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稻作生產智慧化 當科技走入水稻田

資料來源:智慧農業專案推動小組/張至緣

水稻是臺灣最重要的糧食作物之一,每年平均栽培面積可達26萬多公頃,產值約414億元左右,因此稻作產業的發展與農村經濟、社會穩定、生態環境 甚至與國防安全息息相關。臺灣的稻米種植生產過程已有相當程度的專業分工,從整地、育苗、插秧、田間管理、收割、乾燥乃至儲藏等。然而稻米的生產栽培與氣候不可分,古諺云「看天吃飯」道盡一切,以二期稻作為例,二期作的插秧時節約落在每年7至8月間,這也常是颱風的好發季節,每當颱風過境後,剛插好的秧苗被吹得七零八落也是常有的事。

隨著近年來因氣候變遷,氣象災害造成的農業損失越來越嚴重,稻米做為國人主要的糧食之一,水稻生產攸關著糧食安全、營養供應及社會安定,根據統計,水稻在十年來因為農業氣象災害造成之生產損失,估計金額約達一百億元;且傳統水稻的田間管理和生育狀態判斷,多仰賴農民依肉眼目視及經驗判斷,近期農村人口老化及少子化的情形,增加了未來從事水稻生產人力缺乏的可能,加上從農生產風險無法有效掌握,與新進農民的栽培經驗不易短期速成,上述皆是目前水稻生產上所面臨最迫切的困境。透過資通及智慧化技術的運用,並配合田間感測器與農機具進行智慧化田間管理,或搭配無人飛行載具進行作物影像偵測的管理技術,精準掌握田間植株狀態,達到省工省時及最大農作物生產效益,是目前稻作產業刻不容緩之智慧農業發展方向。

以下將針對水稻秧苗搬運、直播、病蟲害管理、巡田、水分與肥培管理、收割與倉儲等,已實際導入智慧化技術成果之稻作生產環節,進行介紹。

水稻秧苗盤機械手臂取卸系統

 class='img_caption'圖1、水稻秧苗盤機械手臂取卸系統

臺灣目前的水稻栽培,多是透過育苗場事先育好秧苗,再移往田區插秧栽培。水稻育苗場目前已有採用空中輸送機輔助搬運秧苗盤,然而入苗作業仍需仰賴人工以徒手方式將秧苗盤搬上與搬下輸送機、並於田間進行排盤,待秧苗準備出苗時,需再倚賴人工進行捲苗、搬運秧苗盤上輸送機、堆疊等處理過程,耗費大量人力,而且搬苗作業場須不斷彎腰進行,易對農民造成職業傷害,降低工作效率。近年來社會少子化,農村人口外移嚴重,勞動力逐漸呈現短缺,期望能開發自動化作業機械,取代人工入苗出苗之作業。

智慧農業稻作領航開發智慧輕量化之機械手臂取卸系統,可一次抓取3盤一疊之秧苗盤,水平輕放於地面,過程中盤面保持水平,造成的振動較小,盤內的介質保持均勻不傾斜,不會影響育苗品質,到預定地點後將3盤一疊排放置於地面,再由農民橫向移動至田間定點進行育苗,秧苗盤方向與輸送機垂直,符合傳統農民作業時的習慣;待秧苗準備出苗時,由人工進行捲苗,捲3捆秧苗於同一苗盤,再由機械手臂夾取秧苗盤放置於輸送機上,順利出苗。本套系統使用秧苗盤專用的智慧夾爪,可透過手機APP進行遠端遙控機械手臂,方便操作,預計將可節省2~3名人力進行育苗盤取卸作業,減少職業傷害產生,改善田間作業辛勞度。

無人機進行水稻鐵粉直播

 class='img_caption'圖2、鐵粉披覆稻穀直播田間

水稻直播栽培可省去育苗、移苗與插秧等作業,若能以部分直播栽培取代現行移植栽培,可降低育苗移植過程之勞力需求、減少缺秧及搶秧問題,並分散栽培管理作業時間,降低農忙高峰期勞力不足之問題。過去直播栽培方式下,常面臨種子發芽成活率不穩定、鳥害嚴重、雜草防除不易及後期易倒伏等問題。

智慧農業計畫發展「智慧農業直播水稻品種推薦與栽培管理系統建立」,導入日本以鐵粉批覆稻種技術之技術,藉由鐵粉披覆稻穀,經鐵粉氧化後的紅褐色可避免稻種被鳥類啄食,並增加稻種重量與播種深度,穩固稻株根系,抑制雜草生長所造成的生長競爭及後期稻株倒伏的風險;同時配合品種篩選與本地環境進行栽培管理,提高稻種田間發芽率與面對雜草競爭的優勢,初估將可省50%育苗成本。

