GR1010281B - Soil moisture collection and processing arrangment and method aiming at the optimal automatically-commanded irrigation in cultivations - Google Patents

Soil moisture collection and processing arrangment and method aiming at the optimal automatically-commanded irrigation in cultivations Download PDF

Info

Publication number
GR1010281B
GR1010281B GR20210100764A GR20210100764A GR1010281B GR 1010281 B GR1010281 B GR 1010281B GR 20210100764 A GR20210100764 A GR 20210100764A GR 20210100764 A GR20210100764 A GR 20210100764A GR 1010281 B GR1010281 B GR 1010281B
Authority
GR
Greece
Prior art keywords
data
irrigation
soil moisture
phase
satellite
Prior art date
Application number
GR20210100764A
Other languages
Greek (el)
Inventor
Λοϊζος Σιανιος
Διονυσιος Αθανιτης
Original Assignee
Νταταβερς Συστηματα Και Εφαρμογες Πληροφορικης Ε.Π.Ε,
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Νταταβερς Συστηματα Και Εφαρμογες Πληροφορικης Ε.Π.Ε, filed Critical Νταταβερς Συστηματα Και Εφαρμογες Πληροφορικης Ε.Π.Ε,
Priority to GR20210100764A priority Critical patent/GR1010281B/en
Publication of GR1010281B publication Critical patent/GR1010281B/en

Links

Classifications

    • AHUMAN NECESSITIES
    • A01AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
    • A01GHORTICULTURE; CULTIVATION OF VEGETABLES, FLOWERS, RICE, FRUIT, VINES, HOPS OR SEAWEED; FORESTRY; WATERING
    • A01G25/00Watering gardens, fields, sports grounds or the like
    • A01G25/16Control of watering
    • A01G25/167Control by humidity of the soil itself or of devices simulating soil or of the atmosphere; Soil humidity sensors
    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05DSYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D7/00Control of flow
    • G05D7/06Control of flow characterised by the use of electric means
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06NCOMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N3/00Computing arrangements based on biological models
    • G06N3/02Neural networks
    • G06N3/04Architecture, e.g. interconnection topology
    • G06N3/045Combinations of networks
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06QINFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G06Q10/00Administration; Management
    • G06Q10/04Forecasting or optimisation specially adapted for administrative or management purposes, e.g. linear programming or "cutting stock problem"
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06QINFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G06Q50/00Systems or methods specially adapted for specific business sectors, e.g. utilities or tourism
    • G06Q50/02Agriculture; Fishing; Mining
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04WWIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W4/00Services specially adapted for wireless communication networks; Facilities therefor
    • H04W4/30Services specially adapted for particular environments, situations or purposes
    • H04W4/38Services specially adapted for particular environments, situations or purposes for collecting sensor information

Abstract

The present invention relates to a combined method consisting in the calculation of soil moisture at all times and various depths, using machine learning algorithms in the various phases and steps of the method’s organization. This method aims at eliminating existing problems that make unproductive and economically unviable the exclusive in-situ detailed recording of soil moisture in many places, in a cultivated area and at different depths, with use of sensors. This goal is achieved, in the first phase, by the combined use of: a) data derived from in-situ measurements obtained by a specific method; b) data extracted from special satellite receptions; c) recording and forecasting data of climatic conditions, used for the training of neural networks. In the second phase, there is achieved the gradual abolition of the in-situ measurements as well as the abolition of the satellite reception and recorded climatic conditions data. With the use of this method, the conditions for the abolition of on-situ measurements with the use of sensors are gradually shaped, drastically reducing the operating and maintenance costs of the process of estimating, at every moment, the soil moisture in a cultivated area.

Description

Μέθοδος και διάταξη βελτιστοποίησης διαδικασιών συλλογής & επεξεργασίας δεδομένων υγρασίας εδάφους για χρήση τους στον αυτόματο καθορισμό εντολών για τη βέλτιστη άρδευση σε καλλιέργειες Method and device for optimizing processes for collecting & processing soil moisture data for use in automatically determining commands for optimal crop irrigation

Περιγραφή Description

1 Τεχνικό πεδίο στο οποίο αναφέρεται η εφεύρεση 1 Technical field to which the invention refers

Η χρήση ειδικών αισθητήρων σε αγρούς που χρησιμοποιούνται για την επιτόπια μέτρηση κλιμστολογικών δεδομένων και ιδίως δεδομένων που αφορούν στη διαμόρφωση της υγρασίας του εδάφους σε διάφορα βάθη οι οποίοι διασυνδέονται μέσω δικτύων (π.χ. 4G, LoRa, Wi-Fi, 5G NR, C- ζώνη, 60 GHz, CBRS, κ.λπ.) για να μεταφέρουν τα σχετικά δεδομένα προς επεξεργασία σε μια κεντρική υπολογιστική υποδομή, και σε συνδυασμό με άλλα δεδομένα που σχετίζονται με την πρόβλεψη της διακύμανσης της υγρασίας (ύψος βροχόπτωσης, υγρασία και ένταση ανέμου, κλπ), προκειμένου να διαμορφωθεί το προτεινόμενο βέλτιστο πρόγραμμα άρδευσης της εκάστοτε καλλιέργειας, ενώ μπορεί θεωρητικά να συνιστά μια πρακτική που μπορεί να οδηγήσει με ικανή ακρίβεια στη διάγνωση των αναγκών άρδευσης, εντούτοις στην πράξη, προϋποθέτει ένα μεγάλο αριθμό αισθητήρων, προκειμένου να είναι δυνατή η καταγραφή των συνθηκών υγρασίας σε πολλά σημεία μέσα σε έναν αγρό και σε διαφορετικά βάθη (από 0 - 1 μ), σε βαθμό που καθίσταται η συγκεκριμένη μέθοδος, μη βιώσιμη οικονομικά. The use of special sensors in fields used for the on-site measurement of climatological data and in particular data related to the formation of soil moisture at various depths which are interconnected through networks (e.g. 4G, LoRa, Wi-Fi, 5G NR, C - band, 60 GHz, CBRS, etc.) to transfer the relevant data for processing to a central computing infrastructure, and in combination with other data related to the prediction of moisture variation (precipitation height, humidity and wind intensity , etc), in order to formulate the proposed optimal irrigation program for each crop, while it can theoretically constitute a practice that can lead with sufficient accuracy to the diagnosis of irrigation needs, however, in practice, it requires a large number of sensors, in order to be possible the recording of moisture conditions in several places within a field and at different depths (from 0 - 1 m), to the extent that the specific method becomes, m the financially viable.

Σε ότι αφορά τους αισθητήρες μέτρησης, η χρήση τους στην πράξη έχει δείξει ότι απαιτείται ειδική θωράκιση έναντι της υγρασίας και της οξειδωτικής φθοράς, προκειμένου να μπορούν να λειτουργούν απρόσκοπτα για μεγάλο διάστημα και να συντηρούνται αποτελεσματικά, ενώ οι παροχές ενέργειας και σύνδεσης σε δίκτυο για την αποστολή και πρόσληψη δεδομένων, δημιουργούν πρόσθετες ανάγκες και κόστος για τη συντήρηση επί μακρώ. Από την άλλη, ιδιαίτερα κατά τα τελευταία 3-4 χρόνια, λόγω της μεγάλης ανάπτυξης της σχετικής δορυφορικής τεχνολογίας, η αρκετά λεπτομερής δυνατότητα καταγραφής με ανάλυση αποτύπωσης που παρέχει μια τιμή υγρασίας ανά 100 τετραγωνικά μέτρα (ή και για μικρότερο εμβαδό) και με συχνότητα σάρωσης κάθε περιοχής για την καταγραφή τιμών ανά 3 ημέρες, προσδίδει νέες σημαντικές δυνατότητες, στην αποτύπωση και αξιοποίηση δεδομένων ατμόσφαιρας και εδάφους. Στόχος όλων αυτών των μεθόδων είναι η κατά το δυνατόν ακριβής καταγραφή της υγρασίας εδάφους σε διάφορα βάθη από την επιφάνεια και μέχρι τα 1-2 μέτρα κάθε στιγμή, προκειμένου να εκτιμάται η ανάγκη άρδευσης κάθε καλλιέργειας ώστε αντίστοιχα να προγραμματίζεται η στιγμή που θα πραγματοποιηθεί η άρδευση, καθώς και η κατάλληλη ποσότητα σε κάθε σημείο της αρδευόμενης έκτασης. As far as measurement sensors are concerned, their practical use has shown that special shielding against moisture and oxidative damage is required in order to be able to function uninterruptedly for a long time and to be effectively maintained, while the power and network connection supplies for sending and receiving data, create additional needs and costs for long-term maintenance. On the other hand, especially during the last 3-4 years, due to the great development of the relevant satellite technology, the quite detailed recording capability with footprint analysis that provides a moisture value per 100 square meters (or even for a smaller area) and with scanning frequency of each region for the recording of values every 3 days, gives new important possibilities to capture and utilize atmospheric and ground data. The aim of all these methods is to record the soil moisture as accurately as possible at various depths from the surface and up to 1-2 meters at any time, in order to estimate the need to irrigate each crop in order to accordingly plan the moment when the irrigation will take place , as well as the appropriate amount at each point of the irrigated area.

Η παρούσα εφεύρεση αναφέρεται σε μια συνδυαστική μέθοδο υπολογισμού της υγρασίας του εδάφους κάθε στιγμή, σε διάφορα βάθη, με χρήση αλγορίθμων μηχανικής μάθησης στις διάφορες Φάσεις και βήματα οργάνωσής της, που έχει ως σκοπό να απαλείψει τα προαναφερθέντα προβλήματα, που καθιστούν μη παραγωγικά και οικονομικά αξιοποιήσιμη την αποκλειστικά επιτόπια αναλυτική καταγραφή της υγρασίας εδάφους σε πολλά σημεία σε μια καλλιεργούμενη έκταση και σε διαφορετικά βάθη με χρήση αισθητήρων. Ο σκοπός αυτός επιτυγχάνεται σε πρώτη φάση με τη συνδυαστική χρήση - α) δεδομένων από επιτόπιες μετρήσεις που λαμβάνονται με συγκεκριμένη μέθοδο που βασίζεται στη χρήση αισθητήρων, The present invention refers to a combined method of calculating soil moisture at any moment, at various depths, using machine learning algorithms in the various phases and steps of its organization, which aims to eliminate the aforementioned problems, which make it unproductive and economically exploitable the exclusively on-site analytical recording of soil moisture at several points in a cultivated area and at different depths using sensors. This purpose is achieved in the first phase by the combined use of - a) data from on-site measurements obtained by a specific method based on the use of sensors,

- β) δεδομένων που εξάγονται από ειδικές δορυφορικές λήψεις και - b) data extracted from special satellite images and

- γ) δεδομένων καταγραφής και πρόβλεψης κλιματικών συνθηκών, που αξιοποιούνται για την εκπαίδευση νευρωνικών δικτύων και σε επόμενη φάση με σταδιακή κατάργηση των επιτόπιων μετρήσεων και χρήση αποκλειστικά δεδομένων που εξάγονται από δορυφορικές λήψεις και δεδομένων καταγραφής και πρόβλεψης των κλιματικών συνθηκών σε μια περιοχή. - c) recording and forecasting data of climatic conditions, which are used for the training of neural networks and in a subsequent phase with the gradual abolition of on-site measurements and the use exclusively of data extracted from satellite images and data recording and forecasting of climatic conditions in an area.

Με τη χρήση της μεθόδου, διαμορφώνονται σταδιακά οι συνθήκες για την κατάργηση των επιτόπιων μετρήσεων με χρήση αισθητήρων, μειώνοντας δραστικά το κόστος λειτουργίας και συντήρησης της διαδικασίας εκτίμησης κάθε στιγμής της υγρασίας εδάφους σε μια καλλιεργούμενη έκταση. With the use of the method, conditions are gradually formed for the abolition of on-site measurements using sensors, drastically reducing the cost of operation and maintenance of the process of estimating soil moisture at each moment in a cultivated area.

