精細農業起飛

譯 / 常儷

海外視角

精細農業起飛

譯 / 常儷

今年，一些公司宣布將使用無人機運送物資，這在行業內引起不小的討論。隨著相關技術的發展，更多人使用無人機，與此同時，無人機的用途也更加廣泛，無人機系統的發展達到了新高度。很明顯，無人機的發展需要國際標準，但是，這與農業有什么關系呢？

超過 70億的生命依靠人類刨開地表淺層種植植物的特殊能力而生存。盡管這些農作物穩穩地扎根于土壤，神奇的是，這些農作物卻唯獨是靠天生長的。

植物將水和二氧化碳通過太陽能轉化成糖（和水），陽光和水是免費的，勞動力、燃料、農藥和肥料是主要成本，農業生產更多依賴的是土地。通常，由于成本和環保方面的原因，水也是要付費的。為了使農業生產持續下去，以滿足不斷增長的人口的需要（事實上，從你開始閱讀這篇文章，地球上又有 50 人出生了），我們需要更好地利用這些資源，這就是發展精細農業的原因。

精細農業的概念出現于 20 世紀 80 年代，那時我們當中的大多數人無法想象如何將它實現，當前的技術將精細農業變成了現實。為了這些答案，我們再次仰望天空。更準確地說是求助于 ISO/TC 20/ SC 16 無人機系統標準化分技術委員會的秘書長Cortney Robinson，或者為人們所熟知的無人機。

迫切的需求

Robinson 是航空工業協會（AIA）民航基礎設施（Civil Aviation Infrastructure）的負責人，他召集了一個專家組制定無人機國際標準 ISO 21384。他們正在做一項很有抱負的工作，包括通用規范、產品系統和操作程序三個部分的工作內容。值得指出的是，盡管政府希望參與其中，但第1部分只涉及民用和商用無人機的通用技術要求，不包括政府和軍事用途無人機。通用規范的第2部分提出了設計、制造和任何無人機的持續適航，后面的內容將會提到；其涵蓋的內容已經超越了無人機本身。ISO 21384-3是關于操作程序的具體要求。標準制定的時間安排比較緊張，暫定于 2018 年發布。

對于業內人士來講，國際標準的發布還不夠快。“無人機的制造成本已經大大降低了，這將有助于滿足無人機愛好者和商用無人機需求的探索，”Robinson 解釋道。我們可以從美國聯邦航空管理局（FAA）維護的飛行設備注冊數據中，清楚地看到這一點。“盡管小型無人機是自愿注冊，但大多數愛好者選擇‘在飛行前獲知’的情況下注冊他們的無人機。注冊無人機的數量已經實現了跳躍式增長。美國 2015 年注冊的飛機（載人和無人駕駛）大約有 260 000 架，目前僅無人機的注冊數量已超過750 000 架。”

低空飛行限制

公眾對無人機的關注隨之增長。無論話題是否圍繞隱私、缺少經驗的操作者，還是對設備進行不正確的改進（可以從 YOUTUBE 上看到一些糟糕的例子），當前在美國有 FAA 規范、行業指南和一些常識對這些問題的回應。AIA 作為美國航空和國防意見代表，正在與FAA一起努力將無人機系統整合進美國國家空域系統。

不同國家的方法差別很大，但是在許多情況下，正如 Robinson 所說的，“一個限制風險的方法是根據無人機的大小（總質量包括有效載荷）和操作時其所處的高度進行分類”。這樣便會產生一種風險分類，對于高風險類別，要求用戶有相應的操作能力，就像坐在駕駛艙里操作一樣的能力。

在農業應用中，無人駕駛飛行器可以在非常低的高度執行任務（常常低于 120m，這是某些行政管轄區的上限），除了最大型號的設備需要專門的執照以外，其他設備都可以運行。很多無人機，尤其執行繪圖任務的無人機，由軟件控制其執行任務。

無人機能做的事很多

事實上，通過軟件遠程操控正是無人機的特點。為了理解無人機和人們喜歡的飛行器模型，我們必須看看過去的飛行器技術本身。系統的機載部分是一個固定翼飛行器，像一架小型飛機；靠轉子提供動力，通常是4個轉子，常被稱為“四軸飛行器”（quad-copter）。其他部件包括地面控制部分、一個專門建造的“飛行站”、一臺手提電腦或一部智能手機。無人機飛去哪兒，如何對其航線做出反應以及應該收集什么信息是先設計好的。多虧有指揮控制連接（系統的第三部分和最后一部分）維持地面與空中的交流，無人機和遠程控制站才可以協同工作。涉及飛行器本身以外的其他方面內容，也是 ISO/ TC 20/SC 16 工作的一部分。

