无线感测器与独立气象站收集监测资料作为灌溉规划精准施肥

    未来农耕面对生态困境，智慧农业是解决方针？农业，是相当早期的文明，当人类可以在一地点定居、不用随着山牧季移时，稳定的粮食来源成了奠定社会发展的基石，加速工业世代的更迭，更有什者，工业发明还能促成农业迈向现代化。然而，爆炸式进展的文明为社会留下诸多问题，如土地破坏、环境污染增加、天然资源逐年递耗以及粮食生产人力负担加重等，如今，人们不仅要思考未来粮食供给安全的问题，还要替现有环境提出修复方案。对于随之而来的工业与资讯混合革命，人类是否能重新思考生存发展方向，为环境与生命建构永续的生活方针？从生物学家布劳格（Norman Ernest Borlaug）改良出具抗病能力、产出高的小麦以来，常规的农业呈化约式；意即在机械的发明与石化工业合成诞生后，土地操作方式迈向大规模单一化。这种以最小养分定律（minimumlaw）供应植物生长所需的无机矿物，或以大量药剂控制杂草、病虫害、储存等问题的方式，是为绿色革命（Green Revolution），并替代由化学及工业控制培养生命物质的方法。前两次的绿色革命也许使粮食产量提升，但从未考虑污染留下的外部化成本，使耕种环境面临风险。
 
    目前，第三次绿色革命目前正隐隐作动，我国政府也正积极投入智慧农业（Smart farming）4.0发展计划，以数位科技辅助粮食智慧化生产定调。回顾过去几十年间国际上被提起的粮食生产提案──农业生态学（agroecology）、可持续性农业（sustainable agriculture）、精准农业（precision agriculture）、气候智能型农业（climate-smart agriculture）、循环农业（ecological recycling agriculture）以及碳汇农业（carbon Farming）等，在概念上互有重叠或分歧的意见，唯一不变的是，必须将整体自然环境纳入生产考量。农业转型过程中将引入更多资讯及生物科技，新的发明是否能加入环境的设计思维并师法自然，创造共享、平衡及永续的循环进而减少污染与重复使用的问题，将会是关键的议题。只要能运用新的知识与适切的工具，或许仍能以科学与智慧重构、实践更有机的环境与生活。     奠定智慧农业的根基——谈农业资料数位化。人类的执行计划过程，是由感官接收来自外在讯息（sense），经大脑储存、组织、思考（think），接着会做出决定并加以行动（act）。智慧农业的核心依赖大量资料来源，才能综合分析并作出决策，因此将农业科学资料数位化成了首要优先的工作。以下笔者以自身经验，提出几项农业数据工具供读者了解。
 
    基础环境数据：阳光、空气、水与土壤，针对各地区植物生长过程中的阳光、空气、水与土壤等环境资讯进行搜集，所得的巨量环境数据资料将有益为不同的农作物安排合适的环境。以阳光为例，光合作用为植物生长的重要机制，原生在不同纬度之植物，有其适合的光周期范围；透过仪器捕捉阳光的日射量、紫外线等资讯，可初步判定来自不同国家的作物可能适合的种植月份。与空气有关的测定与分析主要包括温湿度、大气压力、风速、风向、氧气、二氧化碳与空气品质等类别。像温度对栽培作物影响就很大，植物有其适合生长温度，超过低温或高温极限时会造成生长障碍，不同生长期也有不同的最适生长温度，甚至日夜温度差距也会间接影响食用的风味；空气湿度与通风性会影响植株及土壤水分的蒸散，或造成闷热、闷湿问题，进而引发病虫害；风力较强处容易使植株受损，可适当调节防护，减低栽培风险；温室内则应注意二氧化碳消耗，户外应注意附近是否有空气污染，影响作物生长与健康。植物体内重要组成物质──水，则参与了植物有机物质合成与生理代谢，并可促进养分吸收及传输，此外水还能调节植物热量以维持温度或避免晒伤；从物理的角度来看，水能使植株维持一定膨压并具有弹性，能够抵抗物理影响。水分的多寡对植物的影响也不容小觑，倘若水分过多，如连日降雨及田间积水，容易造成根部缺氧并开始腐烂；水分太少则无法供应植物所需，进而使其凋萎。另外，由于植物会直接吸收水分，如有污染，将严重危害健康，故应推动灌溉水源水质监测。土壤科学就相当复杂的，其内含有机物质及无机矿物，也有土壤里的生态圈，通常在特性上会以物理及化学性质来观测。在田间能够直接量测的有土壤温度、土壤含水率、土壤酸碱值（pH）与土壤电导度（EC）等，种植前可将土壤采样送至农业改良场等研究单位进行检测分析，了解其营养成分是否过多或缺乏，并注意有无重金属污染。此连结为农业改良场之作物营养诊断分析程序，可看到有关土壤、堆肥、叶片及灌溉水采样与检送分析的过程。

