精細(xì)農(nóng)業(yè)起飛

譯 / 常儷

海外視角

精細(xì)農(nóng)業(yè)起飛

譯 / 常儷

今年，一些公司宣布將使用無(wú)人機(jī)運(yùn)送物資，這在行業(yè)內(nèi)引起不小的討論。隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，更多人使用無(wú)人機(jī)，與此同時(shí)，無(wú)人機(jī)的用途也更加廣泛，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展達(dá)到了新高度。很明顯，無(wú)人機(jī)的發(fā)展需要國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，但是，這與農(nóng)業(yè)有什么關(guān)系呢？

超過(guò) 70億的生命依靠人類刨開(kāi)地表淺層種植植物的特殊能力而生存。盡管這些農(nóng)作物穩(wěn)穩(wěn)地扎根于土壤，神奇的是，這些農(nóng)作物卻唯獨(dú)是靠天生長(zhǎng)的。

植物將水和二氧化碳通過(guò)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成糖（和水），陽(yáng)光和水是免費(fèi)的，勞動(dòng)力、燃料、農(nóng)藥和肥料是主要成本，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更多依賴的是土地。通常，由于成本和環(huán)保方面的原因，水也是要付費(fèi)的。為了使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)持續(xù)下去，以滿足不斷增長(zhǎng)的人口的需要（事實(shí)上，從你開(kāi)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(fā)展精細(xì)農(nóng)業(yè)的原因。

精細(xì)農(nóng)業(yè)的概念出現(xiàn)于 20 世紀(jì) 80 年代，那時(shí)我們當(dāng)中的大多數(shù)人無(wú)法想象如何將它實(shí)現(xiàn)，當(dāng)前的技術(shù)將精細(xì)農(nóng)業(yè)變成了現(xiàn)實(shí)。為了這些答案，我們?cè)俅窝鐾炜铡８鼫?zhǔn)確地說(shuō)是求助于 ISO/TC 20/ SC 16 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化分技術(shù)委員會(huì)的秘書(shū)長(zhǎng)Cortney Robinson，或者為人們所熟知的無(wú)人機(jī)。

迫切的需求

Robinson 是航空工業(yè)協(xié)會(huì)（AIA）民航基礎(chǔ)設(shè)施（Civil Aviation Infrastructure）的負(fù)責(zé)人，他召集了一個(gè)專家組制定無(wú)人機(jī)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) ISO 21384。他們正在做一項(xiàng)很有抱負(fù)的工作，包括通用規(guī)范、產(chǎn)品系統(tǒng)和操作程序三個(gè)部分的工作內(nèi)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(wú)人機(jī)的通用技術(shù)要求，不包括政府和軍事用途無(wú)人機(jī)。通用規(guī)范的第2部分提出了設(shè)計(jì)、制造和任何無(wú)人機(jī)的持續(xù)適航，后面的內(nèi)容將會(huì)提到；其涵蓋的內(nèi)容已經(jīng)超越了無(wú)人機(jī)本身。ISO 21384-3是關(guān)于操作程序的具體要求。標(biāo)準(zhǔn)制定的時(shí)間安排比較緊張，暫定于 2018 年發(fā)布。

對(duì)于業(yè)內(nèi)人士來(lái)講，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布還不夠快。“無(wú)人機(jī)的制造成本已經(jīng)大大降低了，這將有助于滿足無(wú)人機(jī)愛(ài)好者和商用無(wú)人機(jī)需求的探索，”Robinson 解釋道。我們可以從美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（FAA）維護(hù)的飛行設(shè)備注冊(cè)數(shù)據(jù)中，清楚地看到這一點(diǎn)。“盡管小型無(wú)人機(jī)是自愿注冊(cè)，但大多數(shù)愛(ài)好者選擇‘在飛行前獲知’的情況下注冊(cè)他們的無(wú)人機(jī)。注冊(cè)無(wú)人機(jī)的數(shù)量已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了跳躍式增長(zhǎng)。美國(guó) 2015 年注冊(cè)的飛機(jī)（載人和無(wú)人駕駛）大約有 260 000 架，目前僅無(wú)人機(jī)的注冊(cè)數(shù)量已超過(guò)750 000 架。”

