神「機」妙算–無人飛機技術在農業上的應用
104/04/28
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張聖函｜
慕尼黑工業大學農業生產與資源經濟研究所博士候選人
今（2015）年一開場，從德國商會（IHK）、西門子（Siemens）、寶馬（BMW）到辦公及資訊科技中心（CeBIT）展，最熱門的話題就是「工業4.0」。工業4.0強調以自動化、物聯網（internet of things, IoT）的方式來對整個產業架構進行全新的革命，以達到最節能、最友善環境、最品質優化和低成本的工業生產體系。工業4.0的概念應用在農業上，簡稱「農業4.0」，無人飛機（drone）在整個農業4.0的推動上扮演至關重要的角色。
飛機在農業上的應用已經非常普遍，早期的媒體報導已可看到美國、澳洲擁有大片農地的農民，駕駛著小型飛機，自在地飛越不同區域，進行農藥、肥料的噴灑，在日本，政府單位也會派遣小飛機，針對由許多小型農戶耕作的大片農田進行特定農藥的噴灑，以防治病蟲害。
上述噴灑方式存在著許多問題，除了每次飛行的成本相當高，即使對美國的超級大農或政府單位也是不小的負擔，對小型農戶根本是天方夜譚。如果想要對農藥、肥料，或水資源的利用進行優化，就必須在第一趟飛行時，先駕駛小型飛機觀測農田的狀況，收集資料後進行分析，再由第二趟飛行來噴灑。可想而知，這樣的做法並不符合成本效益，而無人飛機技術的革新，為上述困境提供了絕佳的解決方案。
從小型農戶到超級大農，都可自行選擇不同大小的無人飛機來監測農田，以達到最佳化的農藥與化肥使用。雖然農業用無人飛機還在非常初期的開發與導入階段，但基本上都已搭載攝影機以及用於分析農田狀況的感測器，並具備自動駕駛系統，農民只要設定好農田的區域與飛行停留時間，無人飛機就可自動起飛、巡航與降落。農民可透過攝影機鏡頭即時觀察農田的狀況，或是等待飛行完成、收集資料後再進行分析。依據分析的結果，農民可以最優化的方式，針對不同農田區塊作物生長和病蟲害的狀況，進行相關農藥及肥料噴灑量的設定。在下一趟飛行時，無人飛機就可以按照設定值，自動對不同農田區塊做最佳化的噴灑，甚至可以避開不需噴灑的區塊。
在農業4.0的概念之下，因為無人飛機的飛行成本低，可頻繁地飛行，一方面農民可在短時間內持續監控農田的狀況，分區塊進行最優化的農藥與化肥施用，對水資源也能做最有效的管理，使農民大幅減少農業生產成本，進而提升其相對收入，改善生活品質。另一方面，因為農藥、化肥與水資源得以有效率地使用，對環境的破壞大幅減少，水資源得到涵養，使農業生產和環境保護達到平衡。
用於農業的無人飛機，技術上的發展主要著眼於容易操作，可在小範圍內起降，也可對極小範圍進行照相、攝影、拍攝熱成像畫面，並提供自動駕駛、巡航，或遙控操作等功能。
位於瑞士洛桑的Sensefly公司，是世界知名的小型無人機開發公司，已被法國遙控飛機大廠Parrot併購，用來拓展其農業與救災用無人飛機的領域。採用四軸螺旋翼的最新eXom，在每一軸螺旋翼的中心點上都裝有感測器來偵測環境狀況，以導引飛行、避開障礙物，同時在每一軸螺旋翼都加裝了保護圈，增加安全與可靠性。機身以黃蜂為造型，黃蜂的頭為一個三維顯像鏡頭，提供最廣的視角和拍攝畫面。
毫無疑問的，eXom當然具備了先進的駕控系統，農民可選擇自動起降、巡航，或想享受自己遙控飛行的樂趣，目前Parrot正將這套系統積極推廣給法國的小型農戶使用，透過他們的回應，來進一步改良系統。
除了農業大國法國正積極將無人飛機應用於農業上，另一農業大國德國，也正積極開發其農業無人飛機技術。位於德國巴伐利亞慕尼黑的Quantum Systems公司，已經在教導農民使用其開發的多軸螺旋翼無人飛機，來監控農田的狀況，制定最符合成本，對環境傷害最少的農藥及肥料施用方式。
相較於Sensefly四軸螺旋翼的設計，Quantum Systems的無人飛機採用章魚式的八軸螺旋翼設計，不僅有更高的飛行穩定性和可靠性，還可乘載5公斤的物品，並安裝高解析的光學攝影機，可空拍農田的多頻譜影像，熱成像，更有效觀察肥料及農藥的施用狀況，以達到最佳化的使用配比。
Quantum Systems的開發人員在與德國巴伐利亞的農民溝通討論後，發現有許多中大型的農戶，感受這種以螺旋翼為基礎設計的無人駕駛機有飛行範圍小以及飛行速度慢的缺點，無法在短時間內進行大範圍的巡航，也沒有辦法承載農藥與肥料直接進行噴灑，有必要導入雙機翼的無人飛行機來克服以上困境。然而，另外的問題又產生了，雙機翼的飛機在起降時，需要有一定長度和規格的跑道來進行，這對農民而言，大幅增加額外的成本，可行性也大大降低。在深入思考問題後，Quantum Systems的開發人員進行了有效的技術創新，成功完成了全世界首架由螺旋翼進行起降，雙機翼進行大範圍飛行的小型農業用無人駕駛機。
這台螺旋翼起降雙機翼無人飛機同樣搭配先進的自動起降與巡航系統，目前正有德國巴伐利亞的大型農戶在試用，估計每年可為該農戶在不減少產量的狀況下，降低兩成的農藥和肥料使用量，並減少許多噴灑農藥和施肥的工作與時間，可更輕鬆地完成農業生產。
無人飛機幫助農民以更即時、更低成本與更少的勞動方式，進行農業生產，對政府單位而言，採用無人飛機，可對當地的農業做最完整的監控與認證，最後達到改善農民生計、對環境更友善，與提供消費者少農藥化肥農產品的多贏局面。配合未來工業與農業4.0的發展，無人飛機也導入物聯網，甚至可以由中央電腦系統自動安排航班，分析農作物生產狀況，再由機器人填充農藥肥料，自動執行飛行至特定區域噴灑。即使農民在夏威夷度假兩周，也能即時監控農田的狀況，時時對整個自動化的農業生產鏈下達更新的指令，讓農業生產變得更有效率、更環保。
