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資通訊技術在害蟲綜合管理之應用

農業試驗所 徐武煥.陳健忠.董耀仁.蔡致榮

一 . 前言

  資通訊技術( Information and Communication Technology, ICT ) 為資訊和通訊科技之簡稱, 其技術在日常生活的產品中已被普遍使用,如手機、電腦、遠端監控設備及車用導航裝置等。 其核心技術 為無線通訊技術( GSM 、 GPRS 、藍芽、無線射頻( RFID )及 Zigbee 等)、衛星定位系統( GPS )、地理資訊系統( GIS )、 無線感測網路( WSN )、 決策支援系統( DSS )、專家系統( ES )及遙測( RS )等,已逐漸被 導入應用於農業,近年來已成為農業創新應用之一環。 在臺灣,蟲害的防治是相當重要的課題,如果無法做到有效的防治,有可能會讓農作物生產時蒙受重大的損失,所以常見農民施藥防治害蟲。但在環保意識愈來愈受重視的今日,除要有防治的效果外,環境仍然需要受到永續保護。在植保的領域中,國際上針對害蟲防治之重要趨勢是採用害蟲綜合管理( Integrated Pest Management, IPM ),且在很多研究與應用的案例中,已將 ICT 導入 IPM 來達到快速及有效的防治目標。

二 . 害蟲綜合管理( IPM )策略

  農作物蟲害管理方法大體上可歸類成物理防治法、化學防治法、生物防治法、農業防治法及法現防治法等,其中以前三種方法最常使用。一般慣行的農法,短期大多採用化學防治法。而在有機栽培時,因為不能使用化學藥劑,所以蟲害防治常需採用綜合防治的策略,如改變耕作方式或使用非農藥防治法等,希望使益蟲與害蟲維持在一個良好的生態平衡狀態。 IPM 是綜合運用各種可用的技術防治農作物害蟲的策略 ,降低害蟲族群密度並維持在經濟限界( Economic threshold )以下。當害蟲族群密度在經濟限界之下時,可不必採取任何防治措施,藉由自然制衡的力量即可達到控制害蟲族群的目的;但如果族群密度超過經濟限界時,就必須採取適當的防治措施。 瞭解害蟲族群的 密度 與動態對於防治有實質的幫助, 但必須於田間取樣 及監測 。取樣技術是蟲害管理基礎的一環;而密度監測是後端管理擬訂防治策略的一個關鍵部分,當取樣或監測的時間性及空間性資訊不足時,無法建立可靠的預測模式或適當地採取防治手段。 然而在 取樣 及監測時常常面臨許多困難,例如需耗用相當多的人力或取樣時間間隔太久等;前者造成成本增加,後者則於害蟲密度突然上升時無法做到及時的防治。因此,有效率的 害蟲防治必須導入現代化科學的方法,先取得田間發生蟲數等資料,再換算成族群密度以利即時提出密度上升之預警,或取得害蟲之影像以辨識害蟲之種類等,才有助於決定該實施何種管理策略或防治措施。

三 . 資通訊技術( ICT )於害蟲綜合管理( IPM )之研發與應用

  近年來,資通訊技術已逐漸被應用在害蟲綜合管理上,如蟲數監測、害蟲種類辨識及施藥 變率技術( VRT )等。無線感測網路( WSN )於害蟲數量之監測,即為 ICT 應用之一環。 WSN 於廣義上泛指一切具有感測器可感知外界,並通過無線傳輸相互連結的系統;在狹義上係指使用 Zigbee 通訊協定( IEEE 802.15.4 標準)的感測器模組(常稱之為感測節點)。 WSN 結合了無線網路技術、感測器、資料記錄器與資訊技術,扮演了感測及傳遞訊號的角色。無線網路省卻了需要實體佈線的麻煩,可以在小範圍的農業設施空間內同時設置很多節點,不需人力而只依程式控制就可自動感測。 WSN 也顛覆了傳統害蟲取樣監測需投注相當多人力的方式,可即時取得資訊,這對很多需要空間分析( Spatial Analysis )及時變分析( Time-Varying Analysis )的試驗有很大的幫助,可在偏遠地區進行大規模之空間與時間高解析度的測量,例如害蟲族群之空間及時間之變異分析等。如此可知害蟲之地理分布與族群動態之資訊,並透過建立相關之模式加以分析應用。使用 WSN 以瞭解害蟲族群的動態,將可提高我們對田間各種警訊(如天氣或害蟲族群密度突然升高時)的反應能力,才能進行有效的蟲害管理決策。

(一)國際之研發與應用

  隨著越來越多應用 ICT 技術的移動式裝置(如手機等)被開發出來,現在幾乎都具有上網及全球定位系統( GPS )功能,並搭配使用許多 APP 應用軟體。使用者很容易透過身邊的裝置隨時隨地連結上網以取得相關的資訊,專家學者也可利用這些管道建立 IPM 等之服務系統及軟體來發布相關資訊,例如用來改善農場的管理狀況、監測害蟲的經濟限界,以及適時提供農友相關的防治資訊和服務等。 ICT 於 IPM 上扮演越來越重要的角色,特別是在田間害蟲的辨別、預防、防治、根除、田間害蟲之熱點( hot spot )診斷及相關資訊的教育和知識共享等之應用。