執行團隊更進一步引進無人機田間操作,利用高科技進行稻種撒播,無人機一次可負載10公斤以上的稻種,約可供兩分地使用;相較傳統插秧機一次出動至少需要三人、兩車,透過無人機每分地僅需2分鐘,可讓水稻直播操作更省時。再者,鐵粉披覆的稻種,冷藏儲存活力可達3個月以上,保存期較長更可提供水稻栽培之更大的時間彈性。

智慧農業水稻直播體系可分散栽培管理作業時間,讓水稻種植時期或品種多樣化不再受限於秧苗供應、或時間的限制,讓水田利用更活化,且有利於雜糧作物的轉作生產。

福壽螺清除機具

 class='img_caption'圖3、附掛插秧機式福壽螺清除機

在水稻插秧初期,常飽受福壽螺的危害,一顆母螺每年可產下5500~8400顆卵,孵化率超過7成,據統計福壽螺每年造成上億元災損,可說是臺灣最強的秧苗殺手。慣行栽培中,常使用藥劑進行除螺,但較果有限且易造成水田汙染,也會對人體造成危害,為減低福壽螺所造成的危害,智慧農業計畫稻作團隊耗費3年研發出「福壽螺清除機具」,整合可於水田行走的機具等,利用插秧機作為動力源,只要吸取管靠近福壽螺,皆可被吸取至收集盒內,此款收集裝置可稱為濕式收集裝置;另開發不同應用方式之福壽螺清除機具,可於插秧時同時進行福壽螺清除作業,提升福壽螺清除率,並降低農民撿拾福壽螺之勞力,提供環境友善之福壽螺清除方式新選擇。

智慧水田監控管理系統

 class='img_caption'圖4、智能感測器於田間應用模型圖

雖然臺灣水稻栽種已全面機械化與專業分工,但是栽培過程中的水分管理(灌溉作業),還是得倚靠人力進行,其中巡田工作更多達60%的人力,再加上田間栽培環境監控,以及灌溉水資源利用管理不足,只好大多採取漫灌的方式,近來又面對氣候變遷帶來水資源缺乏壓力,使得水田灌溉作業為人口老化的農村帶來很大負擔。「智慧水田監控管理系統」,透過一支手機,農民可隨時隨地進行田間水位監測,經由手機APP簡單的介面及4G,遠端遙控水閘門、抽水機,不但在家就可以巡田水,並可遠端控制水閘門進行灌溉管理,有效節省巡田人力60%以上,並且提高水資源利用效率,省時、省力又省水。

智慧化水分管理與精準用肥決策

智慧化水分管理透過智能感測器如田間微氣象站、水位計、遠端電子水表及土壤電導度計等多項智能設施裝置之導入,即時傳輸田間各項參數至資料庫,藉由手機遠端監測田間環境及水位狀況,進一步控制灌水電磁閥開關,輔助水稻灌溉排水之田間管理,並搭配使用乾濕交替的灌溉模式,較慣行栽培節省10-30%的用水量,且乾溼交替並不影響株高、葉齡及產量等重要性狀,而進一步整合田間環境資料與植株生理性狀結果顯示,環境中之積溫或輻射量與植株生理性狀中之株高、葉齡、植冠、葉面積具高度正相關,可供做為水稻生產過程精準管理之用,將有效節省水資源,並使稻作產業朝智慧化生產管理邁進。

精準用肥決策技術透過運用無人機進行大面積空拍農田,同時於各養分差異處理小區進行植株高度、分蘗數、葉色SPAD數值、葉綠素含量及植體氮含量等生理性狀調查,藉由水稻田區影像分析並計算出植生指數、綠覆率及株高,將影像參數與水稻植體營養狀態生理參數進行相關性分析,所得之大量資訊進行整合並作為水稻栽培過程養分管理之決策依據。經由跨領域團隊之合作整合已研發出一套透過無人空拍機拍攝水稻葉片之影像分析結果,可相對應出水稻植體於最盛分蘗期之營養狀態,並進而提出穗肥施用推薦量之決策模式。

