稻株含氮量地面多光譜影像遙測系統

稻株含氮量地面多光譜影像遙測系統之開發研究

．台大生機系陳世銘、黃政偉、黃竣吉　嘉大生機系吳德輝　農試所農工組楊智凱　台大農藝系蔡養正　台大農場繆八龍．

一、前言

氮素對於水稻之生育極為重要，若氮素缺乏則發育不良，產量不高，但如果施用過量，或施用時期不當，亦容易滋生病蟲害或引起倒伏而減產，因此，合理之肥培管理除了有節省資源之經濟意義外，更有維護生態環境之積極意義。傳統的水稻田農業耕作方式，對所有的農地採取相同的施肥、灌溉等田間作業，並沒有精準地考慮到農地在時間、空間上所產生的變異性，以及水稻植株體本身的肥料吸收量、殘留量等問題，因此無法針對作物個別之差異，給予適時的施肥或是灌溉。然而，隨著技術之進步，針對節省資源與減少對環境污染之目的，目前已發展出精準農業技術（Precision Agriculture）。相較於傳統之農耕方式，精準農業較能依照農作物之生長需要，精確的依作物體之個別差異進行需要的施肥或是灌溉。

本研究應用多光譜影像之遙測技術，針對稻株之含氮量進行非接觸、非破壞性的量測與分析，藉由光環境較單純的室內，與光環境變異性較大的田間之量測，比較光譜波段影像對於氮素反應的差異，並以此結果為基礎，發展稻株含氮量地面多光譜影像遙測系統，提供即時的稻株營養狀態，以達到精準農耕的需求。

二、材料與方法

本研究之試驗對象為水稻，品種為台農67號，試驗時間為2002年1期稻作幼穗形成期，試驗地點在農業試驗所農場（台中縣霧峰鄉），氮肥處理分為0、45、90、135kg N/ha四種，以造成生育性狀上的差別。本研究之試驗分析流程主要分為基礎試驗部份與開發系統之田間實測部份。在基礎試驗部份，首先進行田間多光譜影像拍攝，以CCD進行田間之多光譜影像擷取，完成整個田間試驗，並進行水稻實體採樣，攜回實驗室進行室內多光譜影像拍攝，藉由室內與田間之多光譜影像分析結果，探討各波段在室內與田間的差異，以作為發展遙測系統的參考。

在開發系統之田間實測部份，本研究開發出”稻株含氮量地面多光譜影像遙測系統”，本系統主要由三部份組成，第一部份是多光譜影像系統，為整合CCD硬體及本實驗室所自行開發之多光譜影像分析法則與軟體而成。第二部份為多功能田間載具，此載具亦為自行開發，自有動力，且具行走功能；遙測系統載台具有包含上揚微調、水平調整、油壓控制、校正板擺設等功能之機構，這些功能的設計都是為了能方便地控制CCD之最佳拍攝高度與拍攝角度。第三部份是差分式全球定位儀（DGPS），主要是作為田間取像時之定位用途。此稻株含氮量地面多光譜影像遙測系統之田間實測情形如圖1所示。

三、結果與討論

比較室內與田間之基礎試驗結果顯示，光譜波段有重複出現，說明這些波長（555、660、680nm）具有區辨稻株含氮量之能力。另田間之結果（r=0.82，SEC=0.17）稍遜於室內結果（r=0.92，SEC=0.14），此乃田間遙測之變異性較大之故。基礎試驗結果顯示出多光譜影像對於水稻植株含氮量之預測能力具有可行性，接下來便是要把本研究開發之多光譜影像系統架設到多功能田間載具上，並配合DGPS-220定位儀，整合而成”稻株含氮量地面多光譜影像遙測系統”，用以量測水稻植株體之營養狀況。

稻株含氮量地面多光譜影像遙測系統之試驗過程中，由於車體在田間行走時會晃動，造成擷取到的影像容易模糊不清，因此目前初步之測試是採用非即時、間歇性（定點）的拍攝方式，亦即將把稻株含氮量地面多光譜影像遙測系統以多功能載具駕駛至所要拍攝的稻株前面，進行靜態多光影像的擷取，並於拍攝完成後將光譜影像資訊進行分析，計算出氮含量的空間分佈情形，以提供施肥作業機進行精準施肥作業時之參考與依據。