Η μέθοδος περιλαμβάνει την εκτέλεση συγκεκριμένων ενεργειών στις οποίες συμμετέχουν δύο τύποι νευρωνικών δικτύων. Το πρώτο δίκτυο είναι ένα δίκτυο cycleGAN, που όταν εκπαιδεύεται δημιουργεί ενισχυμένους δείκτες υγρασίας. Κατά την εκπαίδευσή του, χρησιμοποιούνται in situ μετρήσεις της υγρασίας του εδάφους και το δίκτυο εκπαιδεύεται για να βελτιώσει τους δείκτες του συνόλου παρατήρησης με βάση αυτές τις μετρήσεις. The method involves performing specific actions involving two types of neural networks. The first network is a cycleGAN network, which when trained creates enhanced humidity indicators. In its training, in situ measurements of soil moisture are used and the network is trained to improve the indices of the observation set based on these measurements.

Τα CycleGAN μπορούν να συλλάβουν τα χαρακτηριστικά ενός συνόλου δεδομένων και να τα μεταφράσουν στα χαρακτηριστικά ενός άλλου συνόλου δεδομένων, χωρίς να χρειάζεται να υπάρχουν ζευγαρωμένα παραδείγματα μεταξύ δύο συνόλων δεδομένων. Αυτό είναι πολύ χρήσιμο όταν θέλουμε να συλλάβουμε τις πληροφορίες που περιέχονται στο σύνολο δεδομένων μέτρησης αισθητήρων και να τις αποθηκεύσουμε στις παραμέτρους του δικτύου. Αυτό το δίκτυο, μπορεί στη συνέχεια να λάβει μόνο δεδομένα τηλεπισκόπησης και να δημιουργήσει νέες παρατηρήσεις που ενισχύονται από το όφελος της πληροφορίας που έχει ενσωματωθεί από τα δεδομένα του αισθητήρα. CycleGANs can capture the features of one dataset and translate them into the features of another dataset, without the need for paired examples between two datasets. This is very useful when we want to capture the information contained in the sensor measurement dataset and store it in the network parameters. This network can then take only remote sensing data and generate new observations that are enhanced by the benefit of the information embedded in the sensor data.

Το δεύτερο δίκτυο είναι ένα επαναλαμβανόμενο νευρωνικό δίκτυο (RNN - ), το οποίο εκπαιδεύτηκε χρησιμοποιώντας μεθόδους ενισχυτικής μάθησης. Το δίκτυο λαμβάνει ως είσοδο μια παρατήρηση και δημιουργεί μια εντολή ενέργειας, εν προκειμένω μια εντολή άρδευσης της καλλιεργούμενης έκτασης ανά καλλιεργούμενο δένδρο/ φυτό. The second network is a recurrent neural network (RNN - ), which was trained using reinforcement learning methods. The network receives as input an observation and generates an energy command, in this case a command to irrigate the cultivated area per cultivated tree/plant.

2 Στάθμη προηγούμενων τεχνικών και αξιολόγηση αυτών Η πληροφόρηση σχετικά με τη χωροχρονική μεταβλητότητα της υγρασίας του εδάφους, δηλαδή η έγκαιρη διαθεσιμότητα ακριβούς πληροφόρησης σχετικά με την υγρασία του εδάφους σε τακτά χρονικά διαστήματα, είναι πολύπμη για πολλούς σκοπούς, συμπεριλαμβανομένων: της παρακολούθησης της ξηρασίας της διαχείρισης των υδάτινων πόρων, του προγραμματισμού άρδευσης της πρόβλεψης της δυναμικής της βλάστησης και των γεωργικών αποδόσεων, της πρόβλεψης πλημμυρών και καύσωνα και της κατανόησης των επιπτώσεων της κλιματικής αλλαγής (Chawla, I., Karthikeyan, L, and Mishra, A K.: A review of remote sensing applications for water security: quantity, quality, and extremes,30 Journal of Hydrology, p. 124826, https://doi.org/ 10.1016/j .j hydrol.2020.124826, 2020.) . 2 State of the art and their evaluation Information on the spatiotemporal variability of soil moisture, i.e. the timely availability of accurate soil moisture information at regular intervals, is valuable for many purposes, including: monitoring drought management of water resources, irrigation planning, prediction of vegetation dynamics and agricultural yields, prediction of floods and heat waves, and understanding the impacts of climate change (Chawla, I., Karthikeyan, L, and Mishra, A K.: A review of remote sensing applications for water security: quantity, quality, and extremes,30 Journal of Hydrology, p. 124826, https://doi.org/ 10.1016/j .j hydrol.2020.124826, 2020.) .

Η πλήρης επισκόπηση των προϊόντων και μεθόδων που υπάρχουν για τη γενικευμένη μέτρηση της υγρασίας στα ανώτερα στρώματα του εδάφους παρέχεται στην πρόσφατη επιστημονική δημοσίευση: “Evaluation of 18 satellite- and model-based soil moisture products using in situ measurements from 826 sensors evaluated the temporal dynamics of 18 state-of-the-art (quasi)global near-surface soil moisture products, including six based on satellite retrievals, six based on models without satellite data assimilation (referred to hereafter as “open-loop” models), and six based on models that assimilate 5 satellite soil moisture or brightness temperature data (H.EBeck, M.Ran, D.IVSralles et al), Hydrology and Earth System Sciences, May 2020. Αυτή η πολύ πρόσφατη δημοσίευση αναδεικνύει τις σημαντικές δυνατότητες των τηλεπισκοπικών μετρήσεων μέσω δορυφόρων και τον μικρό βαθμό απόκλισης που παρουσιάζουν σε σχέση με τις επιτόπιες μετρήσεις The complete overview of the products and methods available for the generalized measurement of moisture in the upper soil layers is provided in the recent scientific publication: “Evaluation of 18 satellite- and model-based soil moisture products using in situ measurements from 826 sensors evaluated the temporal dynamics of 18 state-of-the-art (quasi)global near-surface soil moisture products, including six based on satellite retrievals, six based on models without satellite data assimilation (referred to hereafter as “open-loop” models), and six based on models that assimilate 5 satellite soil moisture or brightness temperature data (H.EBeck, M.Ran, D.IVSralles et al), Hydrology and Earth System Sciences, May 2020. This very recent publication highlights the significant potential of remote sensing measurements through satellites and the small degree of deviation they show in relation to on-site measurements

Τις τελευταίες δεκαετίες έχουν αναπτυχθεί πολυάριθμα προϊόντα και μέθοδοι για τη μέτρηση και τον υπολογισμό με ακρίβεια της υγρασίας εδάφους το καθένα με πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Τα προϊόντα διαφέρουν ως προς τον στόχο του σχεδιασμού τους (γενικευμένη ή τοπική χρήση), τη χωροχρσνική ανάλυση και κάλυψη, τις πηγές δεδομένων, τον αλγόριθμο υπολογισμού και την καθυστέρηση στη διαθεσιμότητά τους (ιδίως όταν προέρχονται από τηλεπισκόπηση). Μπορούν να ταξινομηθούν γενικά σε τρεις μεγάλες κατηγορίες In recent decades, numerous products and methods have been developed to accurately measure and calculate soil moisture, each with advantages and disadvantages. The products differ in their design objective (general or local use), spatial resolution and coverage, data sources, calculation algorithm and delay in their availability (especially when derived from remote sensing). They can be broadly classified into three broad categories

- (i) Προϊόντα που προέρχονται από άμεσες ενεργητικές ή παθητικές μικροκυματικές δορυφορικές τηλεπισκοπήσεις - (i) Products derived from direct active or passive microwave satellite remote sensing

- (ϋ) Υδρολογικά μοντέλα ή μοντέλα επιφάνειας εδάφους χωρίς αφομοίωση δορυφορικών δεδομένων (open loop models) - (D) Hydrological models or land surface models without satellite data assimilation (open loop models)

- (iii) Υδρολογικά μοντέλα ή μοντέλα επιφάνειας εδάφους που αφομοιώνουν τις τιμές της υγρασίας εδάφους που προέρχονται από την τηλεπισκόπηση των δορυφόρων ή τη δορυφορική μικροκυματική τηλεπισκόπηση και παρατήρηση της θερμοκρασίας φωτεινοτητας - (iii) Hydrological or land surface models assimilating soil moisture values derived from satellite remote sensing or satellite microwave remote sensing and brightness temperature observation

Πολυάριθμες πρόσφατες μελέτες έχουν αξιολογήσει αυτά τα προϊόντα και μεθόδους μέτρησης της υγρασίας εδάφους χρησιμοποιώντας in situ μετρήσεις άλλα ανεξάρτητα προϊόντα υγρασίας του εδάφους δεδομένα πρασίνου βλάστησης με τηλεπισκόπηση ή δεδομένα βροχοπτώσεων. Εντοπίστηκαν έντονες διαφορές στη χω ροχρονική δυναμική και ακρίβεια μεταξύ των προϊόντων και μεθόδων, ακόμη και μεταξύ αυτών που προέρχονται από την ίδια πηγή δεδομένων. Επιπλέον, αρκετά νέα ή πρόσφατο επανεπεξεργασμένα προϊόντα δεν έχουν ακόμη αξιολογηθεί διεξοδικό, ενώ υπάρχει επίσης αβεβαιότητα λ.χ. σχετικά με την απστελεσματικοτητα των τεχνικών συγχώνευσης πολλαπλών αισθητήρων, την επίδραση της πολυπλοκοτητας του μοντέλου στην ακρίβεια των προσομοιώσεων υγρασίας του εδάφους και τον βαθμό στον οποίο οι ελλείψεις του μοντέλου και η ποιότητα των δεδομένων βροχόπτωσης επηρεάζουν την προστιθέμενη αξία της αφομοίωσης δεδομένων. Numerous recent studies have evaluated these soil moisture measurement products and methods using in situ measurements other independent soil moisture products remotely sensed green vegetation data or precipitation data. Strong differences in spatiotemporal dynamics and accuracy were found among products and methods, even among those from the same data source. In addition, several new or recently reprocessed products have not yet been thoroughly evaluated, while there is also uncertainty e.g. on the ineffectiveness of multi-sensor fusion techniques, the effect of model complexity on the accuracy of soil moisture simulations, and the extent to which model deficiencies and precipitation data quality affect the added value of data assimilation.

Ωστόσο μέχρι σήμερα η χρήση μεθόδων για τη δημιουργία προϊόντων υπολογισμού της υγρασίας εδάφους που αξιοποιούν τεχνικές και αλγορίθμους μηχανικής μάθησης είναι περιορισμένη. However, to date the use of methods to create soil moisture calculation products that utilize machine learning techniques and algorithms is limited.

Ο δυνατότητες παραγωγικής ενσωμάτωσης δεδομένων από δύο πηγές που εκπαιδεύουν ένα νευρωνικό δίκτυο να μαθαίνει να δημιουργεί ένα νέο βελτιωμένο σύνολο δεδομένων αλλά και οι δυνατότητες που παρέχουν οι αλγόριθμοι στοχαστικών μεταβαλλόμενων συμπερασμάτων (αλγόριθμοι CycleGAN καθώς και Variatonal AutoEncoder) αποτελούν ανακαλύψεις των τελευταίων ετών στον τομέα της τεχνητής νοημοσύνης και της μηχανικής μάθησης που κατέστησαν δυνατές, λόγω της σημαντικής προόδου της επιστήμης στον τομέα ιδίως τα τελευταία 5-7 έτη, που οφείλεται στη δυνατότητα συλλογής επεξεργασίας και διαχείρισης μεγάλου όγκου δεδομένων. The possibilities of productive integration of data from two sources that train a neural network to learn to create a new improved data set but also the possibilities provided by stochastic variational inference algorithms (CycleGAN algorithms as well as Variatonal AutoEncoder) are discoveries of recent years in the field of artificial intelligence. intelligence and machine learning made possible due to the significant progress of science in the field especially in the last 5-7 years, which is due to the possibility of collecting, processing and managing a large amount of data.