褐飛蝨智能化監測與警示系統

 class='img_caption'圖5、褐飛蝨智慧辨識

褐飛蝨是國內二期作水稻最具威脅的害蟲,根據聯合國糧食及農業組織(FAO)統計,褐飛蝨平均每年造成三至四成的產量損失。褐飛蝨會導致稻株黃化,影響稔實率,當族群密度高時,更可能導致稻株迅速枯萎倒伏,褐飛蝨也會傳播病菌,引起煤污病、草狀矮化病及皺縮矮化病等,且體型細小,不易觀察。因此「褐飛蝨智能化監測與警示系統」應運而生,農民使用此系統,可以輕鬆監測田區的褐飛蝨數量密度,作為決斷是否進行防治的依據;農業專家可以透過本系統,彙整各地褐飛蝨族群密度資訊,進行全國褐飛蝨流行分布趨勢分析,提供農政單位適時發布預警與防治。

褐飛蝨智能化監測與警示系統包含四個功能:褐飛蝨影像資料庫、褐飛蝨影像辨識核心系統、手機取像及使用者介面。農民拍攝到照片藉由App上傳至雲端平臺,啟動後端影像辨識核心系統並輸出危害程度,危害程度目前分別以綠、黃、紅三種顏色分為三種等級,綠燈代表褐飛蝨族群數量不高,不會有危害的疑慮,無須防治;黃燈代表褐飛蝨族群數量即將達到經濟損害限界(economic threshold);紅燈代表已經超過經濟損害限界,必須立即進行防治手段,不然產量將嚴重受損。此危害程度回饋顯示於網路地圖上,使用者可透過網頁或手機App即時得知田間的褐飛蝨族群密度,便可及時採取對應的防治方式,減低害蟲影響。

陸空協作之水稻最佳收獲模式

 class='img_caption'圖6、陸空協作之水稻最佳收穫模式

水稻收割後,價格好壞與稻穀含水量息息相關,若濕穀含水量越高,則需耗費更多能源乾燥,因此農民所獲得的利潤將下降,以一公頃水稻農地而言,差3%含水量收穫,相同重量下總收購價格差異可達1萬元。因此基於無人機與行動裝置,透過巨量資料與深度學習演算法推估含水量,研發出以雲端平台提供視覺化採收決策服務的「陸空協作之水稻最佳收獲模式」,整合天氣資訊推估未來含水量變化,提供準確且全面性之農地最適收穫排程,減少農機具及穀倉烘箱成本損耗,並保障米品質及最大化農民收穫效益。以108年下半年濕穀收購平均含水量為31%,若皆使用本技術進行精準推算採收時間,收割濕穀含水量約可降至平均28%,則每一期作將提升農民收益1200萬元,故精準的採收時機能讓農民心血獲得最大效益,提升水稻產值。

智能防蟲糧倉管理系統

烘乾後的稻穀常會使用糧倉進行貯藏,然而糧倉害蟲卻是一項嚴重的威脅,蟲源多寡、貯藏環境溫度、是否能即時處理,都將影響稻穀是否受為害損失的關鍵。傳統糧倉管理常需倚賴人工到倉頂打開糧倉頂蓋,才能觀察到害蟲危害情況與數量,費時且費工,「智能防蟲糧倉管理系統」,透過特殊光波誘蟲及搭配糧倉環境感測,使農民可即時得知糧倉是否有害蟲發生或糧倉溫度是否產生變化,一旦糧倉害蟲密度超過警戒值或糧倉溫度超過設定範圍,能即時將資訊直接回傳給管理者,在最短的時間啟動後續之防蟲處理。透過本系統導入,不僅可降低害蟲之危害,也提升農民貯藏稻榖之品質,更可降低稻穀受蟲害損失達1%以下,預估碾米業者利潤收入可增加500 萬元以上,扣除相關投資及營運管理成本等,淨利至少超過100萬元以上。

臺灣稻作生產多以小農栽培為主,不同生產流程有著精細分工,且不同栽培者間的耕作模式也並非完全相同,透過所介紹之上述技術,從業人員可依其特定需求進行選擇,期望透過感監測技術、智慧器械、雲端計算與資通訊等技術來引領稻作生產智慧化與數位化加值服務,打造更加優質的稻作從農工作環境,減緩稻作從業人員高齡化之困境、降低氣候變遷對稻作生產所帶來的風險、生產投入之農業資材與勞力的高支出等問題,以獲取較高之作物生產利益,有效降低人力需求,提高作物生產效率之目的。

(本文摘自「農業世界雜誌」第452期,版權所有,本刊圖文非經同意不得轉載或公開傳播。)

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