Optimizing Water Use in Maize Irrigation with Reinforcement Learning

灌溉 钢筋 农业工程 强化学习 环境科学 水资源管理 计算机科学 农学 人工智能 工程类 材料科学 生物 复合材料
作者
Muhammad Alkaff,Abdullah Basuhail,Yuslena Sari
出处
期刊:Mathematics [Multidisciplinary Digital Publishing Institute]
卷期号:13 (4): 595-595
标识
DOI:10.3390/math13040595
摘要

As global populations grow and environmental constraints intensify, improving agricultural water management is essential for sustainable food production. Traditional irrigation methods often lack adaptability, leading to inefficient water use. Reinforcement learning (RL) offers a promising solution for developing dynamic irrigation strategies that balance productivity and resource conservation. However, agricultural RL tasks are characterized by sparse actions—irrigation only when necessary—and delayed rewards realized at the end of the growing season. This study integrates RL with AquaCrop-OSPy simulations in the Gymnasium framework to develop adaptive irrigation policies for maize. We introduce a reward mechanism that penalizes incremental water usage while rewarding end-of-season yields, encouraging resource-efficient decisions. Using the Proximal Policy Optimization (PPO) algorithm, our RL-driven approach outperforms fixed-threshold irrigation strategies, reducing water use by 29% and increasing profitability by 9%. It achieves a water use efficiency of 76.76 kg/ha/mm, a 40% improvement over optimized soil moisture threshold methods. These findings highlight RL’s potential to address the challenges of sparse actions and delayed rewards in agricultural management, delivering significant environmental and economic benefits.

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