To cycleGAN, είναι μια κατηγορία αλγορίθμων GAN (generative adversarial networks -Αναγεννηπκά Ανππαραθετικά Δίκτυα) που περιλαμβάνει την αυτόματη εκπαίδευση μοντέλων μετάφρασης/ μετασχηματισμού εικόνας σε εικόνα χωρίς να υπάρχουν ζευγαρωμένα παραδείγματα. Τα μοντέλα δικτύων εκπαιδεύονται χωρίς επίβλεψη (unsupervised) χρησιμοποιώντας μια συλλογή εικόνων από τον τομέα της προέλευσης και τον τομέα του στόχου, οι οποίες δεν είναι απαραίτητο να σχετίζονται με κάποιο τρόπο. cycleGAN is a class of GAN (generative adversarial networks) algorithms that involves automatically training image-to-image translation/transformation models without paired examples. Network models are trained unsupervised using a collection of images from the source domain and the target domain, which are not necessarily related in any way.

Η αρχική πρόταση των CydeGAN γίνεται στο «Unpaired lmage-to- Image Translation using Cyde-Cbnsistent Adversarial Networks, Zhu et al, Berkeley Al Research Laboratory, 2017 (https://arxiv.org/pdf/1703.10593.pdf , lEEE Xplore, International Conference on Computer Vision) και στο «Bros, J.-Y. Z (2020). Unpaired Image-to-Image Translation using Cyde-COnsistent Adversarial Networks Retrieved from https://arxiv.Org/abs/1 703.1 0593# » The original proposal of CydeGAN is made in “Unpaired lmage-to-Image Translation using Cyde-Cbnsistent Adversarial Networks, Zhu et al, Berkeley Al Research Laboratory, 2017 (https://arxiv.org/pdf/1703.10593.pdf , lEEE Xplore, International Conference on Computer Vision) and in 'Bros, J.-Y. Z (2020). Unpaired Image-to-Image Translation using Cyde-COnsistent Adversarial Networks Retrieved from https://arxiv.Org/abs/1 703.1 0593# »

Αντίστοιχα τα Auto-Encoding Variational Bayes (https://arxiv.org/pdf/1312.6114.pdf, Kingma & Welling 2014, University of Amsterdam) και η μέθοδος Sochastic Backpropagation and approximate inference in deep generative models (στοχαστικής οπίσθιας διάδοσης και κατά προσέγγιση συμπεράσματα σε μοντέλα βαθιάς αναγεννητικής μάθησης) παρέχουν συνδυαστικά σημανηκές δυνατότητες και εισάγουν νέα μοντέλα αναγνώρισης για να αναπαραστήσουν κατά προσέγγιση μεταγενέστερες κατανομές λειτουργώντας ως στοχαστικός κωδικοποιητής των δεδομένων. Accordingly, Auto-Encoding Variational Bayes (https://arxiv.org/pdf/1312.6114.pdf, Kingma & Welling 2014, University of Amsterdam) and the Sochastic Backpropagation and approximate inference in deep generative models method inference in deep regenerative learning models) provide combinatorially meaningful capabilities and introduce new recognition models to approximate posterior distributions by acting as a stochastic encoder of the data.

Με τη σημαντική εξέλιξη των δυνατοτήτων ακριβούς καταγραφής μέσω τηλεπισκόπησης που παρέχουν οι δορυφορικές υποδομές όπως αυτή του Copernicus (https://www.copemicus.eu/el/ypiresies/xira), σε συνδυασμό με τις δυνατότητες που παρέχουν οι υπολογιστές σήμερα για την εκτέλεση αλγορίθμων Τεχνητής Νοημοσύνης και Μηχανικής Μάθησης με οξοποίηση μεγάλων συνόλων δεδομένων, ανοίγονται νέα πεδία έρευνας και καινοτομίας σε σχέση με: With the significant evolution of the possibilities of precise recording through remote sensing provided by satellite infrastructures such as that of Copernicus (https://www.copemicus.eu/el/ypiresies/xira), combined with the capabilities provided by computers today to perform of Artificial Intelligence and Machine Learning algorithms by oxidizing large data sets, new fields of research and innovation are opening up in relation to:

- την παρατήρηση φυσικών φαινομένων, - the observation of natural phenomena,

- τη δημιουργία μοντέλων πρόβλεψης της εξέλιξης διαφόρων δεικτών και παραμέτρων που καθορίζουν την ανάπτυξη και απόδοση μιας καλλιέργειας και - τη λήψη προληπτικών μέτρων για τη βελτίωση του αποτελέσματος. - the creation of models for predicting the evolution of various indicators and parameters that determine the growth and performance of a crop and - taking preventive measures to improve the result.

Υπό αυτές τις τεχνολογικές συνθήκες με συνδυαστική χρήση των πλέον κατάλληλων κατά περίπτωση αλγορίθμων μηχανικής μάθησης διαμορφώθηκε η μέθοδος που αποκαλύπτεται, η οποία είναι καινοτόμος και άμεσα εφαρμόσιμη στο πεδίο, εκρού ήδη έχει αναπτυχθεί πειραματικά και λεπουργεί σε πραγματικές συνθήκες, χρησιμοποιώντας ηλεκτρονικές και υπολογιστικές διατάξεις για να επιλύσει το πρόβλημα της βελτιστοποίησης της άρδευσης σε δενδροκαλλιέργειες ανοικτού πεδίου. Under these technological conditions with the combined use of the most appropriate machine learning algorithms, the disclosed method was formulated, which is innovative and directly applicable in the field, and has already been developed experimentally and works in real conditions, using electronic and computational devices to solve the problem of irrigation optimization in open field tree plantations.

1 Αναλυτική Περιγραφή - αποκάλυψη της εφεύρεσης 1 Detailed Description - disclosure of the invention

Η μέθοδος που παρουσιάζεται απαρτίζεται από μια σειρά ενεργειών οργανωμένων σε βήματα και σε φάσεις, που εκτελούνται σε τεχνική υποδομή υπολογιστικών και άλλων ηλεκτρονικών διατάξεων. Στη σύνθεση και διαμόρφωση της μεθόδου συμμετέχουν υπολογιστικές/ δικτυακές διατάξεις στις οποίες λειτουργεί λογισμικό που έχει αναπτυχθεί. The presented method consists of a series of actions organized in steps and phases, performed in a technical infrastructure of computing and other electronic devices. In the composition and configuration of the method, computer/network devices in which developed software works.

Κάθε διάταξη συνιστά ένα από τα υποσυστήματα που αποτελούν την τεχνική υποδομή (το συνολικό σύστημα) που είναι απαραίτητη για την εφαρμογή της μεθόδου στην πράξη (Σχέδιο 1). Each arrangement constitutes one of the subsystems that make up the technical infrastructure (the overall system) necessary to implement the method in practice (Figure 1).

Οι διατάξεις αυτές οργανώνονται στα εξής υποσυστήματα: These provisions are organized into the following subsystems:

- Υ1. Ηλεκτρονική βαθμίδα υλικού αρχικής διαχείρισης και δρομολόγησης μετρήσεων, με ενσωματωμένες ηλεκτρονικές διατάξεις επεξεργασίας που κλιμακώνονται ανάλογα με την καλλιεργούμενη έκταση τοποθετημένη σε κουτί προστασίας (Μονάδα Μετρήσεων), η οποία συνδέεται με συστοιχία αναλογικών αισθητήρων. Τα δεδομένα από τις διάφορες μονάδες μετρήσεων καταλήγουν σε πρώτο επίπεδο σε μονάδα δρομολόγησης, μέσω της οποίας οδηγούνται προς το Internet και στη συνέχεια στο Υ4. - Υ2. Συστοιχίες αναλογικών αισθητήρων που τοποθετούνται εντός του εδάφους και λαμβάνουν δεδομένα - Y1. Electronic stage of initial management and measurement routing hardware, with integrated electronic processing devices that scale according to the cultivated area placed in a protection box (Measurement Unit), which is connected to an array of analog sensors. The data from the various measurement units end up at the first level in a routing unit, through which they are sent to the Internet and then to Y4. - Y2. Arrays of analog sensors that are placed inside the ground and receive data

- Υ3. Δίκτυο ευρείας περιοχής που συνίσταται σε ασύρματο δίκτυο τοπικής εμβέλειας και σε δίκτυο πρόσβασης στο διαδίκτυο ή στην υποδομή υπολογιστικού νέφους - Y3. A wide area network consisting of a wireless local area network and an Internet access network or cloud computing infrastructure

- Υ4. Υπολογιστική Μονάδα Επεξεργασίας, η οποία είναι εγκατεστημένη με τη μορφή εικονικής μηχανής (η συστοιχία αυτών) σε Υποδομή Υπολογιστικού Νέφους (cloud - ΥΥΝ) και στον οποίο λειτουργεί η Βάση Δεδομένων που φυλάσσονται τα δεδομένα και εκτελούνται οι διάφοροι αλγόριθμοι στο πλαίσιο εφαρμογής της μεθόδου. - Y4. Computational Processing Unit, which is installed in the form of a virtual machine (the array of them) in a Cloud Computing Infrastructure (cloud - YYN) and in which the Database operates in which the data is stored and the various algorithms are executed in the context of the application of the method.

- Υ5. Μονάδα διαχείρισης άρδευσης. Διασυνδέεται μέσω διαδικτύου ή μέσω του Υ3 με μια ή περισσότερες συνήθεις ηλεκτρικές βάνες ελεγχόμενης ροής άρδευσης - Y5. Irrigation management unit. Interfaces via internet or via Y3 to one or more standard electric flow controlled irrigation valves

Στο πλαίσιο της μεθόδου τα δεδομένα που αξιοποιούνται και επεξεργάζονται από τα παραπάνω υποσυστήματα εντάσσονται στις εξής κατηγορίες: In the context of the method, the data used and processed by the above subsystems fall into the following categories:

- Δ1. Δεδομένα δορυφόρων και τηλεπισκόπησης. Σε αυτά περιλαμβάνονται ο Μη επεξεργασμένα δορυφορικά δεδομένα (δεδομένα από τις μπάντες Β04, Β08 και Β10) - D1. Satellite and remote sensing data. These include Raw satellite data (data from bands B04, B08 and B10)

ο Δείκτες που εξάγονται όπως ο NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) και o NDMI (Normalized Difference Moisture Index) Exported indices such as NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) and NDMI (Normalized Difference Moisture Index)

- Δ2. Μετεωρολογικά δεδομένα: - D2. Meteorological data:

ο Ιστορικά: μέση, υψηλή και χαμηλή θερμοκρασία, ποσοστό υγρασίας, ημερήσια βροχόπτωση (σε χιλιοστά), ατμοσφαιρική πίεση, ταχύτητα και κατεύθυνση ανέμου, θερμοκρασία σημείου δρόσου. o Historical: average, high and low temperature, humidity percentage, daily precipitation (in millimeters), atmospheric pressure, wind speed and direction, dew point temperature.

ο Δεδομένα πρόβλεψης: πρόβλεψη ημέρας και επόμενων ημερών που περιλαμβάνουν θερμοκρασία (μέγιστη - ελάχιστη), ύψος βροχόπτωσης, ατμοσφαιρική πίεση, ταχύτητα και κατεύθυνση ανέμου, θερμοκρασία σημείου δρόσου o Forecast data: day and next days forecast including temperature (maximum - minimum), precipitation height, atmospheric pressure, wind speed and direction, dew point temperature

- Δ3. Δεδομένα καλλιεργούμενης έκτασης: Γεωγραφικές συντεταγμένες πολυγώνου έκτασης, υψόμετρο, κλίσεις και ανάδειξη κρίσιμων σημείων - Δ4. Δεδομένα δένδρο- καλλιέργειας: Ταυτότητα καλλιέργειας, ανάγκες υγρασίας εδάφους στις διάφορες φάσεις του κύκλου ζωής. - D3. Cultivated area data: Geographical coordinates of polygonal area, altitude, slopes and identification of critical points - D4. Tree-crop data: Crop identity, soil moisture needs in the various phases of the life cycle.

