不雇飞机,还好意思说精准农业?

鲍勃退休后不闲着,开着飞机给庄稼地照相。

图片来源:facebook.com

他原来是伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校(UIUC)机械系的高管,业余爱好飞行和种地。退休后加入了一家创业公司 AirScout 做COO,这下可以两种爱好一起玩了。

伊大香校的机械系 US News 全美研究生院专业排名稳居前十,时而前五。学校机场不是叫维拉德(Willard)机场吗?这个名字纪念的是亚瑟·维拉德。他就是在机械系当了27年系主任之后,才升任了伊利诺伊大学总校长,任期横跨二战。另外,富士康旗下鸿腾精密科技的董事长和CEO卢松青先生也是这个系毕业的。他为校庆前刚刚破土动工的机械系馆扩建项目捐了将近2000万美元,成为华人校友的骄傲。

UIUC科研园的创业孵化楼。摄于:2018年10月

AirScout的办公室在UIUC科研园的创业孵化楼。校庆日返校时,我在那跟鲍勃吃了早饭。他没打算去看下午2:30的橄榄球赛,而是右手拿着麦芬,左手用手机应用 AeroWeather 查看云层高度预报。

一大早就多云,9点钟维拉德机场的云层高度才500英尺(150米)。这么低的云如果飘在北京光华路,CCTV那座234米的大裤衩只能看见两条腿,看不见屁股。

当天维拉德机场(代码CMI)的云高预报是这样的:

早9:00,云高500英尺 早10:00,云高800英尺 早11:00,云高1500英尺 下午1:00,云高4000英尺 晚7:00,云高25000英尺

鲍勃说看样子下午可以飞,伊利诺伊和印第安纳有大片农田在排队等他照相。但现在云太低,不行。理想高度是5000英尺以上。

我不明白:鲍勃,那些地干嘛非等着你去照相?

对,我知道农民需要根据土地和作物的情况来提高产量。

但是收割机可以测产量啊,为什么非要照相?

就算照相,上有人造卫星,下有无人机,也犯不着你开架小飞机嗡嗡嗡飞一圈啊?

鲍勃说那咱们细聊聊。

一、一锅粥的马后炮诊断

没错,高档收割机自己就能测产量。

图片来源:deere.com

上图右侧屏幕就是收割机的产量图。

图中收割机正在收大豆,田间时速7.5英里(约12公里),大豆湿度19.3%,每英亩湿产量为39蒲式耳,换算成13%标准湿度的「干大豆」每英亩干产量为36蒲式耳,合每公顷2.4吨。

这个水平的单位亩产被标为黄色,中等产量。低产量标红,高产量标绿。

收割机测产量原理并不复杂。脱粒分离清选之后,谷物湿度是用升运器侧面的湿度传感器连续取样测量的。在升运器顶端,汹涌澎湃的谷物撞击在质量流量传感器上,测出单位时间的收获质量,然后根据收割机扫过的面积算出每英亩湿产量。根据湿度反算出每英亩干产量。只要有GPS导航,很容易叠加到地图上。

瞧,卫星图中收割机图标刚刚扫过的部分正在计算,马上就会出现色块。收获过的土地已经铺满红、黄、绿色块,单产数据精度与割幅同宽。

这不就行了吗?农场主可以根据产量图调整策略,第二年想办法把红、黄的地块变成绿色。

鲍勃说收割机的产量图太晚了。秋天测产量,来年改进,这只能算马后炮。呃,美国人说「鸭后炮」,shooting behind the duck。再说了,影响产量的因素太多,耕、种、管、灌,到底该怎么改?产量图只是给了个一锅粥的结果,指明哪里要改,但明年怎么改还得靠猜。

所以,近年来农场主们野心膨胀,屏幕上红红黄黄的他们看着心疼,不甘心今年就眼睁睁认栽。他们希望不行的地块当年就对症下药,把粮食从地里抢回来。

他们想在播种前就看出地力,生长期就看出庄稼的长势,所以给鲍勃打电话,要给庄稼地照相。

二、每块地三张照片

鲍勃说,在5000英尺的理想高度,他们照相以160英亩(800米见方)为一个标准地块,长宽一英里的正方形格子里正好四块。飞太高损失清晰度,飞太低视野窄、费油。每块地需要同时照三张照片:

  • 视觉图
  • ADVI图
  • 热成像图

视觉图:

人眼最熟悉的还是视觉图片。一些比较明显的问题视觉图片可以直观地看出来。比如成片土地不出苗,或者是某一块有了病虫害。即使有再先进的遥感手段,农场主和农艺咨询师还是喜欢有一张视觉图片,就好像在地里看了一遍。

视觉图。来源:AirScout应用

ADVI图:

但是,如果都是绿苗,视觉图片也看不出谁健康谁不健康。这就要用到ADVI图,是NDVI的增强版。

先说NDVI。

用航拍照片看植被不是什么新问题。早在1973年,德州农工大学的教授学生就开始使用「归一化差分植被指数」(NDVI)来看美国大平原上的植被变化。

找植被,不就是盯着照片,看哪里绿吗?