本次試驗之拍攝樣本共有48個樣本，分為校正組與預測組，校正組樣本32個，預測組樣本16個。研究結果指出在555nm、660nm、680nm與700nm之結果最佳，其校正組結果為r = 0.86，SEC = 0.24，RSEC = 12.9%，預測結果為r = 0.79，SEP = 0.17，RESP = 10.6%，顯示出本研究所發展之精準感測系統對於稻株含氮量之遙測性能具有相當不錯之準確度。

全球定位儀在”稻株含氮量地面多光譜影像遙測系統”中則是與軟體結合，以增加此系統的實用性，本定位程式為自行開發，然後再透過DGPS-220硬體輸入，把進行量測的位置顯示於電子地圖上，圖2為定位儀之操作視窗界面，此視窗界面共分為四區，分別是即時影像區、即時座標資訊區、電子地圖區與圖層區。由圖2之電子地圖定位區可看出，此定位儀結合了電子地圖，並且用一圓形的小紅點顯示出目前在農場的位置，而即時座標區則是顯示全球定位儀的資訊，分別顯示即時的資訊以及前一次的定位資訊，以方便使用者了解目前所在的位置。而圖層管理區則是可以套疊不同的試驗結果，以作為比較。此外，由於電子地圖展示區及圖層管理是屬於地理資訊的部份，因此本程式同時也具備了電子地圖圖層新增、移除、放大、縮小、平移等檢視功能。

四、結論

氮素對於水稻之生育極為重要，本研究應用多光譜影像之遙測技術，以不同的拍攝環境，探討各波段對於水稻植株含氮量的反應，研究成果顯示555、660與680nm這三個波段對於氮素反應最為敏感。本研究已開發稻株含氮量地面多光譜影像遙測系統，由多光譜影像系統、多功能田間載具以及全球定位儀等三部份組成。該系統於田間進行定點之稻株含氮量遙測結果顯示，使用555、660、680與700nm這四個波段的校正組檢測結果可達r = 0.86，SEC = 0.24，RSEC = 12.9%，預測組為r = 0.79，SEP = 0.27，RSEP = 10.6%，顯示出此系統具有不錯之遙測精確度。系統並以全球定位儀結合電子地圖進行定位整合，達到精準農耕之作業要求。本研究所發展之多光譜影像遙測系統可以在不需要衛星的前提下，進行田間稻株含氮量之遙測，本系統亦適用於溫室內作物栽培之精準管理作業。（作者聯絡電話：台大02-33665350）


圖1 稻株含氮量地面多光譜影像遙測系統於田間實測之情形


圖2 全球定位儀之定位界面

蓮霧光波分級機

蓮霧光波分級機引進應用介紹

．農委會高雄場　游景昌．

一、前　言

水果採用人工目測分級選別工作非常辛苦，且易造成人為誤差。為提昇品質分級及建立品牌形象，促進產業運銷技術升級，農委會補助屏東縣枋寮鄉農會引進乙套日製「蓮霧光
波分級機」，造價3,500萬元。自90年度開始接受果農登記營運服務，提供光波分級蓮霧產品供應市場，運銷作業採共選共計方式，亦即集中生產者的蓮霧，以預定的設定標準進行選別分級後，進行分級包裝，使其成為商品化之產品，流通於市場，再將販賣所得依分級後的比例支付農民。

本套設備之糖度機及影像機攝影機(CCD)
在作業前需分別先行溫機2小時及1小時以上，設有定時自動起動糸統，可依作業需求設定。規劃設計供果6個人工，收集、包裝等12人工，總共使用18個人工；操作時給料方式由人手把果粒單粒化放在輸送滾輪上，果粒間隔需2支滾柱以上，果粒隨即被輸送分別通過糖度及影像檢測裝置進行分級，最後完成掉落在對應等級出料集果平台上，供人工收集裝箱。當人工供料發現裂果等不良品時則剔除不放入輸送機，並以按推鈕方式將不良品個數鍵入電腦，作為最後自動計價支付修正。