Το σύστημα λαμβάνει ως είσοδο ένα σύνολο δεδομένων παρατήρησης που περιλαμβάνει The system takes as input a set of observational data that includes

- (α) το σύνολο δεδομένων τηλεπισκόπησης εδάφους μέσω δορυφόρων (από τον δορυφόρο Sentinel-2 τα δεδομένα από τις μπάντες Β04, Β08 kai Β10, τους δείκτες NDVI και NDMI) και το - (a) the satellite land remote sensing dataset (from the Sentinel-2 satellite the data from bands B04, B08 and B10, NDVI and NDMI indices) and

- (β) το σύνολο μετεωρολογικών δεδομένων (θερμοκρασία, υγρασία, βροχόπτωση, ταχύτητα και κατεύθυνση ανέμου, σημείο δρόσου). - (b) the set of meteorological data (temperature, humidity, precipitation, wind speed and direction, dew point).

Όταν το σύστημα ερωτάται για να δώσει ένα αποτέλεσμα, συλλέγονται τα δεδομένα των δορυφόρων, οι δείκτες και τα μετεωρολογικά δεδομένα των τελευταίων 30 ημέρων και ενσωματώνονται σε μια παρτίδα. Στην παρτίδα αυτή θα πρέπει να υπάρχουν 6 διακριτές ομάδες μη επεξεργασμένων δορυφορικών δεδομένων (1 ανά 5 μέρες), δείκτες και κατ' ελάχιστον μετεωρολογικά δεδομένα 30 ημερών. When the system is queried to produce a result, the last 30 days of satellite data, indices and meteorological data are collected and integrated into a batch. In this batch there should be 6 distinct groups of raw satellite data (1 every 5 days), indicators and at least 30 days of meteorological data.

Η μέθοδος που αποτελεί αντικείμενο της παρούσας εφεύρεσης συνίσταται από μια σειρά φάσεων που περιλαμβάνουν επί μέρους βήματα και ενέργειες που αξιοποιούν τα δεδομένα και εκτελούν τους αλγορίθμους. Καταλήγουν τελικά στον υπολογισμό της ανάγκης για άρδευση της καλλιεργούμενης έκτασης με το συγκεκριμένο είδος καλλιέργειας, η οποία στην πράξη λαμβάνει τη μορφή εντολής που δίδεται σε συστήματα ελεγχόμενης άρδευσης για παροχή συγκεκριμένης ποσότητας νερού, προσμετρουμένης τελικά σε ποσότητα νερού ανά δένδρο/ καλλιεργούμενο φυτό. The method that is the object of the present invention consists of a series of phases that include individual steps and actions that utilize the data and execute the algorithms. They finally arrive at the calculation of the need to irrigate the cultivated area with the specific type of crop, which in practice takes the form of an order given to controlled irrigation systems to supply a specific amount of water, finally measured in the amount of water per tree/cultivated plant.

Ακολουθεί η ειδικότερη περιγραφή της διάταξης και οργάνωσης των υποσυστημάτων που συμμετέχουν στην ανάπτυξη και εφαρμογή της μεθόδου και στη συνέχεια των ενεργειών που συγκροτούν τη μέθοδο, οργανωμένων σε βήμστα ανά φάση. The following is a more specific description of the layout and organization of the subsystems involved in the development and application of the method and then the actions that make up the method, organized into steps per phase.

1 Περιγραφή Υποσυστημάτων 1 Description of Subsystems

Υ1. Ηλεκτρονική βαθμίδα υλικού αρχικής διαχείρισης και δρομολόγησης μετρήσεων με ενσωματωμένα ηλεκτρονικά στοιχεία επεξεργασίας τοποθετημένη σε κουτί προστασίας Y1. Electronic stage of initial management and measurement routing hardware with integrated processing electronics housed in a protection box

Η αυτόνομη ηλεκτρονική βαθμίδα υλικού Υ1, ενσωματώνει ηλεκτρονικά στοιχεία επεξεργασίας και επικοινωνίας, και είναι τοποθετημένη σε αδιάβροχο κουτί προστασίας από τις καιρικές συνθήκες βαθμού ΙΡ65. Η μονάδα στηρίζεται σε μικρο-ελεγκτή που διαθέτει διπύρηνο επεξεργαστή 32-bit, ταχύτητας έως και 600 DIMPs, ενσωματωμένη μνήμη RAM 520 ΚΒ, επέκταση RAM 4ΜΒ, και εξωτερική μνήμη flash 8 MB. Τροφοδοτείται από συνεχή τάση 3.5-5.5VDC. Διαθέτει πλήθος εισόδων/ εξόδων και περιφερειακών για διασύνδεση με εξωτερικούς αναλογικούς (ADC) και ψηφιακούς αισθητήρες, υποστηρίζοντας τα πρωτόκολλα UART, I2C, SPI, ενώ ενσωματώνει βαθμίδες επικοινωνίας για τα τηλεπικοινωνιακά πρωτόκολλα WiFi 802.11b/g/n 16Mbps, Bluetooth (Classic & LE), LoRa και Sigfox. The self-contained electronic hardware stage Y1 integrates processing and communication electronics, and is housed in an IP65 weatherproof enclosure. The unit is based on a microcontroller that has a dual-core 32-bit processor, speed up to 600 DIMPs, built-in RAM memory 520 KB, RAM expansion 4 MB, and external flash memory 8 MB. It is powered by a constant voltage of 3.5-5.5VDC. It has a multitude of inputs/outputs and peripherals for interfacing with external analog (ADC) and digital sensors, supporting the UART, I2C, SPI protocols, while incorporating communication layers for the telecommunication protocols WiFi 802.11b/g/n 16Mbps, Bluetooth (Classic & LE ), LoRa and Sigfox.

Η βαθμίδα τροφοδοτείται από επαναφορτιζόμενη μπαταρία ονομαστικής τάσης 3.7-4.2V που εξασφαλίζει την αδιάλειπτη λειτουργία της για τουλάχιστον ένα (1) έτος, The stage is powered by a rechargeable battery with a nominal voltage of 3.7-4.2V which ensures its uninterrupted operation for at least one (1) year,

Η βαθμίδα διασυνδέεται ενσύρματα με μία συστοιχία 3-4 αναλογικών εδαφικών αισθητήρων, οι οποίοι τοποθετούνται σε βάθη 5, 30, 60 και 90 cm αντίστοιχα, και πραγματοποιεί περιοδικές μετρήσεις, με συχνότητα 1 καταγραφή ανά ώρα. Ενδιαμέσως εισέρχεται σε κατάσταση βαθιάς ύπνωσης με σκοπό τη μέγιστη εξοικονόμηση ενέργειας και μεταβαίνει αυτόματα στην ενεργό κατάσταση με χρήση εσωτερικού ρολογιού. The stage is wired to an array of 3-4 analog ground sensors, which are placed at depths of 5, 30, 60 and 90 cm respectively, and performs periodic measurements, with a frequency of 1 recording per hour. Intermittently it enters a deep hypnosis state for maximum energy saving and automatically switches to the active state using an internal clock.

Στην ενεργό κατάσταση πραγματοποιούνται οι ακόλουθες διαδικασίες: In the active state, the following processes take place:

1) Ενεργοποιείται η παροχή τάσης/ ρεύματος στους εδαφικούς αισθητήρες για διάρκεια 250 msec, με χρήση κατάλληλης ηλεκτρονικής διάταξης ελεγχόμενης από ψηφιακό μικρο-ελεγκτή. 1) The voltage/current supply to the ground sensors is activated for a duration of 250 msec, using a suitable electronic device controlled by a digital micro-controller.

2) Μέσω άλλης ηλεκτρονικής διάταξης αναλογικού τύπου, πραγματοποιείται μέτρηση και ανάκτηση των επιπέδου ηλεκτρικής αγωγιμότητας στα διαφορετικά βάθη, και εν συνεχεία διακόπτεται η παροχή ενέργειας στους αισθητήρες. 2) Through another analog type electronic device, the electrical conductivity level at the different depths is measured and retrieved, and then the power supply to the sensors is cut off.

3) Ακολούθως λαμβάνονται μετρήσεις από έναν εξωτερικό αισθητήρα θερμοκρασίας που είναι τοποθετημένος στο έδαφος σε βάθος 30 cm, έναν εσωτερικό αισθητήρα θερμοκρασίας/ υγρασίας που είναι τοποθετημένος επί της ηλεκτρονικής πλακέτας, καθώς επίσης λαμβάνονται μεταδεδομένα όπως η στάθμη της μπαταρίας. 3) Measurements are then taken from an external temperature sensor placed in the ground at a depth of 30 cm, an internal temperature/humidity sensor placed on the electronic board, as well as metadata such as battery level.

4) Το σύνολο των δεδομένων/ μεταδεδομένων μορφοποιείται με χρήση εσωτερικά ορισμένου πρωτοκόλλου σε ένα πακέτο δεδομένων (bytes), με σκοπό την ελαχιστοποίηση του χρόνου μετάδοσης με βάση ορισμένη επιθυμητή ακρίβεια. 4) The set of data/metadata is formatted using an internally defined protocol into a data packet (bytes), in order to minimize the transmission time based on a certain desired accuracy.

5) Μέσω ενσωματωμένης τηλεπικοινωνιακής βαθμίδας συμβατής με το πρωτόκολλο LoRaWAN πραγματοποιείται διασύνδεση από άκρο-σε-άκρο με μία απομακρυσμένη ιδιωτική υποδομή δικτύου LoRaWan που έχει εγκατασταθεί σε δημόσιο Cloud. Η διασύνδεση πραγματοποιείται με χρήση κρυπτογραφικών κλειδιών που διασφαλίζουν την ακεραιότητα και ασφάλεια στην επικοινωνία. 5) An end-to-end interface with a remote private LoRaWan network infrastructure installed in a public Cloud is realized through an integrated telecommunication layer compatible with the LoRaWAN protocol. The connection is made using cryptographic keys that ensure the integrity and security of the communication.

6) Το πακέτο δεδομένων αποστέλλεται από τον απομακρυσμένο κόμβο μέσω της ασύρματης διεπαφής LoRaWAN, λαμβάνεται αρχικά από μία Μονάδα Δρομολόγησης Δεδομένων που είναι εγκατεστημένη στην ευρύτερη περιοχή (μια εμπορική τέτοια μονάδα είναι αυτή της εταιρείας RAK, WisGate Edge Lite RAK7258 https://store.rakwireless.com/products/rak7258-microgateway?variant=39942876430534), και προωθείται μέσω Δημόσιου Δικτύου Δεδομένων τεχνολογίας 4G και χρήσης του πρωτοκόλλου UDP/IP σε μία υποδομή Cloud, στην οποία λειτουργεί το Υ2. Μετά την επιβεβαίωση ορθής αποστολής ο απομακρυσμένος κόμβος εισέρχεται σε κατάσταση βαθιάς ύπνωσης έως ότου εκκινήσει εκ νέου για έναν επαναλαμβανόμενο κύκλο καταγραφής. 6) The data packet is sent from the remote node through the LoRaWAN wireless interface, it is first received by a Data Routing Unit installed in the wider area (a commercial such unit is that of the RAK company, WisGate Edge Lite RAK7258 https://store. rakwireless.com/products/rak7258-microgateway?variant=39942876430534), and is forwarded through a Public Data Network of 4G technology and the use of the UDP/IP protocol in a Cloud infrastructure, in which Y2 operates. After confirming a successful transmission the remote node enters a deep sleep state until it restarts for a repeated recording cycle.

