產業實例

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鳳梨產業邁向智慧化生產

資料來源:智慧農業專案推動小組/張至緣

鳳梨(Ananas comosus Merr.)是鳳梨科(Bromeliaceae)、鳳梨屬(Ananas)的重要熱帶水果,廣泛栽培於熱帶與亞熱帶地區。因自然風土條件等因素,主要栽培於屏東、臺南、高雄與嘉義等地,約占全台栽培面積之67.6%。臺灣早期的鳳梨栽培,主要栽培由日本於民國初年引進的開英種,其果實大、產量高,但香味略為不足,主要用以加工製罐外銷為主;然而隨著國內產業結構與經濟環境的改變,農業試驗所積極進行高品質鮮食品種的選育,陸續推出酸度低、糖度高、品質優良且具不同風味與生產適期的鮮食品種,如臺農13號(冬蜜鳳梨)、臺農17號(金鑽鳳梨)、臺農20號(牛奶鳳梨)與臺農23號(芒果鳳梨)等,使得近期鳳梨產業逐漸成為我國鮮果外銷的主力之一。

鳳梨主要以冠芽、裔芽、吸芽或塊莖芽等繁殖體進行無性繁殖,然而其植株葉片具革質且細長,葉緣有刺且株幅大(株高約1公尺、葉冠寬2公尺)等因素,再加上鳳梨栽培過程中種植、施肥、催花、採收等過程均需大量的勞動力投入且工作環境相對較為危險,在勞動力逐漸老化與減少的趨勢下,使得鳳梨產業引進自動化或智慧化技術,以減少鳳梨產業的勞動力投入有其必要性。為提升農業勞動效率、鳳梨栽培管理及採收後處理等技術,自106年起鳳梨產業投入智慧農業推動,以資通訊及物聯網等科技能量,加強生產科技化、提高良率與降低成本等新技術,協助產業加快轉型腳步,提升產業生產力與競爭力。

以下將針對鳳梨種植、中耕、無人機協助管理、採後選果、檢測與鳳梨初級加工等已實際導入智慧化技術成果之稻作生產環節,進行介紹。

鳳梨栽培機械化

 class='img_caption'圖1、乘坐式鳳梨種植機

栽培鳳梨前,果園需要利用大型曳引機(或挖土機)進行土壤翻耕、碎土、同時進行基肥施用與調整pH值與整平,利用器械輔助不但可省時省力,且可使深耕程度達30公分以上,園區整完地後即可進行覆蓋及栽植,開墾與整地之好壞影響未來鳳梨的產量及品質。目前慣行作法是透過人工覆蓋,黑色PE塑膠布,覆蓋塑膠布不僅可防止雜草、土壤沖刷,也可增加土壤的溫度,有利鳳梨的生長及提高產量;之後再使用冠芽、裔芽、吸芽等無性繁殖體,以適當的畦距(約100公分)、行距約50公分、株距30-36公分,將繁殖體植於田間。繁殖體種植深度依苗的種類,大小及地勢而定。種入土中部分以接近苗之生長點為準,過深或過淺均非所宜,坡度大的土地應略為深植。若種植深度不足或不平均時,而後如遇風雨,吹倒植株或流失時,則需要再透過人工進行扶正,整個過程費時費工。

 class='img_caption'圖2、鳳梨園多用途管理機

為節省勞力負擔與增加作業效率,高改場、桃園場與臺灣大學共同開發出,種植與鋪布作業一貫化的[乘坐式鳳梨種植機],附掛部種植機之設計為兩行式,利用承苗轉杯及種植鴨嘴進行種苗動作,可以一畦2行交錯方式種植鳳梨苗;另外亦納入塑膠布鋪設裝置,使得鳳梨苗栽植前已鋪設好塑膠布,目前植苗效率 12-15人工時/公頃,每公頃可節省約80人工時的人力,每天每台種植 1.5-2.2 公頃,種植效率大增。

由於鳳梨生長周期較長,栽培過程中常需進行中耕除草、追肥施用、病蟲害管理與產期調節等,這些工作項目傳統上都須由人工進入園內進行,然而鳳梨植株葉片革質且細長、葉緣有刺、且在短莖上形成葉叢,放射狀展開,因此當人們穿梭其間從事農務需要特別小心,以免受傷;有鑒於此,由高雄場及嘉義大學合力研發之[鳳梨園多用途管理機],可望減緩這些情況,本機主要適於在鳳梨園畦溝間進行包含噴藥、中耕除草兼施肥及果實採收後搬運等機械化作業,為一機多用途的田間管理機械,一台管理機每天以8小時計之作業效率,噴藥為2公頃;中耕除草兼施肥約1.5-2公頃及果實採收後一次搬運之安全承載量達1000公斤,可望減輕從農負擔。