本人曾參與協助該機引進及輔導營運，本文僅介紹該機設備及目前使用情況 (圖1～4)，並針對其缺點及未來發展提出個人看法，供相關機械研發之參考。

二、主要設備及作業方式

該機採用近紅外線(NIR)檢測水果內部糖度，並利用影像攝影機(CCD)偵測水果外部色澤與大小，經由電腦運算將蓮霧依外觀大小、糖度、色澤綜合判定後再依設定分級標準分為1A、2A、3A、1B、2B、3B、1C、2C、3C九個等級。本套設備由日本各廠家整合而成，採聯合方式規劃設計，糖度機方面由三井金屬鈜業株式會社生產，石井工業株式會社則負責輸送、影像處理設備等。分級機全長21.7公尺，主要分為人工供果區、偵測區及出料收集區。偵測區架設內、外部品質檢測設備，蓮霧由輸送裝置輸送，分別通過糖度及影像偵測裝置進行非破壞檢測。該設備另包括進貨輸送系統、自動紙箱成形封底機、自動封箱機等週邊設備，以下僅就分級設備部門作一簡介。

1. 果粒輸送機
輸送部門係由1008支輸送滾柱由輸送鏈條等串聯組成，全長21.7公尺，主要承接人工單粒化供果及輸送蓮霧進入選別部進行分級，同時配合電腦判定於出料區設定位置自動傾倒輸送滾柱將果粒排出。輸送機構設計移動速度每秒50公分，速度可調控，規劃分級工作能力每秒3粒，最前端長6.5公尺為人工供果區。

2. 糖度分級機
乃利用近紅外光(二只光源)射在水果表面，以偵測光反射量的方法來判別水果內部糖度值，屬反射型，糖度(Brix)檢測範圍5 ~25度。本偵測設備包含水果溫度及內部糖度偵測兩部門，前端先利用紅外光量測水果表面及週邊溫度，以供NIR預測糖度之修正值。近紅外光偵測位置選在蓮霧最大果寬處，量測時如水果外表有水份存在，會影響其分級精度結果，造成極大之誤差。本機每小時自我診斷一次，約10秒鐘。

因受蓮霧產期等影響，糖度機需每星期作一次檢量線校正，俾確保分級準確性，校正時每次取樣20粒，以當天採收新鮮代表性蓮霧為主。糖度判定設定分A、B、C三級及格外品，其值可依市場需求由電腦設定。配合蓮霧品牌水果品質標準，目前設定三級水果糖度值分別係為11.5度(Brix)以上、11.5~10度及9.9度以下。

3. 色澤、大小分級機
主要利用2部CCD攝影機，在偵測室上方及側面各1部，大小判定是以2部攝影機所取得蓮霧影像加以計測，最後換算成重量，大小設定分成1、2、3階級及格外品。目前設定三級大小分別為141克以上、140~111克及110克以下。

色澤偵測因受蓮霧果蒂端色澤較淺特色之限制，因此僅使用側面的攝影機取得之影像作用為判定分級，並以蓮霧果尾端三分之一的區域作為判定色值的對象。評價尺度上設定100個階段以紅、黑色為最高評價，設定A、B、C三個英文字母表示顏色等級。目前設定色澤值分別為81以上、80~77及76~70等三級。

4. 電腦控制室
電腦室內放置控制生產線的電腦，大致分為計測系統用電腦及控制管理用電腦二大類。計測用電腦掌管輸送、影像處理和糖度感應功能。控制管理用電腦用來連接生產線管理每個農戶的資料，列印選果傳票及每天累計篩選結果等資料。

5. 出料集果裝置
蓮霧經計測系統用電腦評價等級後，在對應等級出料口地方之輸送滾柱會傾倒使蓮霧拋落在集果平台上。本機共設11級出料平台，每級出料槽長寬分別為90、100公分，上舖設軟質墊材供承接分級掉落之果粒，避免損傷，其中最後端之二級分別為格外品(糖度7度以下及單粒重65公克以下)，及因兩粒果間距太近造成電腦無法判斷良否的果品。評價後的蓮霧落入該屬的出口，再藉由人工以收集進行裝箱或裝盒作業。