7) Το πακέτο δεδομένων λαμβάνεται από εφαρμογή εξυπηρετητή δικτύου LoRaWAN, αποκωδικοποιείται ώστε να ανακτηθούν τα δεδομένα των μετρήσεων και τα συνοδευτικά μεταδεδομένα, και εν συνεχεία προωθείται με χρήση του ανοιχτού πρωτοκόλλου MQTT στη μονάδα δρομολόγησης όπου πραγματοποιείται αποθήκευση των δεδομένων. 7) The data packet is received by a LoRaWAN network server application, decoded to retrieve the measurement data and accompanying metadata, and then forwarded using the open MQTT protocol to the routing unit where the data is stored.

8) Μία εφαρμογή δικτύου αναλαμβάνει να παρουσιάσει στον ενδιαφερόμενο χρήστη (αγρότη, γεωπόνο) όλο το ιστορικό των ληφθεισών μετρήσεων, σε μορφή Εκατοστιαίας Ογκομετρικής Ποσότητας Ύδστος. Το συγκεκριμένο μετρικό εξάγεται από τις μετρήσεις ηλεκτρικής αγωγιμότητας με χρήση μαθηματικών εξισώσεων που παρέχονται από τον κατασκευαστή των αισθητήρων. Τα αποτελέσματα συνοδεύονται από περιβαλλοντικές μετρήσεις θερμοκρασίας/ σχετικής υγρασίας που λαμβάνονται από αντίστοιχους αισθητήρες. 8) A network application undertakes to present to the interested user (farmer, agronomist) all the history of the measurements taken, in the form of Percent Volumetric Quantity of Height. This metric is derived from electrical conductivity measurements using mathematical equations provided by the sensor manufacturer. The results are accompanied by environmental temperature/relative humidity readings taken from respective sensors.

Υ2. Συστοιχίες αισθητήρων Y2. Sensor arrays

Χρησιμοποιούνται αναλογικοί αισθητήρες μέτρησης θερμοκρασίας και μέτρησης υγρασίας εδάφους που διατίθενται εμπορικά. Στο πλαίσιο της πειραματικής διάταξης που αναπτύχθηκε χρησιμοποιήθηκαν σχετικοί αισθητήρες των εταιρειών metergroup (ECH20 EC-5 https://www.metergroup.com/ environment/products/ ec- 5-soil-moisturesensor/) και maxim integrated (DS18B20 https://gr.mouser.com/datasheet/ 2/256/maxim%20integrated%20products_ds18b20-1178755.pdf) Commercially available analog temperature and soil moisture measurement sensors are used. In the context of the experimental set-up developed, relevant sensors from the companies metergroup (ECH20 EC-5 https://www.metergroup.com/ environment/products/ec-5-soil-moisturesensor/) and maxim integrated (DS18B20 https:// gr.mouser.com/datasheet/2/256/maxim%20integrated%20products_ds18b20-1178755.pdf)

Y3. Δίκτυο ευρείας περιοχής Y3. Wide area network

Το δίκτυο ευρείας περιοχής περιλαμβάνει δύο επιμέρους υποδομές : The wide area network includes two sub-infrastructures:

- Υποδομή δικτύου LoRaWan, το οποίο καλύπτει τη κίνηση δεδομένων μεταξύ των μονάδων που συνιστούν το Υ1 - LoRaWan network infrastructure, which covers data traffic between the units that make up Y1

- Υποδομή δικτύου 4G που μπορεί να παρέχεται μέσω οποιουδήποτε τηλεπικοινωνιακού παρόχου ή άλλη υποδομή (λ.χ. WiFi ή ενσύρματη Ethernet) μέσω της οποίας τα δεδομένα δρομολογούνται προς το Internet - 4G network infrastructure that can be provided by any telecommunications provider or other infrastructure (eg WiFi or wired Ethernet) through which data is routed to the Internet

Υ4. Υποσύστημα - Υπολογιστική Μονάδα Επεξεργασίας (ή συστοιχία αυτών) Το υποσύστημα αυτό αποτελείται από τέσσερις βάσεις δεδομένων και δύο υπολογιστικά στοιχεία (Σχέδιο 2). Οι βάσεις είναι οι εξής : Y4. Subsystem - Computational Processing Unit (or array thereof) This subsystem consists of four databases and two computing elements (Figure 2). The bases are the following:

• Βάση Δεδομένων Καιρού (Weather Data Base) • Weather Data Base

• Βάση Δορυφορικών Δεδομένων και Σύστημα Αρχειοθέτησης (Satellite Data Base and file system) • Satellite Data Base and file system

· Βάση Δεδομένων Αισθητήρων (Sensor Data Base) · Sensor Data Base

• Βάση εκπαιδευμένων μοντέλων (Model Database) • Model Database

Οι προαναφερθείσες βάσεις δέχονται δεδομένα από εξωτερικές διαδικτυακές υπηρεσίες παροχής μετεωρολογικών και δορυφορικών δεδομένων καθώς και δεδομένα των αισθητήρων (μέσω των Υ1 και Υ2). Ενώ στη βάση των μοντέλων καταγράφονται τα εκπαιδευμένα μοντέλα. The aforementioned bases accept data from external online meteorological and satellite data services as well as sensor data (via Y1 and Y2). While the model base records the trained models.

Το υπολογιστικό στοιχείο εκπαίδευσης (Trainer) δέχεται ως εισερχόμενα δεδομένα μία σειρά από πρωτογενή δορυφορικά δεδομένα (Β04, Β08, ΒΙΟ ), δευτερογενή δεδομένα τους δείκτες NDVI (Normalize Difference Vegetation Index), NDMI (Normalize Difference Moisture Index), δεδομένα καιρού και δεδομένα αισθητήρων. Το υπολογιστικό στοιχείο εκπαίδευσης είναι υπεύθυνο να εκπαιδεύσει το υπολογισπκό στοιχείο καθοδήγησης (Agent). Όταν το υποσύστημα κληθεί να δώσει μια εντολή, τότε ο Agent, ζητάει τα δορυφορικά δεδομένα του τελευταίου μήνα και τα δεδομένα καιρού του τελευταίου μήνα. Το αποτέλεσμα του Agent, είναι μια εντολή ποτίσματος, που περιλαμβάνει την ποσότητα νερού και τη χρονική στιγμή και διάρκεια που πρέπει να εκτελεστά η εντολή. The training computing component (Trainer) accepts as input data a series of primary satellite data (B04, B08, BIO), secondary data NDVI (Normalize Difference Vegetation Index), NDMI (Normalize Difference Moisture Index), weather data and sensor data . The training computer is responsible for training the guidance computer (Agent). When the subsystem is called to issue a command, then the Agent requests the last month's satellite data and the last month's weather data. The result of the Agent is a watering command, which includes the amount of water and the time and duration for which the command must be executed.

Το υπολογισπκό στοιχείο καθοδήγησης (Agent), αποτελείται από δύο νευρωνικά δίκτυα. Το πρώτο δίκτυο είναι ένα cycleGAN (Efros, 2020). Το δίκτυο αυτό εκπαιδεύεται με τα δεδομένα που λαμβάνει ( α- από τους επποπιους σταθμούς μέτρησης που τοποθετούνται στον αγρό για ένα έτος και β - από τους δορυφόρους Sentinel) προκειμένου να δίνει τροποποιημένα δευτερογενή δορυφορικά δεδομένα, με λεπτομέρειες και προσαρμοσμένα με βάση τα δεδομένα από τον αγρό που έχουν χρησιμοποιηθεί κατά την εκπαίδευσή του. The computer guidance element (Agent) consists of two neural networks. The first network is a cycleGAN (Efros, 2020). This network is trained with the data it receives (a- from the on-site measuring stations placed in the field for one year and b - from the Sentinel satellites) in order to give modified secondary satellite data, detailed and adjusted based on the data from the field that have been used during his training.

Κατά τη φάση εκπαίδευσής του, οι μετρήσεις από τους αισθητήρες στον αγρό χρησιμοποιούνται μαζί με τα υπόλοιπα δεδομένα. To cycleGAN νευρωνικό δίκτυο αποτελεί μια κατηγορία δικτύων που είναι ικανά να συλλάβουντα χαρακτηριστικά ενός συνόλου δεδομένων, και να τα μεταφράσουν σε χαρακτήριστικά ενός άλλου συνόλου δεδομένων, χωρίς να χρειάζεται να υπάρχουν παραδείγματα από ζευγάρια μεταξύ των δυο συνόλων. During its training phase, measurements from sensors in the field are used along with other data. The cycleGAN neural network is a class of networks that are capable of capturing features of one data set, and translating them into features of another data set, without the need for examples of pairs between the two sets.

Στο υποσύστημα ενσωματώθηκε, προσαρμόστηκε κατάλληλα σύμφωνα με τη μορφή των δεδομένων, και χρησιμοποιείται μια εκδοχή του νευρωνικού δικτύου cycleGAN και του αλγόριθμου με την οποία εξάγονται τα χαρακτηριστικά των δεδομένων από τους αισθητήρες και μεταφέρονται στα δευτερογενή δεδομένα των δορυφόρων. Με τη χρήση του cycleGan, έχοντας μόνο τα δεδομένα των δορυφόρων, μπορούν να παραχθούν εξειδικευμένα δεδομένα, ως να υπήρχαν και τα δεδομένα των αισθητήρων. A version of the cycleGAN neural network and the algorithm used to extract the features of the data from the sensors and transfer them to the secondary data of the satellites are integrated into the subsystem, adapted accordingly according to the format of the data. By using cycleGan, having only the satellite data, specialized data can be produced as if the sensor data were also present.

Το δεύτερο δίκτυο που υλοποιείται στο υποσύστημα είναι ένα RNN (recurrent neural network), το οποίο εκπαιδεύεται με μεθόδους επαυξητικής μάθησης (reinforce learning). Δέχεται ως εισερχόμενα τα αποτελέσματα του cycleGan και εξάγει τις εντολές της χρονικής στιγμής και της ποσότητας άρδευσης προς το Υ5. The second network implemented in the subsystem is an RNN (recurrent neural network), which is trained with reinforcement learning methods. It receives as input the results of cycleGan and outputs the irrigation time and amount commands to Y5.

Υ5. Υποσύστημα - Μονάδα διαχείρισης & Ελέγχου άρδευσης. Y5. Subsystem - Irrigation Management & Control Unit.

Για την υλοποίηση του Υ5 μπορούν να χρησιμοποιηθούν διάφορα εμπορικά διαθέσιμα προϊόντα που μπορούν να συνδέονται σε δίκτυα LoRaWan, όπως λ.χ. STREGA LoRa wireless smart valve fhttp://www.streaat echnoloaies.com /products/ wireless- smart-valve/) ή το Milesight LoRaWAN® Solenoid Valve Controller (https://www.milesiaht-iot.com/lorawan/ controller/uc51x/) στα οποία παρέχονται κατάλληλες εντολές μέσω του συστήματος για 'άνοιγμα' και 'κλείσιμο' της αυτόματης ηλεκτρικής βάνας για συγκεκριμένα διαστήματα προκειμένου να απελευθερωθεί ο απαιτούμενος κάθε φορά όγκος νερού ανά δένδρο. Various commercially available products that can be connected to LoRaWan networks can be used for the implementation of Y5, such as e.g. STREGA LoRa wireless smart valve fhttp://www.streaat echnoloaies.com /products/ wireless- smart-valve/) or the Milesight LoRaWAN® Solenoid Valve Controller (https://www.milesiaht-iot.com/lorawan/ controller/ uc51x/) in which appropriate commands are provided through the system to 'open' and 'close' the automatic electric valve for specific intervals in order to release the required volume of water per tree at a time.

1 Φάσεις Μεθόδου 1 Method Phases

Η μέθοδος αναπτύσσεται σε φάσεις και σε κάθε φάση υπάρχουν βήματα στα οποία εντάσσονται οι διάφορες ενέργειες, που εκτελούνται στα υποσυστήματα που παρουσιάστηκαν στην προηγούμενη ενότητα. The method is developed in phases and in each phase there are steps in which the various actions are included, performed in the subsystems presented in the previous section.

