生物產業機械: 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）