6. 操控面板
主要控制選果系統之運轉，輸送機起動、調速及停止，輸入個別農戶資料，及登錄腐壞等不良果。當有異常狀況會發出警示燈及警示鈴。

三、作業功能及缺失

國內首次推出以光波進行蓮霧分級後，獲得相當迴響，市場上甚獲承銷人之認同與肯定。依據屏東縣枋寮鄉農會統計指出，光波分級蓮霧與一般蓮霧間的價差每公斤批發市場價格較同級品高二至四成，市場售價亦較穩定。

利用機械有助於知識管理，除了建立品管落實品質分級，同時記錄每一批選果資料，透過電腦分析得知個別農戶栽植蓮霧品質好壞，供栽培管理方法改進之參考依據。本機作業功能及缺失如下：

1. 為避免果粒相互碰撞產生損傷，掉落在收集平台上之蓮霧必須隨即以人工收集，以防蓮霧互碰損傷。目前分級之蓮霧未能直接自動裝箱或裝盒，與原先規劃需求功能出入甚大。
2. 受制於採用人工供料、收集包裝等因素，工作效率無法提昇，實際作業能力約僅設計值的1/2量 ，亦即每天八小時僅可處理3~4 噸蓮霧。本機供料部設計可同時容納六個人工作業，因使用同一線輸送機，形成在前、後段輸送機上可容納供料空間不同，後段區往往為尋找供料空間導致工作效率不佳。
3. 糖度偵測方面，調查100個樣品，電腦預測與實際破壞性量測之誤差值為0.413度。
4. 在重量、色澤方面，因由影像計測換成重量計價，不同產區因果實密實性不同，致使統計誤差值較大。色澤分級上經多次修改，目前功能表現尚稱良好，但色澤上紅與黑的分級指標尚未合理訂定完成，色澤僅分成三階，每級顏色值深淺差異範圍大較受果農爭議，生產高品質蓮霧果農往往不願參加共選運銷作業。
5. 製造商在NIR等重要設備均加以保密，禁止使用者拆卸相關組件，關鍵維修技術未完全提供，主要維修保養需依賴日方，基本維護費每年需60萬元。考量使用年限、使用量、工資、電費、維修等因素，每公斤蓮霧分級之成本不低。目前農會承接農民分級包裝之代工費為每公斤收費10.5元。

四、發展及建議

為提昇品質分級，滿足市場之需，發展水果內、外品質兼具之精密分級機有其迫切性。蓮霧皮薄多汁，因外觀色澤、大小、果實硬脆度等差異甚大，比較其他水果不易分級，如能將此分級機國產化，不但維修保養、零件取得方便，而且可大幅降低分級成本及提昇農業自動化程度。目前國內學術研究單位已針對分級心臟部分包含糖度、色澤等建立良好之基礎研究，正整合開發線上作業機，期待不久將有國產光波分級機造褔農民。

（作者聯絡電話：08-7229461轉157）

稻米成份測定技術與食味計

稻米成份測定技術與食味關係

．三久股份有限公司　許游鑲．

　　行政院農委會於90年12月4日在第二辦公室，舉辦稻米成份測定技術與食味關係講習會，參加成員有全國各管理處人員，及生產小包裝米之廠商。這次講習會由三久股份有限公司特別邀請到日本靜岡公司的專家來台授課，針對稻米成份測定器之原理、測定技術食味分析與實務運用，做詳盡的說明與指導。

　　台灣已加入W.T.O.稻米即將開放進口，對於國內稻米產業的影響甚距，因此唯有提昇稻米品質，才能強化我們的競爭能力。本次講習會採用三久公司 PS-500稻米成份測定器（如圖一），可測定出稻米的水份值、蛋白值、直鏈性澱粉質、脂肪酸度及食味的分數。食味質越高的稻米，可銷售到日本料理店，及建立優良的小包裝米品牌，賣得較好的價格，增加利潤。同時亦可做為育種農業經營指導成份分類、自主檢查採購混合米的管理和進貨檢驗等。