低空飛行限制

公眾對(duì)無(wú)人機(jī)的關(guān)注隨之增長(zhǎng)。無(wú)論話題是否圍繞隱私、缺少經(jīng)驗(yàn)的操作者，還是對(duì)設(shè)備進(jìn)行不正確的改進(jìn)（可以從 YOUTUBE 上看到一些糟糕的例子），當(dāng)前在美國(guó)有 FAA 規(guī)范、行業(yè)指南和一些常識(shí)對(duì)這些問(wèn)題的回應(yīng)。AIA 作為美國(guó)航空和國(guó)防意見(jiàn)代表，正在與FAA一起努力將無(wú)人機(jī)系統(tǒng)整合進(jìn)美國(guó)國(guó)家空域系統(tǒng)。

不同國(guó)家的方法差別很大，但是在許多情況下，正如 Robinson 所說(shuō)的，“一個(gè)限制風(fēng)險(xiǎn)的方法是根據(jù)無(wú)人機(jī)的大小（總質(zhì)量包括有效載荷）和操作時(shí)其所處的高度進(jìn)行分類”。這樣便會(huì)產(chǎn)生一種風(fēng)險(xiǎn)分類，對(duì)于高風(fēng)險(xiǎn)類別，要求用戶有相應(yīng)的操作能力，就像坐在駕駛艙里操作一樣的能力。

在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中，無(wú)人駕駛飛行器可以在非常低的高度執(zhí)行任務(wù)（常常低于 120m，這是某些行政管轄區(qū)的上限），除了最大型號(hào)的設(shè)備需要專門(mén)的執(zhí)照以外，其他設(shè)備都可以運(yùn)行。很多無(wú)人機(jī)，尤其執(zhí)行繪圖任務(wù)的無(wú)人機(jī)，由軟件控制其執(zhí)行任務(wù)。

無(wú)人機(jī)能做的事很多

事實(shí)上，通過(guò)軟件遠(yuǎn)程操控正是無(wú)人機(jī)的特點(diǎn)。為了理解無(wú)人機(jī)和人們喜歡的飛行器模型，我們必須看看過(guò)去的飛行器技術(shù)本身。系統(tǒng)的機(jī)載部分是一個(gè)固定翼飛行器，像一架小型飛機(jī)；靠轉(zhuǎn)子提供動(dòng)力，通常是4個(gè)轉(zhuǎn)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(gè)專門(mén)建造的“飛行站”、一臺(tái)手提電腦或一部智能手機(jī)。無(wú)人機(jī)飛去哪兒，如何對(duì)其航線做出反應(yīng)以及應(yīng)該收集什么信息是先設(shè)計(jì)好的。多虧有指揮控制連接（系統(tǒng)的第三部分和最后一部分）維持地面與空中的交流，無(wú)人機(jī)和遠(yuǎn)程控制站才可以協(xié)同工作。涉及飛行器本身以外的其他方面內(nèi)容，也是 ISO/ TC 20/SC 16 工作的一部分。

用于農(nóng)業(yè)的飛行模式，通常需要在農(nóng)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(zhǎng)的地區(qū)，農(nóng)場(chǎng)面積達(dá) 1000hm2（單塊田約寬 2km、長(zhǎng) 5km）。步行 4h 才能繞其一周，而使用無(wú)人機(jī)，在同樣的時(shí)間可以飛遍整個(gè)區(qū)域。

一些問(wèn)題逐漸清晰。無(wú)人機(jī)能夠做到比農(nóng)民步行更快的準(zhǔn)確測(cè)量。照此規(guī)模，投入和潛在的節(jié)約是巨大的（這樣一塊農(nóng)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(zhǎng)環(huán)境是不同的（一些土壤深且濕潤(rùn)，一些土壤多石且干燥；一些區(qū)域存在有害的昆蟲(chóng)和菌類，而其他地塊可能沒(méi)有；一些植物會(huì)長(zhǎng)高，有些種子甚至不會(huì)發(fā)芽……）。

