從何時下種到何時收穫,農友們得面臨許多決策時刻;為此農業領域正在經歷資料導向的轉型,農友開始採用資料分析以及智慧農業科技以改善利潤以及風險管理。而透過衛星、人工/無人駕駛飛行器與地面感測器產生田野觀察資料的遙測(remote sensing),成為所謂「精準農業」(precision agriculture)的骨幹技術。

根據市場研究機構ResearchAndMarkets的統計,全球農業分析(agriculture analytics)市場在2018年達到5.9億美元(約180億台幣)的規模,估計該數字到2027年可進一步擴增至24.6億美元,期間的複合平均年成長率(CAGR)為17.2%。看好以上商機,美商Headwall Photonics以及德商geo-konzeptv宣佈成立歐洲高光譜遙測中心(Center for Hyperspectral Remote Sensing Europe,CHRSE),攜手開發空測高光譜與光達(lidar)技術與應用。

能達到鎖定單棵植物的精細度

高光譜遙測技術無疑能讓農業生產變成更具永續性的業務,因為這種技術能突破人類視力的天然限制,在農作物成長週期中早期發現植物病蟲害,讓農友能及時採取因應行動。但因為成本太高昂,高光譜遙測技術在農業應用的推展速度非常緩慢。

geo-konzeptv的採礦、遙測部門主管Johannes Kutschera表示:「高光譜成像技術還沒有準備好讓一般的農友使用;」他舉例指出,一套農業用GPS系統的價格曾經高達10萬歐元(約11萬美元/337萬台幣),「但現在當我們要為拖拉機(tractors)配備轉向系統,一套GPS系統的入門價大約是5,000歐元(約5,530美元/16.8萬台幣)。」

當然,任何一種新技術的成本下降都需要時間;但Kutschera表示,「我們的長期目標是將高光譜技術轉換成能被一般農友使用的工具。在此同時,我們的任務也包括尋找能讓這種感測器為使用者帶來更高價值之應用。」

Headwall的歐洲區業務總監Christian Felsheim則表示,高光譜技術在市場上普及的另一個障礙,是該技術本身的複雜性;「這就是Headwall與geo-konzeptv將共同努力的,我們要讓該技術更容易使用,這最終將帶來成本的下降。但這需要將技術與應用結合,並且需要有一個場域能方便我們嘗試各種應用。」

新成立的CHRSE將支援高光譜成像技術結合包括光達、高精準度GPS等其他感測器技術的實現與利用。Kutschera解釋:「Headwall是一家高階技術供應商,geo-konzeptv則將扮演其高階技術轉型的橋梁角色,讓相關解決方案能被眾多一般農友使用。」

CHRSE將座落於geo-konzeptv的德國巴伐利亞Adelschlag總部,該中心會有適合無人機飛行的大面積區域,讓有執照的無人機(UAV)操作員能進行高光譜成像技術在特定應用環境中的測試與展示,並提供新一代UAV操作員的訓練。

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位於德國巴伐利亞Adelschlag的geo-konzeptv總部

除此之外,CHRSE所在地其實就是一片農場,而geo-konzeptv的執行長Thomas Muhr也是一位農友;該公司有許多客戶是育種業者,在其總部周邊有分配的田間試驗區域。「我們每一塊田間試驗區域大約只有1平方公尺,」Kutschera表示,「要收集每一塊試驗區的資訊非常耗時,需要大量人工,而且並不是很精準。」

「那些人工收集而來的資訊只能顯示作物『長得好不好』,但高光譜成像技術能提供我們真正的量測數據;」他表示:「這些量測數據能被進一步透過軟體分析,將結果進一步用於田間試驗的規劃,我們也會用同樣的軟體針對統計數據進行分析。而我們能以更高的頻率來收集資訊,有必要時甚至可以每週或是每天,資訊收集的精準度以及量測的可重複性也更好。」

與環境的互動會讓植物動態發展其表型(phenotypes),因此瞭解植物在不斷變動的環境中之生長過程,對於有效的作物管理以及農事決策非常關鍵。「生長季是植物表型分析的一個部分,因此我們會收集整個生長季的數據,從3月到7月;」Kutschera表示:「每隔一段時間,當農業專家告訴我們植物生長的關鍵時間點來臨,我們就會利用高光譜成像技術以及不同的演算法、神經網路、人工智慧等等所需技術,取得針對某個問題的數學解答。」

藉由高光譜成像技術,植物病蟲害能被早期發現,以避免在收穫季前後的損失。Felsheim表示:「從植物能讀取到訊號,那些訊號會顯示該植物是否會受到某種病蟲害潛在影響,或是有缺水的問題。」

無人機以及高光譜成像技術能提供詳細的光譜特徵,而且能擴大數據收集的規模。Kutschera表示:「我們正在進行適合不同規模的技術開發;」例如以飛機或直升機進行遙測時,取得的每一個影像畫素會涵蓋數英呎/公尺面積的田地,「但使用無人機時,我們能將精細度縮小到公分的水準,並能區分出單棵植物,例如某一棵玉米或馬鈴薯的生長情況。」

這種在精細度層級上的區別,結合光達的3D幾何影像,能為資料分析帶來許多新機會。Kutschera認為,「只用單一種感測器無法滿足市場需求;在過去,我們已經為客戶提供熱影像以及多光譜影像技術,但高光譜成像能提供更多的資訊。結合高光譜成像以及光達、熱影像,甚至植物的土壤資料與化學分析數據,能讓我們更進一步。」

農業之外的其他應用

農業只是高光譜成像技術鎖定的主要應用之一,CHRSE也將開發該技術在採礦業以及一些基礎設施專案上的應用。舉例來說,植被管理往往是一個國家在公用事業或基礎設施營運上非常複雜且成本高昂的部分,灌木叢、外來入侵物種,或是不健康、過度茂盛的樹木,有可能會危及電力線、電塔等設施,在惡劣天氣中也可能為道路、鐵路與橋梁等帶來破壞或阻礙。

Headwall與geo-konzeptv參與了德國鐵路(Deutsche Bahn Rail)的特定應用任務,並取得了鐵路基礎設施管理公司DB Fahrwegdienste的許可,能讓無人機飛越鐵道取得高光譜與光達影像,產生的3D影像能提供植被健康情況與高度等量測數據,以及發現可能帶來危險的鐵道周邊樹木。如此一來鐵路公司不需要再派遣伐木工人去巡查鐵道,因為無人機就能偵查並指出任何有危險的區域,節省大量的時間與人力成本。

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結合高光譜成像技術、光達以及無人機,能讓鐵路公司以更省力的方式來偵查鐵道周邊的植被生長狀況,以避免任何危險。
(來源:Headwall與geo-konzeptv)

Felsheim表示,利用他們的技術,就有機會只花費少許力氣遙測大面積區域;無人機因為有小型化與輕量化的特性,還能以低高度飛越在過去很難覆蓋或是根本無法覆蓋的區域,取得更高解析度與品質的影像。他總結指出:「並非每一個區域都允許無人機飛行,而且還需要有設備;而我們集合了所有必備條件,讓人們能一起創造新應用以及發現能利用該技術的新方法,這也是我們成立CHRSE的主要目的。」

編譯:Judith Cheng

(參考原文: Hyperspectral Imaging Out in the Fields,by Anne-Françoise Pelé)