  ICT 中常整合使用感測節點、伺服器和決策支持系統等三個工具。利用 ICT 進行害蟲監測,能夠循序性地儲存害蟲出現的種類及蟲數等歷史數據資料,用於未來發展預測模式及相關之預警系統。當模式建立後,利用 ICT 就可在最短的時間內判定昆蟲出現之熱點或族群密度,以便於害蟲達到流行階段前做適當防治或訂定未來之防治策略。蟲害之警報和防治技術可透過手機簡訊、電子郵件、多媒體之 CD-ROM 及 DVD-ROM 或其他網路工具(如 Twitter 、線上資料庫、論壇和郵件表列伺服器)等多管道之媒介進行資訊之傳播、發布與分享,農民於收到系統發布的警報後可做進一步之防治與處理。另外一種方式是從決策支援系統(或專家系統)獲得相關的資訊。決策支持系統可從氣象站取得氣象數據,除可用以繪製田間溫度及濕度分布圖之外,並能從伺服器匯集相關之資訊做出預測或防治之建議。此外,決策支持系統也可作為氣象資訊與害蟲的種類及密度等關係分析之用。使用者可以直接連結到這些資訊,或從決策支持系統收到文字訊息或是電子郵件。當資訊發布時,其時間點相當重要,如果訊息傳送太晚,農民可能沒有足夠的時間來調整農場的防治策略;如果訊息傳送太早,農民可能會誤判而做出錯誤的防治動作,所以決策支持系統恰可管控訊息發布適當之時機點。很多國外之學者也積極研究發展決策支持系統,應用於小麥、玉米、大豆、高粱及油菜等主要作物上。

  綜合蟲害防治方法常從各種的應用層面上加以研發及精進,而 ICT 的導入使用就成了很重要的工具。例如讓 IPM 應用在決策、推廣服務、害蟲的計數與辨別、資訊傳播和分享、架構於網路之決策支持工具及支援 ICT 的訓練等各種不同的層面上。 ICT 應用於 IPM 有許多例子,如架構於國際昆蟲生理生態學中心( ICIPE )之 IPM 論壇、國際農業研究諮商組織( CGIAR )之全系統 IPM 計畫或於 http://www.ent.iastate.edu/list/directory/153/vid/4 之網址上有超過上百 個應用連結範例等,其中不乏已實際推廣給農友、學生及研究人員使用者。舉例來說,美國康乃爾大學所建立的全球作物害蟲辨識與資訊服務之 IPM 雛型,提供害蟲俗名、學名、地理分布、識別和診斷、寄主、生物學和生態學、危害部位、經濟重要性、防治相關之管理策略(如採樣、經濟限界、生物防治、化學防治及現有之害蟲綜合管理方法)等資訊。除此之外,尚有許多研究開發與 IPM 相關之系統以作為害蟲防治用途。例如 Pontikakos 等人( 2012 )結合無線區域網路、 GPS 、 GIS 及 ES 技術,整合為位置察覺系統( Location Aware System, LAS )(圖 1 ),應用於橄欖果實蠅之防治,控制其施藥過程,以防止施藥過量造成農藥殘留及環境污染問題,同時又可兼顧防治的效果。 Boissard 等人( 2008 )於田間掃描玫瑰葉片,利用影像處理及系統自動解譯功能,應用於溫室內粉蝨( Whitefly )之辨識及計數(圖 2 )。還有利用田間伺服器進行影像監測之研究,如 Fukatsu 等人( 2012 )利用合成誘引劑、田間伺服器及影像處理,觀察與自動計數田間之中華蜘蛛緣椿象( Leptocorisa chinensis Dallas )。除此之外,另有許多以其他之監測方式(視覺方法、夜視裝置、錄影技術、熱紅外線影像、光學感測器和捕蟲裝置及特殊光電裝置等)、 X 光、聲音感測(大氣聲音探測儀、水聲學、主動式昆蟲的聲音辨識及聲音誘捕器等)、顏色誘引、氣味誘引、大範圍空間之監測(航測、航拍數位影像、合成孔徑雷達及 GPS 等),甚或實驗室之研究(圖片、步行和跑步生理和神經機械的研究、行走及飛行研究等)結合 ICT 並納入 IPM 之各類應用研究,不勝枚舉。