Α Φάση: Συλλογή και Προετοιμασία Δεδομένων Phase A: Data Collection and Preparation

Κατά τη διάρκεια της Φάσης Α, συλλέγονται τα δεδομένα και γίνεται η αρχική επεξεργασία και προετοιμασία τους. Διακρίνονται στις εξής επί μέρους υποομάδες: During Phase A, data is collected and initial processing and preparation is done. They are divided into the following individual subgroups:

Σύνολα δεδομένων τηλεπισκόπησης και μετεωρολογίας (observation data set) Remote sensing and meteorology data sets (observation data set)

Για τη δημιουργία αυτού του συνόλου, γίνεται συνδυασμός των δορυφορικών και των μετεωρολογικών δεδομένων που παρέχονται από δορυφόρους (συγκεκριμένα από τον Sentinel 2). Ο Sentinel 2 περνά και πραγματοποιεί λήψεις από το ίδιο γεωγραφικό σημείο, ανά 3-5 μέρες (στη διάρκεια ενός έτους περνά περίπου 80-100 φορές από το ίδιο σημείο). To create this ensemble, satellite and meteorological data provided by satellites (specifically Sentinel 2) are combined. Sentinel 2 passes and captures the same geographic point every 3-5 days (over the course of a year it passes about 80-100 times over the same point).

Τα βήματα που ακολουθούνται κατά τη μέθοδο αυτή είναι τα εξής: The steps followed in this method are as follows:

- Βήμα 1.1: Αποτυπώνονται τα όρια και οι κορυφές του πολυγώνου της καλλιεργούμενης έκτασης με τη μορφή γεωγραφικών συντεταγμένων και προσδιορίζονται οι υψομετρικές καμπύλες εντός της έκτασης και τα σημεία με τα τοπικά ελάχιστα με μέγιστα ύψη, καθώς και τα σημεία - Step 1.1: The boundaries and vertices of the polygon of the cultivated area are captured in the form of geographic coordinates and the elevation curves within the area and the points with local minimum and maximum heights, as well as the points

- Βήυα 1.2:. Μέσω της κατάλληλης διαδικτυακής διεπαφής αποστέλλεται ερώτημα (query) προς τη διαδικτυακή υπηρεσία του ευρωπαϊκού συστήματος παροχής δορυφορικών δεδομένων 'Κοπέρνικος' (Copernicus Open Access Hub). Στην ερώτηση τίθενται οι γεωγραφικές συντεταγμένες του πολυγώνου της καλλιεργήσιμης έκτασης και διάστημα πέντε ετών, προκειμένου να ανασυρθούν τα μη επεξεργασμένα (raw) δεδομένα από τον δορυφόρο Sentinel 2 και να καταβιβασθούν και να αποθηκευτούν στη Βάση Δεδομένων του Υ4. - Bia 1.2:. Through the appropriate web interface, a query is sent to the web service of the European satellite data provision system 'Copernicus' (Copernicus Open Access Hub). The question asks for the geographic coordinates of the arable area polygon and a five-year period, in order to retrieve the raw data from the Sentinel 2 satellite and download and store it in the Y4 Database.

- Βήυα 1.3: Από τα δεδομένα που κσταβιβάσθηκαν επιλέγονται οι μπάντες Β04, Β08 και Β10 που είναι τα τρία πρώτα κανάλια από το σύνολο δεδομένων τηλεπισκόπησης. - Example 1.3: From the downloaded data, bands B04, B08 and B10 are selected which are the first three channels from the remote sensing data set.

- Βήμα 1.4: Πραγματοποιείται ο υπολογισμός του δείκτη NDVI (normalized difference vegetation index - κανόνι κοποι η μένος δείκτης διαφοροποίησης βλάστησης) και ο NDMI (normalized difference moisture index -κανόνι κοποι η μένος δείκτης διαφοροποίησης υγρασίας) για τις ημερομηνίες που τα δεδομένα είναι διαθέσιμα για τις 3 μπάντες, - Step 1.4: NDVI (normalized difference vegetation index) and NDMI (normalized difference moisture index) are calculated for the dates for which data are available for the 3 bands,

B08 - B04 B08 - B04

NDVI = NDVI =

B08 B04 B08 B04

Β10 - B04 B10 - B04

NDMI = NDMI =

B10 B04 B10 B04

Αυτά είναι τα άλλα δύο κανάλια που συμπληρώνουν το σύνολο των δεδομένων τηλεπισκόπησης These are the other two channels that complete the remote sensing data set

Βήμα 1.5: Πραγματοποιείται η συλλογή μέσω καταβίβασης από κάποιο εξωτερικό σύστημα διάθεσης μετεωρολογικών δεδομένων όλων των δεδομένων που αφορούν την καλλιεργήσιμη έκταση για να σχηματιστεί έτσι το τελευταίο κανάλι που συμμετέχει στο σύνολο δεδομένων τηλεπισκόπησης (ενδεικτικά αναφέρεται η πηγή δεδομένων μετεωρολογίας https://openweathermap.org/). Τα δεδομένα που κσταβιβάζονται αφορούν στις μεταβλητές: Step 1.5: The collection is carried out by downloading from an external meteorological data distribution system all the data concerning the arable area to form the last channel participating in the remote sensing data set (indicatively the meteorological data source https://openweathermap.org is mentioned /). The data that is inherited concerns the variables:

<■>Μέση, υψηλότερη, χαμηλότερη θερμοκρασία - mean, highest, lowest temperature (in Celsius) <■>Mean, highest, lowest temperature - mean, highest, lowest temperature (in Celsius)

<■>Ποσοστό Υγρασίας - humidity percentage <■>Humidity percentage - humidity percentage

<■>Όγκος Βροχόπτωσης - rain volume (in mm) <■>Rain volume (in mm)

<■>Ατμοσφαιρική πίεση - pressure (in hPa) <■>Atmospheric pressure - pressure (in hPa)

<■>Ταχύτητα ανέμου - wind speed (in Km/h) <■>Wind speed - wind speed (in Km/h)

<■>Κατεύθυνση Ανέμου - wind direction (in degrees) <■>Wind direction - wind direction (in degrees)

<■>Θερμοκρασία σημείου δρόσου - dew point (in Celsius) <■>Dew point temperature (in Celsius)

Βήμα 1.6: Για κάθε διαθέσιμη ημερομηνία (ανά 3-5 μέρες), ιστορικά για 5 χρόνια, πραγματοποιείται η στοίβαξη των μη επεξεργασμένων δορυφορικών δεδομένων και των υπολογισμένων δεικτών, δημιουργώντας ένα 3διάστατο τανυστή (tensor), με τρόπο ανάλογο που κωδικοποιείται μια έγχρωμη (τρικάναλη - RGB) εικόνα. Για τα ίδια διαστήματα και για τις συγκεκριμένες μέρες που είναι διαθέσιμα τα δορυφορικά δεδομένα (ανά 3 - 5 μέρες) και για το ίδιο διάστημα των προηγούμενων 5 ετών γίνεται η στοίβαξη των μετεωρολογικών δεδομένων σε ένα διάνυσμα μήκους 5. Στο τέλος γίνεται το ζευγάρωμα (pairing) κάθε στοιβάδας δορυφορικών δεδομένων με το αντίστοιχο διάνυσμα των μετεωρολογικών δεδομένων. Τα ανωτέρω βήματα εκτελούνται και συντονίζονται από λογισμικό που λειτουργεί στο Υ4 και συγκεκριμένα στη συλλογή δεδομένων (Data Collection). Step 1.6: For each available date (every 3-5 days), historically for 5 years, the raw satellite data and the calculated indices are stacked, creating a 3D tensor, in a similar way that a color (three-channel) is coded - RGB) image. For the same intervals and for the specific days that the satellite data are available (every 3 - 5 days) and for the same interval of the previous 5 years, the meteorological data is stacked in a vector of length 5. At the end, the pairing is done ) of each layer of satellite data with the corresponding vector of meteorological data. The above steps are performed and coordinated by software running on Y4, specifically in Data Collection.

Σύνολα δεδομένων επιτόπιων μετρήσεων με χρήση αισθητήρων (sensor Data Set) Data sets of field measurements using sensors (sensor Data Set)

Για τη δημιουργία του συνόλου δεδομένων των επιτόπιων μετρήσεων, συλλέγονται τα δεδομένα υγρασίας και θερμοκρασίας εδάφους για διάστημα ενός έτους. To create the dataset of field measurements, soil moisture and temperature data are collected over a period of one year.

- Βήμα 1.7: Τοποθετούνται αισθητήρες μέτρησης υγρασίας εδάφους σε βάθος 30, 60, 90 cm και αισθητήρες μέτρησης θερμοκρασίας εδάφους σε βάθος 30 cm. - Step 1.7: Soil moisture measurement sensors are placed at a depth of 30, 60, 90 cm and soil temperature measurement sensors at a depth of 30 cm.

- Οι μετρήσεις λαμβάνονται ανά ώρα. Η τοποθέτηση των αισθητήρων στην καλλιεργήσιμη έκταση γίνεται με την εξής μέθοδο: α) επιλέγονται τα σημεία στην καλλιεργήσιμη έκταση που βρίσκονται στα βαθύτερα και στα υψηλότερα σε υψόμετρο σημεία, καθώς και 1-3 ενδιάμεσα σημεία β) στα σημεία αυτά εντοπίζεται ο πλησιέστερος κορμός και τοποθετείται μια ομάδα αισθητήρων σε απόσταση 30 cm από τον κορμό και μια στα όρια της κώμης (περίπου στα 3 μέτρα από τον κορμό) και σε σημείο που δεν σκιάζεται από την κώμη. - Measurements are taken hourly. The placement of the sensors in the arable area is done with the following method: a) the points in the arable area are selected that are located at the deepest and highest points in altitude, as well as 1-3 intermediate points b) at these points the nearest trunk is located and placed one group of sensors at a distance of 30 cm from the trunk and one at the border of the crown (about 3 meters from the trunk) and at a point not shaded by the crown.

- Βήmα 1.8. Για κάθε στοιβάδα σε κάθε ημερομηνία, τα δεδομένα από κάθε αισθητήρα διαμορφώνονται ως διανύσματα με μήκος 24. - Step 1.8. For each layer at each date, the data from each sensor are modeled as vectors of length 24.

Β Φάση : Αρχική Εκπαίδευση Συστήματος Phase B: Initial System Training

Κατά τη φάση αυτή γίνεται η εκπαίδευση του αλγορίθμου διαμόρφωσης του νευρωνικού δικτύου (cycleGAN) για να μάθει να δημιουργεί αναβαθμισμένα και βελτιωμένα δεδομένα τηλεπισκόπησης, από τα γνήσια δεδομένα τηλεπισκόπησης και τα δεδομένα που προέρχονται από τις επιτόπιες μετρήσεις με τους αισθητήρες. During this phase, the neural network configuration algorithm (cycleGAN) is trained to learn to generate upgraded and improved remote sensing data, from the original remote sensing data and the data derived from the field measurements with the sensors.

Η μέθοδος προσαρμόζει τον αλγόριθμο cycleGAN που αξιοποιεί τα δεδομένα τηλεπισκόπησης και τα δεδομένα των μετρήσεων από τους αισθητήρες ακολουθώντας τα εξής βήματα: The method adapts the cycleGAN algorithm that leverages remote sensing data and sensor measurement data by following these steps:

- Βήμα 2.1 Τα δύο σύνολα δεδομένων (τηλεπισκόπησης και μετρήσεων) ευθυγραμμίζονται στο χρόνο ώστε να αφορούν τις ίδιες ημερομηνίες και στιγμές. Για κάθε διάνυσμα δορυφορικών δεδομένων, υπάρχει ένα διάνυσμα μήκους 5 με δεδομένα μετεωρολογίας, και ένα διάνυσμα μήκους 120 με δεδομένα μετρήσεων για την περίοδο κατά την οποία λαμβάνονται μετρήσεις. - Step 2.1 The two sets of data (remote sensing and measurements) are aligned in time to refer to the same dates and times. For each vector of satellite data, there is a vector of length 5 with meteorological data, and a vector of length 120 with measurement data for the period in which measurements are taken.