    从耕作到贩售都派得上用场的资料库除了外在环境的调整外，从作物本身到贩售的这一条链结，也能透过资料库的使用将效益最大化。作物资料库标记植物从种子阶段、生长过程、遗传学、逆境条件、植株型态、生态特性以及营养需求等讯息，为智慧农业最基础却也最重要的工作。关于田间各种益、害虫与植物间的生态条件与好发环境，可在潜伏期及征兆出现时运用病虫害资料库提早警觉，改善田区物理特性，加强作物抵抗力并营造有益生态；若需采取防治措施，则优先采取非农药防治，或以科学方式分析，精确用药。市场行情资料库则记录农产品销售价格及消费者消费喜好，借以分析、调配市场品项供需，避免生产过剩并维持价格稳定。遥测技术、地理资讯与田间生态记录，为长期监测、观察空间上土地的使用变化，人们运用遥测（remote sensing）技术搭配地理资讯系统检视农地可能遭遇的问题，其亦可于灾后也可快速评估受损情形。目前，遥测技术分为空载（airborne）及星载（spaceborne），空载部分使用飞机、直升机、轻型无人飞行载具（unmanned aerial vehicle, UAV）与高空气球，星载部分即为卫星；卫星影像的解析度日前到达50公分；无人飞行载具依飞行高度，解析度将可达10公分以下。在地面上，由农友协助执行的田间记录可作为每一块田地的生命履历──长期累积的田间记录记载人为及自然发生的事件，藉由事件可推演土地变化之过程；短期田间记录为农作物的生产追溯，提供消费者安心的食材来源。除了上述几项量测与资讯作业外，农业科研和技术研发人员亦需扩充领域知识。农业线上辞典库应囊括农业各学科，并依词汇功能加以分组标记，以图文内容解释各学科体系中之名词表达、科普原理、技术操作及历史文化等释义，以供入门农业生产经营者查询、学习。     感测让农业更「感性」——发挥农业科研价值。上述资料采集，可粗略分为「人工观测记录」与「装置自动记录」。过去，农友可能会在家门外挂设温湿度计，以便出门前观看，并在一天忙碌后以日历或笔记本记下农务作业进度；而现代，许多「数位农民」带着行动装置下田，以影像观察作物生长健康状态及田间生态调查，并使用手机行事历进行工作排程，或以试算表计算每季收益。在资通讯设备的辅助下，高空中有气象卫星观测天气变化，亦有资源卫星监测土地及水资源利用状况；而地面上的农业物联网（Internet of Things, IoT）装置渐渐部署到田间，将农田里的环境资讯上传到云端系统储存，农友在巡田管理上会更加即时、便利，也可以更细部观察田间微气候差异。皆提升了人机互动的频率，网际网路的发达使资讯流通更快速，讯息服务开始成为未来的商业模式。
 
    各项感测器与农业大数据的逐步盛行，是否能为农业带来新的契机？以下带读者看看国内外各项实例。农业气象站首先介绍我国政府的农业气象站与农业气象记录。农业气象站的设立虽年过50载，但在内容上，无论是分布数量上还是资讯提供皆有大幅成长，截至2016年止，农业观测站数量从过去的15座来到现今的41座。设置在农业区的一级气象站，弥补了一般非农业区自动站的不足，其所观测的项目包括平均∕最高∕最低气温、露点温度、相对湿度、降雨量、平均风速、瞬间最大风速与风向、最多风向、日射∕照量、蒸发量与气压等多个项目，除了能可更精确地反应耕地气候状况，研究人员依此可提供天气资讯、病虫害预警、作物丰歉预估或品种试验等，农友可加入各区域农业改良场之行动网页或订阅微信通知，更智慧化的提早规画农事，降低气候不稳定的风险。（目前，各农业改良场服务区域如表一所示。）
 
    水田感测器及水闸门。在水资源管理方面，由于近年受极端气候影响、降雨月份差异不均，因此也为农业带来一些问题，尤其在水生作物栽培上经常令农友困扰不已。搭载水温、水位、空气温湿度感测模组，可即时掌握田间水位，降低巡田成本，节省用水量。另外，由笑农和株式会社开发的自动水闸门，其闸门式的灌溉模组，可藉由手机远端控制闸门升降，进而调节灌溉水量，为智慧化的水田控管模组示意图。田间感测器及节水栽培系统。水肥管理在旱作栽培中，为作物健康与品质的重要关键，然而以往农民只能以植株样态判断根系在土壤里的环境情形。藉由埋入土壤中的感测器或探针，可得知根系温度、土壤含水量及盐离子浓度，搭配布建好的灌溉设施，农民可将灌溉水及定量配比的液态肥，以雾化或滴灌方式供应给植株，如此一来不仅减少人力，对于作物在不同生长阶段的水肥需求，能依据以往经验更精细地作调整。     遥测影像及地理资讯系统。对于大面积及多田区管理，地理资讯系统与遥测影像显得更加重要。透过地理资讯系统描绘，不同田区的差异将能更容易显示出来；而来自卫星或无人机的影像，搭载多光谱摄影机，经伺服器影像处理后可反应作物健康情形。此外，系统定期为大气与土地资讯产生快照最大的好处，即农友可回顾历年来栽培产量与气候的关联性。作物资料库及作物生长模型，作物资料库来自农友与研究者长期努力的成果。传统农民查看农民历，现今则可依照不同农业气候区、作物属性与市场需求来选择更适合的作物。大数据农业的运算方程式来自作物生长模型，建立完整的作物方程式，才能真正具备「智慧决策」，体现「精准农业」之精神。日前，已有公司正运用统计遗传学及各地区作物栽培试验累积之大数据进行生长模拟，以资讯科学进行「预测育种」。农业支撑文明发展，将社会从工业时代推进至资讯时代。运算思维的加入，改变了传统机械的运作，当科学家将「逻辑」与「学习」能力置入通电的机器后，智能机器便开始介入了自然与生活。人类已经掌握许多科技，因此我们需要腾出时间提升思考的层次，考量更公平地与人、万物生命合作，也该让每个人都能享有相同使用科技的权利。让我们发挥确实的「智慧」，孕育更多生命，并为环境保护贡献一点心力。