從像素到補(bǔ)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(nóng)民可以給最貧瘠的土壤施肥，只灌溉干旱的土壤和對(duì)有害蟲(chóng)的地段噴灑農(nóng)藥。這樣做不但可以節(jié)約大量資金，還可以實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)。節(jié)約資金、提高利潤(rùn)、采用高科技的耕作方式同時(shí)保護(hù)環(huán)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(dòng)？軟件公司 Pix4D 的圖像處理專家兼農(nóng)業(yè)方案經(jīng)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(kāi)發(fā)的機(jī)構(gòu)，這些軟件可以將無(wú)人機(jī)收集的信息轉(zhuǎn)化為圖像，F(xiàn)ernandez將無(wú)人機(jī)收集回來(lái)的信息稱作“調(diào)查級(jí)，以輻射度測(cè)量的、按幾何級(jí)數(shù)的、準(zhǔn)確的二維反射圖（NDVI map 的基礎(chǔ)信息）和正射影像地圖，三維點(diǎn)云與表面模型一樣。

軟件應(yīng)用廣泛，從不動(dòng)產(chǎn)和測(cè)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(duì)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(fā)揮作用的呢？ Fernandez 解釋說(shuō) ：“這基本上分為三個(gè)階段 ：首先在飛行中收集數(shù)據(jù)；然后，百萬(wàn)級(jí)的數(shù)據(jù)點(diǎn)被解讀和重新組合生成準(zhǔn)確顯示植物情況的信息圖；最后，農(nóng)民或通常是農(nóng)學(xué)顧問(wèn)基于生成的指標(biāo)圖制定補(bǔ)救方案。”這個(gè)補(bǔ)救方案將制定出土地的每個(gè)部分的投入級(jí)別。

遠(yuǎn)不止于此

需要指出的是，無(wú)人機(jī)經(jīng)常要攜帶比普通攝像機(jī)精密的儀器。“農(nóng)業(yè)方面，最常用的是多光譜傳感器。它與攝像機(jī)類似，但多了五個(gè)相互獨(dú)立的鏡頭，每個(gè)應(yīng)對(duì)不同顏色的光。”其中有些波段是人眼捕捉不到的，但對(duì)光合作用非常重要。那么無(wú)人機(jī)是如何發(fā)揮作用的呢？ Fernandez 講到 ：“一定波長(zhǎng)以外的光會(huì)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(chóng)的侵害，即便是在癥狀被觀測(cè)到之前。農(nóng)場(chǎng)的工作人員可以基于此，進(jìn)一步觀察植物，發(fā)現(xiàn)并處理問(wèn)題。”

其中一種典型的信息圖是 NDVI，它能顯示出從地面上觀測(cè)不到的，或常規(guī)照片不能顯示出的田地中的裸點(diǎn)。“它是可信賴的氫氣壓力指示器，”Fernandez講道。租用或購(gòu)買(mǎi)一套專業(yè)的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)是值得的，因?yàn)榭梢园l(fā)現(xiàn)反復(fù)出現(xiàn)的壓力模式，這就意味著可以針對(duì)問(wèn)題制定長(zhǎng)期計(jì)劃，農(nóng)民可以從土地上獲得逐年增長(zhǎng)的最大收益。”

可以投入得更少

隨著人口的增長(zhǎng)，資源和土地方面的壓力也不斷增長(zhǎng)。雖然未來(lái)會(huì)有提高生產(chǎn)能力的新方法，但是，似乎不會(huì)有像 20世紀(jì)初期那樣的效果——借助于哈勃-博施法和復(fù)合肥將產(chǎn)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(zhuǎn)化進(jìn)1kg的肥料中的做法，少施一些肥料得到同樣的結(jié)果似乎是可行的。

在農(nóng)作物營(yíng)養(yǎng)和保護(hù)方面采用最新技術(shù)，可持續(xù)性地用水和基于可靠數(shù)據(jù)制定耕作計(jì)劃，看起來(lái)是可行的方式。最新一代無(wú)人機(jī)，將這個(gè)可能性不斷擴(kuò)大。隨著無(wú)人機(jī)應(yīng)用范圍和使用人群的擴(kuò)大，迫切需要發(fā)布相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，以確保安全，并從技術(shù)中獲得最大收益。幸運(yùn)的是，ISO/TC 20/SC 16 正在努力進(jìn)行這方面的工作。

（原文標(biāo)題：Precision farming takes off，

作者：Barnaby Lewis，譯自ISO官網(wǎng)）