La población mundial, en continuo crecimiento, alcanzará de forma estimada los 9,7 mil millones de habitantes en el 2050. Este incremento, combinado con el aumento en los estándares de vida y la situación de emergencia climática (aumento de la temperatura, intensificación del ciclo del agua, etc.) nos enfrentan al enorme desafío de gestionar de forma sostenible los cada vez más escasos recursos disponibles. El sector agrícola tiene que afrontar retos tan importantes como la mejora en la gestión de los recursos naturales, la reducción de la degradación medioambiental o la seguridad alimentaria y nutricional.
Todo ello condicionado por la escasez de agua y las condiciones de aridez: factores limitantes en la producción de cultivos. Para garantizar una producción agrícola sostenible bajo estas condiciones, es necesario que todas las decisiones que se tomen estén basadas en el conocimiento, la innovación y la digitalización de la agricultura de forma que se garantice la resiliencia de los agroecosistemas, especialmente en entornos áridos, semi-áridos y secos sub-húmedos en los que el déficit de agua es estructural.
Por todo esto, el presente trabajo se centra en la mejora de la precisión de los actuales modelos agrometeorológicos, aplicando técnicas de inteligencia artificial. Estos modelos pueden proporcionar estimaciones y predicciones precisas de variables clave como la precipitación, la radiación solar y la evapotranspiración de referencia. A partir de ellas, es posible favorecer estrategias agrícolas más sostenibles, gracias a la posibilidad de reducir el consumo de agua y energía, por ejemplo. Además, se han reducido el número de mediciones requeridas como parámetros de entrada para estos modelos, haciéndolos más accesibles y aplicables en áreas rurales y países en desarrollo que no pueden permitirse el alto costo de la instalación, calibración y mantenimiento de estaciones meteorológicas automáticas completas. Este enfoque puede ayudar a proporcionar información valiosa a los técnicos, agricultores, gestores y responsables políticos de la planificación hídrica y agraria en zonas clave.
Esta tesis doctoral ha desarrollado y validado nuevas metodologías basadas en inteligencia artificial que han ser vido para mejorar la precision de variables cruciales en al ámbito agrometeorológico: precipitación, radiación solar y evapotranspiración de referencia. En particular, se han modelado sistemas de predicción y rellenado de huecos de precipitación a diferentes escalas utilizando redes neuronales. También se han desarrollado modelos de estimación de radiación solar utilizando exclusivamente parámetros térmicos y validados en zonas con características climáticas similares a lugar de entrenamiento, sin necesidad de estar geográficamente en la misma región o país.
Analógamente, se han desarrollado modelos de estimación y predicción de evapotranspiración de referencia a nivel local y regional utilizando también solamente datos de temperatura para todo el proceso: regionalización, entrenamiento y validación. Y finalmente, se ha creado una librería de Python de código abierto a nivel internacional (AgroML) que facilita el proceso de desarrollo y aplicación de modelos de inteligencia artificial, no solo enfocadas al sector agrometeorológico, sino también a cualquier modelo supervisado que mejore la toma de decisiones en otras áreas de interés.The world population, which is constantly growing, is estimated to reach 9.7 billion people in 2050. This increase, combined with the rise in living standards and the climate emergency situation (increase in temperature, intensification of the water cycle, etc.), presents us with the enormous challenge of managing increasingly scarce resources in a sustainable way. The agricultural sector must face important challenges such as improving natural resource management, reducing environmental degradation, and ensuring food and nutritional security. All of this is conditioned by water scarcity and aridity, limiting factors in crop production. To guarantee sustainable agricultural production under these conditions, it is necessary to based all the decision made on knowledge, innovation, and the digitization of agriculture to ensure the resilience of agroecosystems, especially in arid, semi-arid, and sub-humid dry environments where water deficit is structural.
Therefore, this work focuses on improving the precision of current agrometeorological models by applying artificial intelligence techniques. These models can provide accurate estimates and predictions of key variables such as precipitation, solar radiation, and reference evapotranspiration. This way, it is possible to promote more sustainable agricultural strategies by reducing water and energy consumption, for example. In addition, the number of measurements required as input parameters for these models has been reduced, making them more accessible and applicable in rural areas and developing countries that cannot afford the high cost of installing, calibrating, and maintaining complete automatic weather stations. This approach can help provide valuable information to technicians, farmers, managers, and policy makers in key wáter and agricultural planning areas.
This doctoral thesis has developed and validated new methodologies based on artificial intelligence that have been used to improve the precision of crucial variables in the agrometeorological field: precipitation, solar radiation, and reference evapotranspiration. Specifically, prediction systems and gap-filling models for precipitation at different scales have been modeled using neural networks. Models for estimating solar radiation using only thermal parameters have also been developed and validated in areas with similar climatic characteristics to the training location, without the need to be geographically in the same region or country. Similarly, models for estimating and predicting reference evapotranspiration at the local and regional level have been developed using only temperature data for the entire process: regionalization, training, and validation. Finally, an internationally open-source Python library (AgroML) has been created to facilitate the development and application of artificial intelligence models, not only focused on the agrometeorological sector but also on any supervised model that improves decision-making in other areas of interest