　　透過稻米成份測定器的分析，業者可作為管理的依據，藉以提昇稻米的競爭能力，期望在農政單位的帶領下，與碾米業界、農友們，大家共同打拼，為台灣的稻米開拓出更好的出路。

三久股份有限公司大里廠：台中縣大里市仁化路105號
TEL：04-2496-6699 FAX：04-2496-6688霧峰廠：台中縣霧峰鄉民生路396號
TEL：04-2339-7171　 FAX：04-2330-2939http：www.suncue.com
（作者聯絡電話：04-2496-6699）










飯的好吃程度之綜合評價，值越大，米飯越好吃

項目範圍測定對象	糙米	白米	備註
水份值	10.0%～17.0.%	10.0%～17.0.%	最適宜的水份為14.5%～15%
蛋白質	4.0%～11.0.%	4.0%～11.0.%	值越低，會比較有黏性、Q度
直鏈性澱粉	15.0%～30.0.%(總澱粉比)	15.0%～30.0.%(總澱粉比)	值越低，會比較有黏性（參考值）
脂肪酸度	5～100mg KOH/100g	--	值越小，表示沒有劣化（參考值）
分數(食味值)	40～100點	40～100點

大里廠：台中縣大里市仁化路105號
TEL：04-2496-6699 FAX：04-2496-6688
霧峰廠：台中縣霧峰鄉民生路396號
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國產高週波穀物水分計

國產高週波穀物水分計的研發

．三升農機科技公司 林加偉、黃豐源．

一、前　言

三升公司與中興大學陳加忠教授於去年共同開發，供多種穀物量測的檢驗型及線上型水分計。此水分計利用高週波原理，在不破壞被測物下，穿透穀物進行量測，並利用標準穀物校正技術進行校驗，符合最新國家標準規範。

早期台灣穀物水分計，都是以電阻式為主，除須將穀物碾碎外，可量測穀物品種又不多。同時也因所施的壓力不同，而造成量測誤差值過大，引起糾紛不斷。85年度稻米產量1,930,897公噸，1%誤差值可造成五億七千萬的差價(摘自：技術月刊88年第一期吳柏青教授文章)。因此想要有個較精確，好用的量測設備，都必須仰賴進口。目前國內外的水分計檢測原理不外乎有：電阻式、電容式、紅外線及烤箱等。每一種量測原理均有其應用範圍及優缺點(如下表)。雖然國內有廠商多次自行開發，但都功敗垂成。其關鍵在於校正曲線與標準穀物和電氣特性整合不易。三升公司自行開發出此類(高週波電容式)水分計並已量產，在國內外使用，其所象徵意義在於，高性能穀物水分量測儀器製造技術，已在國內生根。

	優 點	缺 點
電阻式	體積小、成本低、量測快	精確度低、品種少、破壞原料、量測範圍小
高週波電容式	精度高、品種多、即時顯示、非破壞性量測範圍廣	成本高、技術門檻高
紅外線	精度可、品種多、量測範圍廣	攜帶不便、量測時間長、須磨碎
烤箱法	精度高、品種多、量測範圍廣	不易攜帶、量測時間長

二、高週波水份量測原理

利用一高週波產生器，接於發射極板，再由發射極板通過被測物，以被測物當介質，直接含蓋及穿透到接收集板，再經由放大及轉換電路輸出。信號產生可由：不同的電波在不同的被測物下，以不同的瀕率可得最佳性能值，發射極板及接收極板可由金屬製成，放大及轉換電路視所需轉成電壓、電流或頻率，再經由標準水份及溫度效應對照出數據即可。說來簡單，但實際要做到並不容易，如該採用何種電波、何種頻率、極板大小、間距、材質及電路特性穩定等，又要結合標準穀物特性，實驗種類與次數，再再都考驗著性能結果是否夠水準，可說真是不易。