- Βήμα 2.2 ̈ Δημιουργούνται παρτίδες μηνιαίων ακολουθιών (batches sequences). Σε μια παρτίδα υπάρχουν 6 τανυστές δορυφορικών δεδομένων με συνολικά πέντε διακριτές ημερομηνίες, 6 διανύσματα δεδομένων καιρού με συνολικά 30 διακριτές ημερομηνίες και 6 διανύσματα δεδομένων αισθητήρων με συνολικά 720 διακριτές χρονικές σημάνσεις. - Βήμα 2.3 ̈. Οι παρτίδες χρησιμοποιούνται για να εκπαιδεύσουν το δίκτυο CycleGAN. Το αποτέλεσμα του δικτύου κάθε φορά έχει την ίδια δομή με αυτή των δεδομένων τηλεπισκόπησης, αλλά οι τιμές των τμημάτων των δεικτών NDVI και NDMI, ενισχύονται με τα δεδομένα των μετρήσεων από τους αισθητήρες, δηλαδή τα δεδομένα του αισθητήρα συγχωνεύονται μέσα στα δεδομένα τηλεπισκόπησης. - Step 2.2 ̈ Batches of monthly sequences are created. In a batch there are 6 satellite data tensors with a total of five distinct dates, 6 weather data vectors with a total of 30 distinct dates, and 6 sensor data vectors with a total of 720 distinct timestamps. - Step 2.3 ̈. Batches are used to train the CycleGAN network. The result of the network each time has the same structure as the remote sensing data, but the values of the NDVI and NDMI index segments are augmented with the data of the measurements from the sensors, that is, the sensor data is merged into the remote sensing data.

- Τα μη επεξεργασμένα δορυφορικά δεδομένα και τα δεδομένα καιρού μέσα στα δεδομένα παρατήρησης θα πρέπει να είναι πανομοιότυπα μεταξύ της εισόδου και της εξόδου του δικτύου. - The raw satellite data and weather data within the observational data should be identical between the input and output of the network.

Τελικά όταν το δίκτυο εκπαιδευτεί πλήρως, η πληροφορία που συλλέχθηκε από τα δεδομένα μέτρησης με τους αισθητήρες, αποθηκεύεται μέσα στις παραμέτρους του δικτύου. Όταν το δίκτυο τροφοδοτείται μόνο με δεδομένα τηλεπισκόπησης, μπορεί πλέον να δημιουργήσει βελτιωμένες παρατηρήσεις και για το λόγο αυτό δεν υπάρχει ανάγκη για περαιτέρω συλλογή δεδομένων με μετρήσεις με αισθητήρες. Finally when the network is fully trained, the information collected from the measurement data with the sensors is stored in the network parameters. When the network is only fed with remote sensing data, it can now generate improved observations and therefore there is no need for further data collection with sensor measurements.

Στο σχήμα 3 αποδίδονται τα βήματα που περιλαμβάνονται στη μέθοδο κστά τη Φάση Β. Figure 3 shows the steps included in the method in Phase B.

Γ Φάση: Διαρκής λειτουργία και εκπαίδευση - προσδιορισμός ενεργειών άρδευσης Phase C: Continuous operation and training - identification of irrigation actions

Σε αυτή τη Φάση ένα επαναλαμβανόμενο νευρωνικό δίκτυο (Recurrent Neural Network - RNN) είναι μια κατηγορία νευρωνικών δικτύων όπου οι συνδέσεις μεταξύ κόμβων σχηματίζουν ένα κστευθυνόμενο γράφο κστά μήκος μιας χρονικής ακολουθίας. Αυτό του επιτρέπει να εμφανίζει χρονική δυναμική συμπεριφορά. Προερχόμενα από νευρικά δίκτυα feedforward, τα RNN μπορούν να χρησιμοποιήσουν την εσωτερική τους κατάσταση (μνήμη) για να επεξεργαστούν ακολουθίες εισόδου μεταβλητού μήκους. Η μέθοδος κστά τη Φάση Γ περιλαμβάνει τα εξής βήματα: In this Phase a Recurrent Neural Network (RNN) is a class of neural networks where the connections between nodes form a directed graph along a time sequence. This allows it to exhibit temporally dynamic behavior. Derived from feedforward neural networks, RNNs can use their internal state (memory) to process input sequences of variable length. The method in Phase C includes the following steps:

- Βήμα 3.1 Δημιουργείται η αρχική τηλεπισκόπηση και ένα σύνολο δεδομένων από ακολουθίες διανυσμάτων μετεωρολογικών δεδομένων. - Βήυα 3.2: Τα αρχικά αυτά δεδομένα τηλεπισκόπησης εισάγονται στο εκπαιδευμένο πλέον cycleGAN και γεννιέται πλέον ένα αναβαθμισμένο και βελτιωμένο σύνολο δεδομένων τηλεπισκόπησης. - Step 3.1 The initial remote sensing and a data set of meteorological data vector sequences are created. - Example 3.2: This initial remote sensing data is fed into the now trained cycleGAN and an upgraded and improved remote sensing dataset is now born.

- Βήμα 3.3: Τα βελτιωμένα δεδομένα παρατήρησης τροφοδοτούν το επαναλαμβανόμενο νευρωνικό δίκτυο (RNN) για να δημιουργήσει μια εντολή ενέργειας. - Step 3.3: The improved observation data feeds the recurrent neural network (RNN) to generate an action command.

- Βήμα 3.4: Τα βελτιωμένα δεδομένα τηλεπισκόπησης και η εντολή ενέργειας τροφοδοτούνται στον αλγόριθμο αυτόματης κωδικοποίησης στοχαστικών μεταβαλλόμενων συμπερασμάτων (VAE- variational autoencoder) και έτσι δημιουργείται η νέα επόμενη κατάσταση. To VAE είναι ένα νευρωνικό δίκτυο που έχει εκπαιδευτεί χρησιμοποιώντας μια μέθοδο χωρίς επίβλεψη (unsupervised), όπου του δίδονται τα δεδομένα τηλεπισκόπησης και μια εντολή ενέργειας και δίνει ως αποτέλεσμα εξόδου νέα δεδομένα τηλεπισκόπησης. - Step 3.4: The improved remote sensing data and the action command are fed to the variational autoencoder (VAE) algorithm and thus the new next state is generated. VAE is a neural network trained using an unsupervised method, where it is given remote sensing data and an action command and outputs new remote sensing data.

- Βήμα 3.5: Η επόμενη κατάσταση τροφοδοτείται στη συνάρτηση ανταμοιβής και έτσι δημιουργείται η ανταμοιβή. Η συνάρτηση ανταμοιβής αποτελείται από δύο τμήματα. Το πρώτο τμήμα αποδίδει μια θετική ανταμοιβή εάν οι τιμές των NDVI και NDMI βρίσκονται εντός ενός προκαθορισμένου εύρους και μια αρνητική ανταμοιβή εάν βρίσκονται εκτός του εύρους. Το δεύτερο τμήμα στοχεύει στην τιμωρία του παράγοντα εάν χρησιμοποιεί εκτεταμένες ποσότητες νερού και εάν παράγει πολύ συχνές οδηγίες ποτίσματος. Τα δύο τμήματα σωρεύονται ως μια ενιαία ανταμοιβή για την ταυτόχρονη εκπαίδευση του δικτύου ώστε να διατηρεί την υγρασία του εδάφους σε ένα υγιές εύρος, με την ελάχιστη ποσότητα νερού, που εφαρμόζεται στον πιο αποτελεσματικό αριθμό αρδεύσεων. - Step 3.5: The next state is fed to the reward function and thus the reward is generated. The reward function consists of two parts. The first part yields a positive reward if the NDVI and NDMI values are within a predefined range and a negative reward if they are outside the range. The second part aims to penalize the agent if he uses extensive amounts of water and if he produces too frequent watering instructions. The two sections stack as a single reward for simultaneously training the network to maintain soil moisture in a healthy range, with the least amount of water applied to the most efficient number of irrigations.

- Βήμα 3.6: Τα νέα βελτιωμένα δεδομένα τηλεπισκόπησης, η ενέργεια, η ανταμοιβή και η επόμενη κατάσταση αποθηκεύονται στη μνήμη επανάληψης (replay buffer). - Step 3.6: The new improved remote sensing data, action, reward and next state are stored in the replay buffer.

- Βήμα 3.7: Στην επόμενη κατάσταση τα μετεωρολογικά δεδομένα αντικαθίστανται από τα πραγματικά νέα μετεωρολογικά δεδομένα που παρέχονται από τη σχετική εξωτερική πηγή. Έτσι δημιουργείται μια νέα επισκόπηση. - Step 3.7: In the next state the meteorological data is replaced by the actual new meteorological data provided by the relevant external source. This creates a new overview.

- Βήμα 3.8:. Τα νέα δεδομένα της επισκόπησης τροφοδοτούν ξανά την είσοδο του cycleGAN και ο κύκλος συνεχίζει να επαναλαμβάνεται για έναν προκαθορισμένο αριθμό βημάτων. - Step 3.8:. The new overview data again feeds the cycleGAN input and the cycle continues to repeat for a predetermined number of steps.

- Βήμα 3.9: Όταν ο κύκλος ολοκληρώνεται, τα δεδομένα που έχουν συλλεγεί στη μνήμη επανάληψης (replay buffer), χρησιμοποιούνται για να εκπαιδεύσουν το επαναλαμβανόμενο νευρωνικό δίκτυο (RNN). Κατά τη διαδικασία της εκπαίδευσης, πραγματοποιείται η ενημέρωση της παραμετροποίησης του RNN, με τέτοιο τρόπο που να μεγιστοποιείται η ανταμοιβή. - Step 3.9: When the cycle is completed, the data collected in the replay buffer is used to train the recurrent neural network (RNN). During the training process, the RNN parameterization is updated in such a way that the reward is maximized.

Όταν ολοκληρωθεί η εκπαίδευση, ξεκινά ένας νέος κύκλος προσομοιώσεων και νέα δεδομένα συλλέγονται στη μνήμη επανάληψης και το δίκτυο εκπαιδεύεται περαιτέρω. When the training is completed, a new cycle of simulations is started and new data is collected in the repetition memory and the network is trained further.

Τα VAE (Welling, 2014), (Wierstra, 2014) δίκτυα, είναι αυτόματοι πιθανολογικοί κωδικοποιητές. Ένα VAE, αντιστοιχίζει τα δεδομένα εισόδου του, στις παραμέτρους μιας πιθανολογικής κατανομής, όπως ο μέσος όρος και η διακύμανση. Μπορεί να δημιουργήσει ένα συνεχές δομημένο λανθάνον σύνολο δεδομένων (latent dataset), δηλαδή ένα σύνολο δεδομένων που δεν παρστηρείται άμεσα αλλά συνάγεται από άλλα που παρατηρούνται. VAE (Welling, 2014), (Wierstra, 2014) networks, are automatic probabilistic encoders. A VAE maps its input data to the parameters of a probabilistic distribution, such as mean and variance. It can create a continuous structured latent dataset, i.e. a dataset that is not directly observed but inferred from others that are observed.

Αυτό τα καθιστά ιδανικά για τη δημιουργία συνθετικών δεδομένων και τη χρήση τους ως συνάρτηση μετάβασης μέσα σε ένα περιβάλλον μιας εγκατάστασης επαυξητικής μάθησης. This makes them ideal for generating synthetic data and using it as a transition function within an augmented learning facility environment.

