2020年08月10日
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集結稻農的眼睛 褐飛蝨智能化監測與警示系統

文.圖/賴明信 行政院農業委員會農業試驗所研究員 陳博勳 財團法人工業研究院資訊與通訊研究所生醫與工業積體電路技術組副理 黃守宏 行政院農業委員會農業試驗所嘉義分所副研究員 李長沛 行政院農業委員會農業試驗所副研究

氣候變遷,氣象、病蟲及雜草等因素,造成全球農業損害風險日益提高,傳統或現今的田間管理經驗及應變能力,已經不足以應對環境對生產穩定性的衝擊。

全球暖化加劇蝨害 褐飛蝨智能化監測與警示系統的緣

褐飛蝨是國內二期作水稻最重要的害蟲,也是全球稻作產業重要的蟲害,根據聯合國糧食及農業組織(FAO)統計,褐飛蝨平均每年在亞熱帶稻作國家造成三至四成的產量損失。褐飛蝨屬於刺吸式昆蟲,利用口器插入稻稈,吸取稻株養液,由於體型細小,不易觀察;隨著生育環境變化,蟲型有分長翅與短翅兩種,雄蟲體長2.0~4.2公釐,雌蟲體長2.7~4.8公釐,喜歡群集於稻叢基部,增加觀察與監測的困難度。對稻株造成危害情況有直接與間接兩種,直接情況是褐飛蝨會導致稻株黃化,影響稔實率,當族群密度高時,更可能導致稻株迅速枯萎倒伏,若田區全面發生枯萎,則稱之為蝨燒現象;間接情況是褐飛蝨可以傳播病菌,引起煤污病、草狀矮化病及皺縮矮化病。

目前褐飛蝨蟲害防治最有效的方式是適時且合理適量使用合法的推薦農藥。藥劑噴灑時機在臺灣有兩種依據,一是農民自身的種植防治經驗,二是國內警示系統發布。農民依賴前人或過往經驗,容易發生浪費及防治效益不彰,進而發生藥劑殘留的食安問題;而警示系統的發布又面臨專家或專職人員日漸稀少,經驗無法傳承,導致族群密度掌握誤差偏大,以及能夠提供的即時資訊量非常有限。氣候暖化之下,面對褐飛蝨繁殖加速、發生時期及頻度加劇的情境,防治策略的擬定與決斷都必須簡易快速,才能超前布署,因應從容。 「褐飛蝨智能化監測與警示系統」就是因應上述面臨問題而研發的系統,希望建置一個系統,讓農民與農業專家能夠共同參與使用。農民使用此系統,可以輕鬆監測田區的褐飛蝨數量密度,作為決斷是否進行防治的依據;農業專家可以透過本系統,彙整各地褐飛蝨族群密度資訊,進行全國褐飛蝨流行分布趨勢分析,提供農政單位適時發布預警與防治。

防蟲怎麼做?先把蟲拍起來 褐飛蝨智能化監測與警示系統的功

褐飛蝨智能化監測與警示系統包含四個功能:褐飛蝨影像資料庫、褐飛蝨影像辨識核心系統、手機取像自拍棒及使用者介面。分述如下:

一、褐飛蝨影像資料庫

為了利用機器學習技術開發褐飛蝨影像辨識系統,必須先收集褐飛蝨的影像資料。於農田及養蟲室架設多支影像感測器,以縮時攝影方式每半小時擷取稻株上褐飛蝨影像,影像規格至少1,600萬畫素,擷取的影像再以人工裁切分類,有褐飛蝨及部分背景的圖像稱為正樣本圖像,無褐飛蝨的植株圖像稱為負樣本圖像;樣本圖像會以電腦自動裁切程式,裁切成不同區塊與不同樣式,建立褐飛蝨影像資料庫,並以人工方式做第二次確認與分類,確保收集到的樣本是可用的,目前累積的褐飛蝨危害稻株原圖超過10萬張。

二、褐飛蝨影像辨識核心系統

此系統利用可見光光譜分析技術作可見光波段的分類,過濾受褐飛蝨危害的稻株原圖中不需考慮的面積,減少原圖辨識區域範圍,再由褐飛蝨影像辨識機器學習演算法應用技術判定是否為褐飛蝨。機器學習架構採用深度學習技術(deep learning),在這類的深度學習技術中,不僅可以透過大量的訓練資料自動學習出具有鑑別度及代表性的影像特徵,更能建構出一套從低階特徵(lowlevel feature)到高階特徵(high-level feature)的分層式影像特徵。透過害蟲影 像資料庫的建置,自行收集大量的害蟲圖像作為訓練資料,應用自行建置針對害蟲分類議題(deep convolutional neural network, DCNN)分類器進行辨識。褐飛蝨影像辨識核心系統目前已完成整合Google雲端平臺上。

三、手機取像自拍棒

褐飛蝨偏好聚集於水稻基部,為了農民容易取得基部照片,以及取得品質清晰的照片,以利提高辨識系統作業的效率與準確性,設計手機取像輔助器。此輔助器律定了照相的距離、角度與高度,輔助器的底座有兩個支撐點,可防止相機晃動。透過藍芽無線控制拍照,自拍棒還可伸縮,使用者不須彎腰便能取像,任何手機種類都能搭配使用,方便又輕鬆。

農民利用自拍棒在田間拍攝褐飛蝨影像。

四、使用者介面

利用Django與Java整合出使用者所需的功能,其功能包括藉由App(目前僅支援Android系統)取像後,以4G LTE網路上傳至Google雲端平臺,取像時間最好在陽光較弱的下午4點之後或上午8點之前。上傳至雲端後,啟動後端影像辨識核心系統並輸出危害程度,危害程度目前支援三種等級,分別以綠、黃、紅三種顏色分類,綠燈代表褐飛蝨族群數量不高,不會有危害的疑慮,無須防治;黃燈代表褐飛蝨族群數量即將達到經濟損害限界(economic threshold);紅燈代表已經超過經濟損害限界,必須立即進行防治手段,不然產量將嚴重受損。此危害程度回饋至Google地圖上,顯示結果呈現於使用者手機或者網頁中,使用者可透過網頁或手機App即時得知田間的褐飛蝨族群密度。

※若有App需求或想知道更多相關資訊,請洽行政院農業委員會農業試驗所賴明信研究員。電話:(04)2331-7103。

 

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