三、檢驗型機種

此型(SUN-800)應用於穀物較精確檢驗與分析(見圖一)，如：實驗室「穀物收購」測試對照等，其特點有：

1. 簡明的操作面板：面板共有四個按鍵，分別為：換頁、上、下、量測鍵，換頁鍵為功能擇之用，上/下鍵為數值修改或品種選擇，量測鍵用於量測時按下即可，使用非常容易。
2. 高週波穿透檢測：利用發射適當頻率的高週波，穿透被測物，觀察其在不同水分下的變化，不但無需破壞被測物，也不造成桌面的污染及原料浪費。
3. 量測快速精確：高週波可以接近電的速度(300,000 km/sec)進行量測，可即時精確量測顯示。
4. 完測自動排料：檢測完有自動排出功能，方便下次做檢測，可說是人性化的設計。
5. LCD及背光顯示：採用LCD液晶顯示板，中/英/泰字型皆有，配合背光功能，夜間也能看得清楚。
6. 列表分析輸出：備標準RS-232C輸出端子及一台印表機，可作為資訊電腦連線，及分析憑證用。
7. 多種物質測定：可測量多種穀物，甚至塑膠粒、砂土等，功能非常強。
8. 水分量測範圍值廣：在不需要換檔下，即可量測相當大的水分範圍(9%~30%)。
9. 日期/時間顯示列印：具有萬年曆功能，在列印數據時加上時間/日期，以方便對照查詢。
10. 自動溫度補償：在不同的溫度下，被測物所產生的特性變化，具有自動溫度補正功能。
11. 使用電壓廣：無論電壓:110V/220V或頻率：50/60Hz，國內/外皆適用。(範圍：AC/90~240V 50/60Hz)

圖一　檢驗型
　　　　　

四、線上型機種

　　線上型（圖二）可用於多款乾燥機或設備上，包括早期箱式，其目地在於提供乾燥機具有水分變化的判斷能力，以使乾燥機更加自動化，於不同的水分作出必要的動作如：降溫、關火、關機、冷卻、自動出料等，尤其大型箱式在國外仍在使用，到目前仍未安裝任何型式的水分計，必須使用定時或人工檢測，非常不便。還有輸送設備及儲存桶，不管白米、糙米、稻穀、玉米、小麥或高梁等，都可做生產管制、分類、或儲存監控，更可配合冷藏機做為自動保鮮功能，與電腦連線又可記錄存檔。此款水分計除自動關火關機外，還備有兩段水分控制設定點，無論做為米質調節或警報控制輸出，都非常有效。至於冷卻關機時間又可自由設定，不會造成冷卻不足或過久的現象，還配備風速檢測功能，可於乾燥設備通風處，檢測是否通風正常，警報點又可自由設定，與燃燒機連接可自動關火避免危險，水分值亦可修正，可說是一點也不輸國外產品。其特點如下：

1. 簡明的操作面板：面板同檢驗型機種。
2. 高週波穿透檢測：同檢驗型機種。
3. 量測快速：可線上即時量測顯示。
4. 適用多種穀物：更換品種IC可量測糙米、白米、長秈、短稻、玉米、高梁、大麥、小麥。
5. LCD及背光顯示：同檢驗型機種。
6. 兩段乾燥設定：乾燥過程採用兩段乾燥，可調節米質及提高乾燥速率。
7. 水分設定範圍大：設定範圍相當大，從10%~30%。
8. 水分量測範圍值廣：同檢驗型機種。
9. 冷卻時間自由設定：穀物乾燥完畢，通常都需要送風冷卻，其時間可從0~120分鐘。
10. 自動溫度補償：同檢驗型機種。
11. 使用電壓廣：同檢驗型機種。
12. 風速顯示設定：通風數據顯示，可了解乾燥機通風情況，配合警報設定，可保護機台。
13. 即時穀溫顯示：乾燥過程中，觀察穀物受熱情形，可提高米質及最佳乾燥速率。
14. EMT及浪管結構：採用金屬管及機械接頭，提高耐用度並防鼠類。

五、結語



圖二　線上型

檢驗型及線上水分計，為其制式化產品，已取得中華民國專利（專利字號：發明第132852號）。除此之外也有特殊的規格如：車載型、穀倉監測、輸送監測和水草分析等。三升公司接受客戶的委託設計製造特殊用途水分計。

三升農機科技股份有限公司地址：宜蘭縣三星鄉月眉街63號.
http://www.megasun.com.tw/TEL：03-9893175~6FAX：03-9893177
〔作者林加偉(如圖)聯絡電話：03-9893175〕