資料來源：高雄區農業改良場/林宛儒助理、潘光月助理研究員
鳳梨為臺灣重要的經濟作物，109年鳳梨在臺灣種植面積約11,746公頃，產量可高達42萬公噸相當可觀。鳳梨在生長過程中，若以自然方式成長，約有80%產量主要集中在6~8月，惟若無法分散產期，將大幅影響市場的銷售價格。為有效調節鳳梨的收穫期，農民採取人工催花作業，將電石水注入鳳梨植株中心生長點，誘導鳳梨花芽分化，以調控鳳梨的生長開花期。催花作業不僅可以使鳳梨達到一致性的開花結果，以利後續一致性的採收，此外，亦可有效的提升鳳梨的品質。因此，催花作業為目前栽培鳳梨作物不可缺乏的管理作業。
現行鳳梨催花作業主要採用人工作業方式，作業者須背負一桶約20公斤重的電石水(催花劑)，由人工手持噴桿，在鳳梨田中逐株噴注(圖1)，此作業效率低，人工作業方式也極具辛苦且危險度高，若催花劑不慎溢出接觸身體，將傷及人體皮膚。此外，人工催花作業也耗費成本，鳳梨噴注催花劑費用為每株0.25元，每株至少進行3次以上的噴注催花作業。現行臺灣農業已邁入高齡化社會，農業從事者逐漸老化之外，加上許多年輕人不願意從事傳統農產業，使得農業勞動力明顯不足，致影響農業發展。對於鳳梨生產而言，在栽培過程中，各個栽培作業環節極度仰賴人力，特別在鳳梨生長過程，極度仰賴人力進行催花作業，因農業勞力短缺問題，加上工資節節提升，以致不易雇工，使得鳳梨催花作業成為農民的負擔。因此，如何使鳳梨催花作業達到省工、省力及機械化，以有效提升催花作業為現行鳳梨栽培管理的目標之一。
近年來，人工智慧技術之快速發展，將人工智慧技術導入農業作業成為傳統農業轉型的契機。人工智慧技術如同人腦一樣，使電腦以人腦啟發的方式處理複雜的資訊，並在複雜的問題中，學習如何解決問題，進而做出決策。鳳梨噴注催花劑之作業需要在極其複雜的鳳梨田環境中作業，因鳳梨田環境複雜多變，以既有的電腦視覺辨識技術無法達到較高的辨識結果，因此需要導入人工智慧辨識技術，達到高精度的定位，方能完成精準的噴注催花劑作業。因此，本場開發一自走式鳳梨自動噴注催花劑機械，此機械需要導入人工智慧技術，在自走車上建置影像視覺智能辨識系統，用以辨識定位鳳梨植株中心位置，進而引導噴嘴進行精準的噴注鳳梨催花劑，使自走式鳳梨自動噴注催花劑機械具有智能化及精準化之作業能力，達成高效率的鳳梨催花作業。
隨著人工智慧深度學習技術的發展，透過卷積神經網路模型之學習訓練，物件偵測模型可根據已學習過的特徵，自動判斷未學習過的物體，使其能在複雜的環境中預測目標物體，現行知名常用的物件偵測模型如: YOLOv4, R-CNN…等。本研究採用YOLOv4模型作為辨識鳳梨特徵影像的核心模型，以精準的定位鳳梨植株中心位置，以利後續引導控制噴嘴進行噴注作業，以下將詳細說明所開發機台的性能及實際於田間測試的結果。
如圖(2)所示為本場所研發的自走式鳳梨催花機台，自走式鳳梨催花機台主要包含三大部分，分別為機構主體、鳳梨影像智能辨識系統及噴嘴運動控制系統。自走式鳳梨催花機台之機構主體，主要設計以履帶環繞在滾輪及傳動軸，帶動機台在田間行走，因田間作業屬於高複雜環境，相較於輪式作業，履帶式不僅可以分散重量，亦可增加抓地力以及與地面的摩擦力，使其更能在複雜困難地形中行駛，並穿越各種障礙物。針對鳳梨影像智能辨識系統，因鳳梨的生長環境較為複雜，不僅每株鳳梨的特徵不一致，鳳梨植株的背景也極其複雜，除此之外，不同光源所擷取的影像亦不同，難以利用單一影像演算法做特徵抽取。為了解決特徵複雜的問題，本研究採用深度學習之YOLOv4物件偵測模型，以學習不同特徵類型的鳳梨植株影像，並讓電腦相似於人腦一樣，對於未學習過且複雜的特徵影像，具有自主判斷預測的能力。因此本研究將自走式機台結合人工智慧技術，以即時動態的辨識鳳梨植株中心位置，進而後續可回傳位置座標，使噴嘴即時的進行噴注作業。另外關於噴嘴運動控制系統，本場開發的自走式機台主要採用高壓動力噴霧機，透過適當的壓力噴出催花劑，因噴出的液體其霧粒很小，不僅可達到較好的覆蓋率，亦可集中噴注，以節省催花劑量，降低栽培管理的成本。透過YOLOv4模型給定的鳳梨植株中心座標位置後，透過步進馬達以控制調整噴嘴的位置，使噴頭移動至待噴注的位置，並以電磁閥控制噴嘴開關，進而將催花劑由噴頭噴注至鳳梨植株中心位置，達到精準噴注作業之功能。
針對鳳梨影像之辨識率，YOLOv4物件偵測模型可實際預測鳳梨植株影像高達95%準確率，模型可以針對未學習過的鳳梨植株影像作預測，以推論待檢測鳳梨影像的位置，模型辨識的結果如圖(3)所示。本場開發的自走式鳳梨催花機台實際噴注催花劑的結果如圖(4)所示，當機台行駛至鳳梨田間，高速攝影機將即時取像鳳梨植株影像，並將畫面回傳至上位器進行模型推論，以取得鳳梨植株中心位置座標，而噴嘴運動控制系統將此推論結果帶動噴注系統，移動噴嘴至鳳梨植株中心位置，進而將實施噴注作業。
本場致力將傳統農業轉型為智慧農業，使智慧農業實際落地應用於田間，以符合現行農務的需求，解決農民生產中的實際問題。為了解決目前鳳梨人工催花作業之缺點，本場研發自走式鳳梨催花機台，使作業人員輕鬆完成噴注催花劑作業流程。透過智能化的噴注作業，不僅可省時省力，提升操作人員的作業效率，亦可降低與藥劑接觸所造成的健康危險，除此之外，智能噴注作業也可精準的控制劑量，減少使用劑量，降低整體栽種的成本。未來將持續推廣自走式鳳梨催花機台，使更多農民受惠。
▲研發團隊：高雄區農業改良場
聯絡人：潘光月助理研究員
電話：08-7746787
E-mail：pan@mail.kdais.gov.tw
