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Sunday, March 11, 2007

精準農業作物產量偵測系統

精準農業作物產量分佈圖偵測系統之開發

.台大生機系 盧福明、林達德 
農委會農試所 蔡致榮、黃國祥 
岡山農工生物機電科 張福祥 
宜蘭技術學院生物機電系 林連雄.

一、前言

本研究目標為開發適合國內水稻收穫用之定點產量及水分即時偵測系統,以便結合衛星定位系統(GPS)製作田區產量分佈圖,供農場管理決策分析用。

田間作物產量監測方法以穀物為例如圖方塊圖所示,主要包括監測主控器、定位GPS感測器、穀流感測器、穀物水份感測器、穀物揚升機速度感測器、啟動/暫停感應器與收穫機速度感測器。


定位GPS
感測器


監測主控器 控制/顯示


穀流感測器 收穫機速度感測器 啟動/暫停感應器
穀物揚升機速度感測器  穀物水份感測器



圖1. 田間收穫穀物之產量監測系統方塊圖

國外廠商已有產量與穀物水份感測器應用於西洋式大型聯合收穫機上,於收穫作業時作即時量測,以繪製定點產量圖,其組件包括產量監測、收穫面積監測、位置監測、資料擷取處理與產量圖化等部分,詳如圖2所示。結合定位系統和穀物量測系統所得數據即可運算各個小田區單位面積產量,進而可繪製大田區產量分佈圖,達到估測作物產量之目的。

西洋式聯合收穫機產量監測所使用產量感測器係以連續流原理運作,通常安裝在淨穀揚升器的上方,並可分為體積流(volume flow)量測與質量流(mass flow)量測兩種方式,如圖3所示。

西洋式聯合收穫機產量監測器的使用情形,Kormann氏等人指出田間試驗結果顯示四種


圖2、西洋式泛用聯合收穫機產量局部監測組件



圖3、國外廠商所銷售西洋式泛用聯合收穫機用之連續流產量監測系統


量測系統具有幾乎相等且介於±7%與±8%間之誤差範圍,而體積流量測系統比質量流量測系統具較小標準偏差。但Birrell氏等人則稱體積流感測器之離散式運作在計算瞬間產量上會導至顯著誤差。Perez-Munoz與Colvin氏評估AgLeader Technolgy公司Yield Monitor 2000指出此種產量監測器值得信賴,可提供足夠準確之資訊繪製產量圖,惟產量信號需適當處理以修正時間延遲。

二、材料與方法

本計畫由台大生物產業機電工程學系和農委會農業試驗所農工組、國立岡山農工職校生物機電科及宜蘭技術學院生物機電工程系共同研究,在久保田R9101G五行式(割寬1.6公
尺)水稻聯合收穫機上裝設元件偵測水稻作物田間產量。偵測系統包括穀物流量感測器(Micro-Trak,CGS 2000)、穀物水分計(DMC儀器)、資料擷取系統(Micro-Trak,TNG-100,和Data-Trak TNM-1000)、液晶顯示幕(Grain-Trak TNY-4400)、行走速度感應器、擷取爪啟動感應器和GPS(航天公司 DGPS-220),如圖4所示。圖4. 水稻聯合收穫機上感測器裝設點

三、結果與討論

本計畫歷經二十二次田間收割試驗,合計水稻收割面積共7.39公頃,產量準確度介於80-90%之間,應用DGPS定位精度在1公尺以內,國內水稻收穫機田間試驗情況如圖5所示。


圖5. 產量偵測用收穫機於農試所測試情形


收穫中,系統啟閉磁性感應器察覺到有稻桿被夾入脫穀筒時才開始將各感應器所讀到的數據存入數據收集器內,包括收穫機前進速度、地理位置、水稻含水量和水稻流量。產量


圖6. 農業試驗所田間收割產量分佈圖(39號田區
)

分佈圖及收穫機在田間運轉之軌跡圖如圖6和圖7所示。圖6為田區長100公尺、寬50公尺(0.5 公頃)之產量分佈等高線圖。田區內分隔成多個小區,各小區塊溼穀產量介於6200公斤/公頃到7600公斤/公頃,本塊田平均溼穀產量為7300公斤/公頃,稻穀含水率為26%。

在機械之穩定度與與耐久性方面,經多次試驗修改後,已達要求。惟收穫量、含水率與收穫面積之準確度,有待提升,因此針對感測器之校正是未來改進的方向,同時也是提高產量偵測準確度的必要方法。



四、結論

本計畫應用久保田R9101G五行式(割寬1.6公尺)水稻聯合收穫機裝設下列元件製作田間產量圖:穀物流量感測器、穀物水分計、資料擷取系統、液晶顯示幕、行走速度感應器、擷取爪啟動感應器和GPS。聯合收穫機裝配GPS與穀物產量和水份感測器之田間測試結果,已可連續紀錄單位時間內所收割稻穀重量、水分及收穫機地理座標資料,準確度介於80-90%之間。整理上述三項資料之後即可應用軟體繪出水稻田區產量分佈圖,判斷高低產量的確定位置,供農場經營決策之參考。水稻產量分佈偵測系統之定位誤差在1公尺以內。

由於目前使用之穀流和水份感測器皆非適用於本土性水稻生產之產品,因之在收穫量、含水率與收穫面積之準確度,尚待校正改善提升之,因此針對感測器之校正及開發國產化水稻產量分佈偵測用之監測器之研究為未來提高水稻產量偵測準確度的必要工作。

(作者聯絡電話:農試所04-23302301轉706台大02-23637436岡山農工07-6217129轉224)