(二)臺灣之研發與應用

  大約於民國 90 年代起,臺灣已開始應用 ICT 於蟲害防治之監測技術,以下舉兩個例子加以說明。民國 97~98 年間清華大學許健平教授主持之團隊研發出 WSN 硬體模組,揭開臺灣 WSN 應用之序幕。有感於東方果實蠅 Bactrocera dorsalis ( Hendel )是亞太地區重要的農業害蟲之一,也廣泛分布於臺灣,國立臺灣大學江昭皚教授主持之研究團隊隨即投入整合應用於東方果實蠅監測研究,並自民國 98 年起與農業試驗所及臺南區農業改良場合作組成研究團隊,將整合研發之系統應用於田間東方果實蠅之監測評估,評估項目包括系統之準確性、穩定性及耐候性等。其系統之架構如圖 3 所示,主要包括有區域監測網及主控平台。區域監測網裝設於田間,設有自動化誘捕計數裝置、感測節點、田間伺服器及簡易型氣象站等;主控平台設計之人機介面設計成互動式的動態連結網頁。簡易型氣象站能將溫度、濕度、大氣壓力、雨量、風速及風向等幾種環境因子蒐集後,透過伺服器回傳至主控平台,供使用者於平台上統計分析與查詢資料,並以圖表呈現或將資料輸出至 Excel 進一步利用。 圖 4 即為本系統利用 WSN 感測技術於彰化縣員林鎮番石榴園所得到區域內不同時期東方果實蠅之蟲數變化情況。 江昭皚 教授主持之研究團隊並逐步朝自主式的早期預警系統研發,除將系統應用於果園之東方果實蠅之外,並嘗試應用於福壽螺疫情及茶園斜紋夜蛾之監測等。在昆蟲標本館數位典藏方面,臺灣於近幾年已經有農業試驗所、林業試驗所及臺灣大學等研究單位及學校之計畫在進行;其中農業試驗所之昆蟲標本館現已收藏無數珍貴標本,標本數高達 150 萬件以上,具名標本為 17 目 279 科 1 萬種以上,而其中膜翅目館藏有 73 科(全世界 99 科),超過 4,500 種已具名標本。如果將其數位化典藏並完成分類,對於以後害蟲種類之辨識等科學研究用途、展示及科學教育等當可提供相當多之用途。

四 . 結語

  在臺灣,資通訊技術( ICT )已逐步應用於蟲害防治上。經過許多研究單位的努力, WSN 系統已成功應用在東方果實蠅的量化監測上,且已可透過不同 ICT 開發之軟硬體工具早期診斷出區 域監測網內害蟲熱點之位置;而昆蟲標本館數位典藏也已見其實質的應用。 利用 WSN 系統連續監測的特性,有助於我們瞭解害蟲包括族群密度、空間動態、 棲息地大小 及遷徙等特性及其間的關聯,以增加防治的效果。除了害蟲防治的用途之外,因為 ICT 的快速性,將來還可協助瞭解並解決許多昆蟲等生態上的許多問題。臺灣應用 WSN 系統在東方果實蠅的量化監測已成功開發,但要得到面化的資料需要再擴充很多的感測節點,方可得到大面積面化的資訊,不過因系統目前尚未量產,成本較高,進一步利用需再做審慎的評估。 在害蟲辨識的領域,應用如昆蟲標本館數位典藏的線上資料庫資源,將來如果近一步結合創新軟體,可應用於自動定義及辨別害蟲,或加上影像處理軟體可應用於蟲害管理之遠距診斷等。 在蟲害的防治上,臺灣也逐漸朝害蟲 IPM 的方向發展。 因網路的應用蓬勃發展,相信未來會有更多架構於網路上之智慧型資訊系統被開發出來,允許使用者依其需求使用即時或是歷史的資訊。在蟲害的防治上,使用 IPM 於害蟲之防治是世界的趨勢之一, IPM 並已經大量使用 ICT , 值得我國開發借鏡 。而利用 ICT 繼續投入蟲害防治相關的應用研究,則仍有許多努力的空間。

圖1 整合無線區域網路、GPS、GIS及ES技術之位置察覺系統(Location Aware System, LAS)架構圖,應用於橄欖果實蠅之防治(資料來源:Pontikakos等人,2012)

圖 1 整合無線區域網路、 GPS 、 GIS 及 ES 技術之 位置察覺系統( Location Aware System, LAS )架構圖, 應用於橄欖果實蠅之防治 ( 資料來源 : Pontikakos 等人 , 2012 )

圖 2 影像技術 應用於溫室內粉蝨( Whitefly )之辨識及計數 ( 資料來源 : Boissard 等人 , 2008 )

圖 2 影像技術 應用於溫室內粉蝨( Whitefly )之辨識及計數 ( 資料來源 : Boissard 等人 , 2008 )

圖 3 東方果實蠅區域監測網及主控平台架構圖

圖 3 東方果實蠅區域監測網及主控平台架構圖

圖 4 利用 WSN 感測技術於彰化縣員林鎮番石榴園所得到區域內不同時期(民國 100 年 6 月 2 日 ~11 月 3 日 ,每張圖相隔大約兩週,順序由左而右、由上而下 )東方果實蠅之蟲數變化情況

圖 4 利用 WSN 感測技術於彰化縣員林鎮番石榴園所得到區域內不同時期(民國 100 年 6 月 2 日 ~11 月 3 日 ,每張圖相隔大約兩週,順序由左而右、由上而下 )東方果實蠅之蟲數變化情況

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