用于農業的飛行模式，通常需要在農作物壟間上下重疊飛行。想象一下加拿大的小麥田。在適合谷物生長的地區，農場面積達 1000hm2（單塊田約寬 2km、長 5km）。步行 4h 才能繞其一周，而使用無人機，在同樣的時間可以飛遍整個區域。

一些問題逐漸清晰。無人機能夠做到比農民步行更快的準確測量。照此規模，投入和潛在的節約是巨大的（這樣一塊農田每年需要 150t氮肥肥料）。這么大面積土地的不同位置能提供給植物的生長環境是不同的（一些土壤深且濕潤，一些土壤多石且干燥；一些區域存在有害的昆蟲和菌類，而其他地塊可能沒有；一些植物會長高，有些種子甚至不會發芽……）。

從像素到補救措施

如果能夠繪制一張清晰的包括所有土壤信息的圖，那么農民可以給最貧瘠的土壤施肥，只灌溉干旱的土壤和對有害蟲的地段噴灑農藥。這樣做不但可以節約大量資金，還可以實現高產。節約資金、提高利潤、采用高科技的耕作方式同時保護環境。

但是，如何繪制這張信息圖，而且如果有了這樣的圖，該如何行動？軟件公司 Pix4D 的圖像處理專家兼農業方案經理 Jorge Fernandez 了解這些。2011 年，在瑞士洛桑成立了一家致力于前沿軟件開發的機構，這些軟件可以將無人機收集的信息轉化為圖像，Fernandez將無人機收集回來的信息稱作“調查級，以輻射度測量的、按幾何級數的、準確的二維反射圖（NDVI map 的基礎信息）和正射影像地圖，三維點云與表面模型一樣。

軟件應用廣泛，從不動產和測量，到為全球最古老的再生植物的二氧化碳攝取研究、提供新研究視角的加利福尼亞巨杉3D模型。但是，對于為人類提供能量的植物，那些每年播種、收獲和被吃掉的植物，這些軟件是如何發揮作用的呢？ Fernandez 解釋說 ：“這基本上分為三個階段 ：首先在飛行中收集數據；然后，百萬級的數據點被解讀和重新組合生成準確顯示植物情況的信息圖；最后，農民或通常是農學顧問基于生成的指標圖制定補救方案。”這個補救方案將制定出土地的每個部分的投入級別。

遠不止于此

需要指出的是，無人機經常要攜帶比普通攝像機精密的儀器。“農業方面，最常用的是多光譜傳感器。它與攝像機類似，但多了五個相互獨立的鏡頭，每個應對不同顏色的光。”其中有些波段是人眼捕捉不到的，但對光合作用非常重要。那么無人機是如何發揮作用的呢？ Fernandez 講到 ：“一定波長以外的光會告訴我們一些信息，比如，植物是否被壓到，或者是否受到了害蟲的侵害，即便是在癥狀被觀測到之前。農場的工作人員可以基于此，進一步觀察植物，發現并處理問題。”

其中一種典型的信息圖是 NDVI，它能顯示出從地面上觀測不到的，或常規照片不能顯示出的田地中的裸點。“它是可信賴的氫氣壓力指示器，”Fernandez講道。租用或購買一套專業的無人機系統是值得的，因為可以發現反復出現的壓力模式，這就意味著可以針對問題制定長期計劃，農民可以從土地上獲得逐年增長的最大收益。”

可以投入得更少

隨著人口的增長，資源和土地方面的壓力也不斷增長。雖然未來會有提高生產能力的新方法，但是，似乎不會有像 20世紀初期那樣的效果——借助于哈勃-博施法和復合肥將產量提升4倍。但是，考慮到利用等效能量，用1升燃油將空氣中的氮轉化進1kg的肥料中的做法，少施一些肥料得到同樣的結果似乎是可行的。

在農作物營養和保護方面采用最新技術，可持續性地用水和基于可靠數據制定耕作計劃，看起來是可行的方式。最新一代無人機，將這個可能性不斷擴大。隨著無人機應用范圍和使用人群的擴大，迫切需要發布相關國際標準，以確保安全，并從技術中獲得最大收益。幸運的是，ISO/TC 20/SC 16 正在努力進行這方面的工作。

（原文標題：Precision farming takes off，

作者：Barnaby Lewis，譯自ISO官網）