無人機協助管理鳳梨園

 class='img_caption'圖3、無人機鳳梨生長狀態光譜監測成果

由於鳳梨葉尾尖銳的特殊植株型態、部分品種葉緣帶刺且植株高度較高,過去的鳳梨栽培過程中,田間管理、作物盤點、生育調查、施肥與催花成功與否都須由人力下田進行作業,耗費許多勞力與時間外,又對於人員作業安全造成隱憂;無人機具有在空中執行任務的優勢,搭配即時監控系統技術,可在10分鐘內蒐集五分地大小農場的高解析度影像,然而所蒐集的大量影像,常需耗費大量時間進行處理才能應用,失去原本無人機能快速蒐集資料的優勢,因此農業試驗所將無人機技術搭配邊緣運算技術(Edge Computing),使得搭載多光譜相機的無人機,飛行於農場上空獲取即時影像時,能即時分析影像資訊,使得地面操作者可以同步得知田間每一株鳳梨的氮肥含量、生長狀態與開花與否,目前每一幅的影像只需要1秒內即可完成判釋作業,且偵測的判釋準確度達到85%以上,最後結合GPS及IMU的資訊,可快速進行每一幅影像的空間轉換,以獲得調查資訊。透過人機協同的合作,提高田間調查與管理的效率、並且能使農民精準的施用肥料與催花劑,避免植株在生殖生長階段氮肥過多,與節省藥劑的使用。

鳳梨智慧化選果

 class='img_caption'圖4、鳳梨果實水選與清潔系統

在鳳梨採收後,常會利用人工輕拍果實,以將果實區分成『鼓聲』果與『肉聲』果,若回傳的聲音有如打鼓般,聲音較為輕響者,稱之為『鼓聲』果,這類的果實切開來有著淺黃色的果肉、纖維細緻、糖酸比適中且香氣高,表示這顆果實成熟度適中,尚能經得起儲運;如果回聲較為悶沉,猶如輕彈自己的手臂,則稱為『肉聲』果,這類果實的果肉呈現略為透水的深黃色,甜度、水分與成熟度較高,不耐儲運,須盡早食用,較適合內銷。有很多因素會導致肉聲果的產生,除了成熟度高以外,氮肥施用過量也有可能提升肉聲果產生的比例,然而鳳梨外銷常需一定的儲運時間,以鼓聲果外銷較為適當。然而這項作業需要經驗豐富的人員才能進行,隨著鳳梨外銷量逐漸上升,選別人力需求也逐漸增加,聽聲分級的作業也容易隨著作業時間的延長、作業人員疲憊而影響選別效率與準確性,因此為將鳳梨採後清理、分級與處理更加有效率,農試所嘉義分所透過水選技術,利用果實和水的比重關係,快速區分出肉聲果與鼓聲果,肉聲果因含水量高所以會沉於水池底部,鼓聲果則會漂浮於水槽上層,快速區分出兩種果實,並透過輸送帶依鮮食或加工不同需求,進行上水蠟、鼓風強風及毛刷移除表面多於水分,並再進行包裝出貨,增加分級效率、減輕勞力負擔,也確保外銷品質。

 class='img_caption'圖5、高光譜即時鳳梨品質檢測技術

除肉聲果與鼓聲果會影響銷售品質外,果實在栽培與儲運過程中,如寒害所造成的內部褐化與壓、撞傷造成的果品損壞,也會降低果實品質,因為這些損傷的初期,不會呈現於外觀,因此鳳梨在採收後,常需要仰賴人力進行抽樣調查及分類,過程繁瑣費時,且常有漏網之魚產生,導致有問題的鳳梨依舊被裝箱外銷,到達販售地點時早已腐壞,影響外銷聲譽。因此農業試驗所透過高光譜的技術,建立高光譜影像數據資料庫,並針對目標波段進行分析,以深度學習的方式建立辨識模型,讓肉聲果與鼓聲果的分類、內部是否褐化以及果實是否撞傷等情況,能在高光譜中清楚顯現,目前肉聲果的抓取率可達93%的準確度、寒害褐化檢測準確度也達80%,藉由高光譜與AI技術的結合,協助產業進行鳳梨分級與品質鑑定,解決人力短缺的問題也確保鳳梨之銷售品質。

鳳梨初級加工

 class='img_caption'圖6、鳳梨削皮機

採收後的鳳梨,無論鮮食或是加工,皆須去除鳳梨冠芽,並削除聚花果上似鱗片狀的果皮,果皮厚且粗糙,刀削過程也相當耗時耗力且危險,對此高雄場所研發的鳳梨削皮機,只要將事先去除冠芽的鳳梨,安置於機座上,拉下拉桿固定好鳳梨,即可進行自動削皮,目前約每10秒可以削好一顆鳳梨,不僅可以減緩人工因反覆動作而造成的身體損傷,也能降低人工削皮不慎造成傷害之危險,而且乾淨衛生。

過去鳳梨田間栽培作業倚賴人工在田區進行作業,耗時耗力,隨著各式技術與器械的研發,讓產業逐漸能夠朝向機械化與智慧化邁進,技術的研發須結合業界生產的經驗才能符合農民實際需求,例如機械化種植與多功能管理機,讓農民能夠更有效力且更加安全地管理果園,透過無人機在鳳梨田上方蒐集鳳梨的影像資訊並同步進行數據分析,提供包含鳳梨顆數、分布位置、生長狀態與開花與否的監測訊息,使管理者提高巡田效率;果品採收後,利用水選可快速分出肉聲果或鼓聲果;另藉由高光譜檢測系統則能偵測出鳳梨經低溫儲運後發生寒害,導致內部褐化的徵狀及採收搬運時造成的壓傷情況,將低銷售風險等;透過各項技術的應用,對於鳳梨生產與品質管控有相當的幫助,在減緩勞動力負擔的同時,也替鳳梨銷售品質做到更好的把關,創造多贏的結果。

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