Στο σχήμα 4 αποδίδονται τα βήματα που περιλαμβάνονται στη μέθοδο κατά τη Φάση Γ : Figure 4 shows the steps included in the method during Phase C:

1 Αναφορές 1 References

Efros, J.-Y. Z. (2020). Unpaired Image-to-lmage Translation using Cycle-Consistent Adversarial Networks. Retrieved from https://arxiv.org/abs/ 1703.10593# Efros, J.-Y. Z. (2020). Unpaired Image-to-Image Translation Using Cycle-Consistent Adversarial Networks. Retrieved from https://arxiv.org/abs/ 1703.10593#

Welling, D. P. (2014). Auto-Encoding Variational Bayes. Retrieved from https://arxiv.org/abs/ 1312.6114 Welling, D. P. (2014). Auto-Encoding Variational Bayes. Retrieved from https://arxiv.org/abs/ 1312.6114

Wierstra, D. J. (2014). Stochastic Backpropagation and Approximate Inference in Deep Generative Models. Retrieved from https://arxiv.org/abs/ 1401 .4082 Wierstra, D. J. (2014). Stochastic Backpropagation and Approximate Inference in Deep Generative Models. Retrieved from https://arxiv.org/abs/ 1401 .4082

Claims (1)

ΑξιώσειςClaims Κύρια Αξίωση ΜεθόδουMain Method Claim Οικονομική μέθοδος προσδιορισμού ποσότητας και χρονικής στιγμής άρδευσης με βάση δεδομένα παρατήρησης (δορυφορικής τηλεπισκόπησης και μετεωρολογικά), με στόχο την επίτευξη ιδανικών συνθηκών υγρασίας εδάφους για καλλιέργειες, προκειμένου να μην απαιτούνται σταδιακά επιτόπιες μετρήσεις, η οποία περιλαμβάνει τις ακόλουθες φάσεις:Economical method of determining the quantity and timing of irrigation based on observational data (satellite remote sensing and meteorological), with the aim of achieving ideal soil moisture conditions for crops, in order not to require incremental on-site measurements, which includes the following phases: - Φάση A : Συλλογή και Προετοιμασία δεδομένων- Phase A : Data Collection and Preparation - Φάση Β : Αρχική Εκπαίδευση Συστήματος- Phase B : Initial System Training - Φάση Γ : Διαρκής λειτουργία και εκπαίδευση - προσδιορισμός ενεργειών άρδευσης- Phase C: Continuous operation and training - identification of irrigation actions Χαρακτηριζόμενη από το ότι εκτελείται σε φυσική υποδομή (Σύστημα) που περιλαμβάνει συγκεκριμένους τύπους υποσυστημάτων, στα οποία εκτελούνται οι ενέργειες που περιλαμβάνονται στα βήματα που καθορίζονται σε κάθε φάση. Οι κύριες ενέργειες αφορούν στην αρχική και διαρκή εκπαίδευση συγκεκριμένων τύπων νευρωνικών δικτύων που εκτελούν λειτουργίες βελτίωσης συνόλων δεδομένων παρατήρησης, και εξαγωγής βέλτιστων εντολών άρδευσης, που δίδονται σε ελεγχόμενης ροής αυτόματα συστήματα άρδευσης.Characterized by being performed on a physical infrastructure (System) that includes specific types of subsystems, in which the actions included in the steps defined in each phase are performed. The main actions concern the initial and ongoing training of specific types of neural networks that perform functions of improving observation data sets, and extracting optimal irrigation commands, given to flow-controlled automatic irrigation systems. Εξαρτημένη αξίωση 1Dependent claim 1 Μέθοδος που εφαρμόζεται για τη βελτιστοποίηση της ακρίβειας των δεδομένων δορυφορικής τηλεπισκόπησης εδάφους με χρήση αλγορίθμων cycleGAN Εξαρτημένη αξίωση 2Method applied to optimize the accuracy of satellite ground remote sensing data using cycleGAN algorithms Dependent claim 2 Μέθοδος που εφαρμόζεται ως συνάρτηση μετάβασης στο περιβάλλον για την αρχικοποίηση του αλγορίθμου επαυξητικής μάθησης (reinforcement learning) Εξαρτημένη αξίωση 3Method implemented as an environment transition function for initializing the reinforcement learning algorithm Dependent claim 3 Μέθοδος χρήσης αλγορίθμου ενδυναμωμένης μάθησης για την εκπαίδευση επαναλαμβανόμενου νευρωνικού δικτύου που παράγει εντολές για ποσότητες και διαστήματα άρδευσης.A method of using a reinforcement learning algorithm to train a recurrent neural network that generates commands for irrigation amounts and intervals. Κύρια Αξίωση Συστήματος Πραγματοποίησης ΜεθόδουMethod Implementation System Main Claim Σύνθεση συστήματος που περιλαμβάνει υποσυστήματα και μέσα για την εφαρμογή της μεθόδου, σύμφωνα με την αξίωση 1, χαρακτηριζόμενη από το ότι περιλαμβάνει τα εξής υποσυστήματα:System composition including subsystems and means for implementing the method, according to claim 1, characterized by including the following subsystems: - Υ1. Ηλεκτρονική βαθμίδα υλικού με ενσωματωμένες ηλεκτρονικές βαθμίδες επεξεργασίας που κλιμακώνονται ανάλογα με την καλλιεργούμενη έκταση τοποθετημένη σε κουτί προστασίας η οποία συνδέεται με συστοιχία αναλογικών αισθητήρων (Μονάδα Μετρήσεων). Τα δεδομένα από τις διάφορες μονάδες μετρήσεων καταλήγουν σε πρώτο επίπεδο σε μονάδα δρομολόγησης, μέσω της οποίας οδηγούνται προς το Internet και στη συνέχεια στο Υ4.- Y1. Electronic material stage with built-in electronic processing stages that scale according to the cultivated area placed in a protection box which is connected to an array of analog sensors (Measurement Unit). The data from the various measuring units end up at the first level in a routing unit, through which they are sent to the Internet and then to Y4. - Υ2. Συστοιχίες αναλογικών αισθητήρων που τοποθετούνται εντός του εδάφους και λαμβάνουν δεδομένα- Y2. Arrays of analog sensors that are placed inside the ground and receive data - Y3. Δίκτυο ευρείας περιοχής που συνίστσται σε ασύρματο δίκτυο τοπικής εμβέλειας και σε δίκτυο πρόσβασης στο διαδίκτυο ή στην υποδομή υπολογιστικού νέφους- Y3. A wide area network consisting of a wireless local area network and an Internet access network or cloud computing infrastructure - Υ4. Υποσύστημα - Υπολογιστική Μονάδα Επεξεργασίας, η οποία είναι εγκατεστημένη με τη μορφή εικονικής μηχανής (η συστοιχία αυτών) σε υποδομή υπολογιστικού νέφους (cloud - ΥΥΝ) και στον οποίο λειτουργεί η Βάση Δεδομένων που φυλάσσονται τα δεδομένα και εκτελούνται οι διάφοροι αλγόριθμοι στο πλαίσιο εφαρμογής της μεθόδου.- Y4. Subsystem - Computational Processing Unit, which is installed in the form of a virtual machine (the array of them) in a cloud computing infrastructure (cloud - YYN) and in which the Database operates in which the data is stored and the various algorithms are executed in the context of the application of the method . - Υ5. Υποσύστημα - Μονάδα διαχείρισης άρδευσης. Διασυνδέεται μέσω διαδικτύου ή μέσω του Υ3 με μια ή περισσότερες συνήθεις ηλεκτρικές βάνες ελεγχόμενης ροής άρδευσης- Y5. Subsystem - Irrigation Management Unit. Interfaces via internet or via Y3 to one or more standard electric flow controlled irrigation valves
GR20210100764A 2021-11-01 2021-11-01 Soil moisture collection and processing arrangment and method aiming at the optimal automatically-commanded irrigation in cultivations GR1010281B (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GR20210100764A GR1010281B (en) 2021-11-01 2021-11-01 Soil moisture collection and processing arrangment and method aiming at the optimal automatically-commanded irrigation in cultivations

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GR20210100764A GR1010281B (en) 2021-11-01 2021-11-01 Soil moisture collection and processing arrangment and method aiming at the optimal automatically-commanded irrigation in cultivations

Publications (1)

Publication Number Publication Date
GR1010281B true GR1010281B (en) 2022-08-05

Family

ID=83192223

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
GR20210100764A GR1010281B (en) 2021-11-01 2021-11-01 Soil moisture collection and processing arrangment and method aiming at the optimal automatically-commanded irrigation in cultivations

Country Status (1)

Country Link
GR (1) GR1010281B (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017024254A1 (en) * 2015-08-05 2017-02-09 Iteris, Inc. Customized land surface modeling for irrigation decision support in a crop and agronomic advisory service in precision agriculture
US20190124859A1 (en) * 2017-10-30 2019-05-02 Valmont Industries, Inc. System and method for irrigation management
WO2021007363A1 (en) * 2019-07-09 2021-01-14 The Texas A&M University System Irrigation control with deep reinforcement learning and smart scheduling
CN113554522A (en) * 2021-06-11 2021-10-26 安徽商贸职业技术学院 Vineyard accurate drip irrigation control system based on dynamic neural network

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017024254A1 (en) * 2015-08-05 2017-02-09 Iteris, Inc. Customized land surface modeling for irrigation decision support in a crop and agronomic advisory service in precision agriculture
US20190124859A1 (en) * 2017-10-30 2019-05-02 Valmont Industries, Inc. System and method for irrigation management
WO2021007363A1 (en) * 2019-07-09 2021-01-14 The Texas A&M University System Irrigation control with deep reinforcement learning and smart scheduling
CN113554522A (en) * 2021-06-11 2021-10-26 安徽商贸职业技术学院 Vineyard accurate drip irrigation control system based on dynamic neural network

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Diak et al. Agricultural management decision aids driven by real-time satellite data
Bashir et al. Internet of Things and machine-learning-based leaching requirements estimation for saline soils
Kalyankar et al. Data mining technique to analyse the metrological data
CN112166352A (en) Training machine learning algorithms and predicting values of weather data variables, particularly at field or sub-field level
CN111062526B (en) Winter wheat yield per unit prediction method and system
US9031884B1 (en) Modeling of plant wetness and seed moisture for determination of desiccant application to effect a desired harvest window using field-level diagnosis and forecasting of weather conditions and observations and user input of harvest condition states
CN115530054A (en) Irrigation control method and device, electronic equipment and storage medium
Lu et al. Forecasting multi-step ahead monthly reference evapotranspiration using hybrid extreme gradient boosting with grey wolf optimization algorithm
CN114092776A (en) Multi-sensor data fusion method applied to intelligent agriculture
Mezouari et al. A Hadoop based framework for soil parameters prediction
KR20210083708A (en) A system forecasting water content of soil using weather information
GR1010281B (en) Soil moisture collection and processing arrangment and method aiming at the optimal automatically-commanded irrigation in cultivations
EP4173477A1 (en) Method and device for optimisation of collection &amp; processing of soil moisture data to be used in automatic instructions generation for optimal irrigation in agriculture
Khosravi et al. Snow water equivalent prediction in a mountainous area using hybrid bagging machine learning approaches
Sirisha et al. Smart irrigation system for the reinforcement of Precision agriculture using prediction algorithm: SVR based smart irrigation
Jiang et al. Application and evaluation of an improved LSTM model in the soil moisture prediction of southeast chinese tobacco-producing areas
Sridharan et al. Application of statistical machine learning algorithms in precision agriculture
CN113031547B (en) Intelligent closed-loop control method for intelligent agricultural production system
Traore et al. Predictive accuracy of backpropagation neural network methodology in evapotranspiration forecasting in Dédougou region, western Burkina Faso
Skocir et al. Analysis of Open Access Data Sources for Application in Precision Agriculture
Agarwal et al. A Neural Network based Concept to Improve Downscaling Accuracy of Coarse Resolution Satellite Imagery for Parameter Extraction
Sharma et al. Functional Framework for IoT-Based Agricultural System
US20230270060A1 (en) System and method for managing irrigation of a field plot for a growing season
Diouf et al. Soil Moisture Prediction Model from ERA5-Land Parameters using a Deep Neural Networks.
Goosman et al. Apple fruit surface temperature prediction using weather data-driven machine learning models

Legal Events

Date Code Title Description
PG Patent granted

Effective date: 20220906