuật khác nhau để xác định tính chất đất, bao gồm xét nghiệm mẫu, đầu dò đo độ dẫn điện của đất (để xác định hàm lượng nước), và đồng hồ đo độ pH cầm tay (nhiều trong số đó tích hợp hay kết nối với đầu thu GPS để tạo ra dữ liệu tọa độ địa lý, mà không đòi hỏi việc phải nhập riêng những dữ liệu này). Nhiều cảm biến còn có thể được gắn trên các phương tiện đi lại để giúp việc đo đạc được thực hiện nhanh hơn tại vị trí là những cánh đồng rộng lớn. Cảm biến từ xa cũng có thể đo liên tục chỉ số chất lượng đất và truyền những số liệu này tại một cơ sở dữ liệu trung tâm.
GPS và GIS cũng được sử dụng để đo lường và sắp xếp các chỉ số thể hiện sức khỏe và tình trạng của cây trồng. Chẳng hạn như đối với thao tác lấy mẫu đất, một loạt các cảm biến và phương pháp có thể được sử dụng để thực hiện đo lường các tọa độ địa lý. Ví dụ, cảm biến cầm tay và cảm biến gắn trên xe có sẵn có thể đo hàm lượng của chất diệp lục trong lá cây bằng cách đo năng lượng ánh sáng phản chiếu trên lá. Hàm lượng diệp lục trong lá thấp cho thấy sự thiếu hụt dinh dưỡng, bệnh hại ở cây trồng hoặc các vấn đề khác. Bên cạnh đó còn có các loại cảm biến tương tự được thiết kế để đo lường các chỉ số sức khỏe khác như nhiệt độ cây trồng (thể hiện sự thiếu hụt nước), hàm lượng đường (giúp xác định độ chín của quả), và sự phá hoại của côn trùng.
Nông dân có thể sử dụng số liệu quan trắc địa lý để hỗ trợ hoạt động quản lý nông trại theo vùng, từ đó, thay đổi các ứng dụng đầu vào cây trồng (giống, phân bón, thuốc trừ sâu) dựa vào các yếu tố như sức sống cây trồng và độ màu mỡ của đất. Kỹ thuật phổ biến giúp kiểm soát đầu vào theo vùng là chia một nông trại thành các khu quản lý, rồi sau đó tính toán phân bố tối ưu đầu vào trong mỗi khu. Phương pháp phân khu được phổ biến vì nó tương đối dễ sử dụng với hệ thống ứng dụng không chính xác, phân tán đồng đều lượng đầu vào trong một mô hình rộng. Tính toán đầu vào cần thiết thường được xem là nhiệm vụ của phần mềm chuyên dụng, đòi hỏi chi phí giấy phép đắt tiền. Tuy nhiên, lượng đầu vào có thể được tính toán thủ công bằng cách sử dụng công thức trong trường hợp người nông dân nắm bắt được những kiến thức cần thiết. Vấn đề đang diễn ra chủ yếu với nền nông nghiệp chính xác là xác định những mức độ đầu vào thích hợp với các điều kiện nông trại khác nhau. Các công thức khuyến cáo hiện nay thường dựa trên giá trị nghiên cứu khoa học cây trồng của nhiều thập niên. Tuy nhiên, chúng thường được sử dụng để quản lý "toàn bộ khu vực nông trại" thông thường trên cơ sở từng khu vực, và không nhất thiết phải phù hợp với các kỹ thuật quản lý quy mô nhỏ hơn nhiều trong canh tác chính xác. Các nhà nghiên cứu đang phát triển các thuật toán, được thiết kế riêng để áp dụng canh tác chính xác và có thể được tùy chỉnh với các điều kiện trong các khu vực nông trại riêng không phân biệt khu vực. Không giống như nhiều công nghệ nông nghiệp chính xác, việc lập bản đồ đầu vào tọa độ không gian địa lý tương đối đơn giản để thích ứng để hoạt động trong các hệ thống nông trại quy mô nhỏ phổ biến ở các nước đang phát triển.
Do tính trung tâm đối với cả canh tác chính xác cơ giới hóa và phi cơ giới hóa, công nghệp lập bản đồ và công nghệ đề xuất đều có khả năng trở thành các thành tố canh tác chính xác quan trọng nhất.
Các hệ thống tích hợp đầu tiên: theo dõi năng suất
Theo dõi năng suất, giải pháp canh tác chính xác được tích hợp đầu tiên mới xuất hiện, đã được áp dụng ở máy gặt-đập liên hợp những năm 1990 và hiện đang là loại phổ biến nhất của hệ thống canh tác chính xác tích hợp. Máy theo dõi năng suất điển hình sử dụng một cảm biến tác động để đo lượng ngũ cốc được xử lý khi vào thùng chứa hạt của máy gặt đập. Cảm biến riêng biệt đo độ ẩm của hạt để giúp hiệu chỉnh các biến đổi do độ ẩm gây ra trong hạt, qua đó, nâng cao độ tin cậy của phép đo dòng hạt này. Máy theo dõi năng suất cho phép nông dân theo dõi sản lượng có độ chính xác hơn so với phương pháp cũ (như cân hạt khi bán). Các dữ liệu năng suất chính xác này giúp nông dân kiểm soát được việc quản lý, điều hành nông trại, chẳng hạn như đàm phán cho thuê cây trồng. Nông dân cũng sử dụng thành phần cảm biến độ ẩm trong máy theo dõi năng suất để thu thập thông tin về điều kiện cây trồng, có thể đưa ra các chiến lược trồng trọt và các thực hành xử lý xây trồng tiếp theo.
Theo dõi năng suất trở thành một công cụ mạnh mẽ, hiệu quả hơn rất nhiều khi kết hợp với thông tin định vị vệ tinh và phần mềm lập bản đồ. Máy gặt đập liên hợp được trang bị cả thiết bị giám sát năng suất và hệ thống GPS có thể tương quan đo lường năng suất tức thời với các địa điểm chính xác trong một khu vực nông trại. Sau đó phần mềm chuyên dụng có thể sử dụng những dữ liệu liên quan đó để tạo bản đồ năng suất, có thể chỉ cho người nông dân các khu vực trên cánh đồng có mức năng suất đặc biệt cao hay thấp. Bản đồ năng suất có thể giúp nông dân khắc phục một loạt các vấn đề về nông trại của mình mà nếu không thì họ sẽ gặp khó khăn lớn trong việc sử dụng các kỹ thuật khác như lập bản đồ đất tọa độ địa lý. Ví dụ, một khu vực có năng suất thấp của một cánh đồng cũng trồng ngũ cốc lại có độ ẩm cao bất thường có thể có vấn đề về thoát nước. Theo dõi năng suất còn có thể giúp nông dân theo dõi kết quả thử nghiệm với các chiến lược trồng khác nhau và kỹ thuật quản lý để xác định những thứ sẽ hoạt động tốt nhất cho các khu vực cụ thể trên cánh đồng.
Nguồn: Cục thông tin khoa học và công nghệ quốc gia