不行。光看绿色说不准哪是植被。

首先,地面上除了植被,还有其它绿色的物体,比如绿色水面,绿色的棚子,绿色的收割机。这些绿跟植被的绿,在可见光上看起来相似,但是反射热量的近红外特性不同。

健康植物的光合作用会吸收利用红光、紫光,反射绿光,看起来是绿色的;同时,植物的叶片并不擅长利用近红外线,会把这一波段反射回去。所以,叶子近红外波段反射强度高,红色光波段反射强度低。如果我们戴上近红外线眼镜,会看到绿色的植被比其它绿色亮。

所以,学者们用地面反射的近红外辐射强度减去红色光强度。这个差值越高就越可能是植物。用这个差分法,可以区分绿色植物和其它绿色物体。如果「老黄瓜刷绿漆」,这个差值就低,很容易被识破。

其次,即使同样是健康植被,在不同光线下,拍出来的绿色深浅也不一样。

同样是夏天正午拍摄玉米地,在低纬度的德克萨斯州,照出来的绿色就鲜艳一些;在高纬度的美加边界,照出来的绿色就昏暗一些。怎么才能去除阳光角度不同的干扰呢?

用当地近红外和红色的总反射强度来归一化。所以就有了NDVI,「归一化差分植被指数」:

当然,这个NDVI只利用了红光和近红外,能识别哪里有植被,但是无法精确分析植被的健康程度。鲍勃他们公司在NDVI的基础上升级,利用更广阔的光谱范围,开发出增强版的ADVI指数,不仅能分辨出植被,还能分析作物的健康程度。不仅能看出哪里是土地,还能看出那块土壤更贫瘠。

ADVI图。来源:AirScout应用

热成像图:

要用ADVI充分识别土地和作物的情况,还需要跟热成像图配合使用。

热成像可以发现作物发烧。作物生长遇到问题时,往往会减少水分蒸发,这就是咱们绿箩没养好时常见的「叶子发锈」。这时候,透过热成像仪可以看到叶子表面温度升高,就像人发烧了一样。用这种方法探测,能更早发现缺水、缺肥、或病虫害。

热成像可以识别土壤湿度。在播种前查看土地肥力时,需要先剔除湿度对颜色的影响。ADVI图片上颜色的差别,可能来自于有机物含量,也可能来自于湿度。湿度会影响温度。这时候,需要用热成像仪把土地扫一遍,去除湿度不同造成的差异,提取土壤肥力的差别。

鲍勃公司的热成像是在长波红外线波段(LWIR)。这种技术最初用于军事,使用「微测辐射热计」进行高清热成像,精度可达0.03°C。这种技术从高空测我体温比我含在嘴里的家用体温计还准。

热成像图。来源:AirScout应用

鲍勃说,有了这三张照片,他们可以就给农民开方子了...

三、非要开飞机吗?

好,需要照相,那为什么不用卫星呢?

前NASA工程师张弓创立的@佳格天地就给中国农户提供卫星遥感数据,号称「卫星照我去种地」,服务中国农业。旧金山的Planet Labs公司在天上有近300课遥感卫星,有一半已经在工作,农民也可以跟他们买数据啊?

鲍勃说,卫星虽然好,但是精度低,信息量少,成像时间不可控。

Planet Labs一共有三种卫星,像素精度分别为5米、3米和0.8米。鲍勃他们的像素精度能达到0.1-0.2米。

另外,Planet Labs的卫星目前不提供长波红外线热成像数据,无法帮助农民遥感地面温度。用Planet Labs的蓝、绿、红、红边和近红外波段数据,可以导出NDVI数据,但没法跟ADVI媲美。

即使农户对于精度和信息量要求降低,卫星捕捉可用图像的时机也是不可控的。

当卫星飞过目标地点上空时,如果正好赶上朵朵白云,这一张相片就算白照了,得等下一圈重来。

我自己上网看了一下Planet Labs的图片,采样频率每天一张,但是能不能用要拼人品看运气了。以崇明岛为例,从10月30日到11月4日,每天都有云朵遮掩。

2018年10月30日,崇明岛。来源: Planet.com

2018年11月4日,崇明岛。来源: Planet.com

那好,卫星怕云彩,如果要在云层下面照高清,可以用无人机啊!

鲍勃说,无人机我们当然有了!还是你们中国的大疆。在youtube上就有他们用无人机帮农民航拍的视频。

AirScout用无人机帮农户航拍。来源:youtube.com

可是,无人机虽然轻巧,真搭不起工夫。

首先,美国联邦航空管理局(FAA)要求无人机飞行不得高于地面或建筑物400英尺(约120米)。而且,商业飞行需要操作者有遥控飞行许可证。如果有载人飞机的飞行驾照,拿这个遥控许可证相对容易,否则也要费一番周折。

鲍勃他们的经验,无人机飞一天,只能覆盖1000英亩(400公顷),对于伊利诺伊州的规模农户来说,一天也就服务半个到一个家庭农场。这一天需要占用一个至少有遥控飞行许可证的人员,而且这个人很可能已经有飞行驾照了。如果已经有驾照,还不如开真飞机。

如果用固定翼小型飞机,同样一个人,翱翔在5000英尺的田野和云层之间,一天之内可以覆盖25万英亩(10万公顷)。如果放咱东北,建三江管局的胜利农场100多万亩,一架飞机一天就搞定了。用无人机,如果限高的话,得200多架飞一天。

Piper PA-28 Cherokee 图片来源:airsoc.com

鲍勃他们选的就是图中这种派珀经典机型PA-28切诺基。

四、农民肯掏钱吗?

可是用飞机航拍,效率再高也不是免费的。你们收农民多少钱,人家愿意掏吗?

鲍勃说他们一个作业季帮农民飞10-14次,收费每英亩7美元,大约人民币8元/亩。在这个价格下,AirScout 如果把活排得满一点,就会有利润。但如果飞一天拍摄25万英亩只有一小部分地块有人付费,那就要赔钱。所以营销很重要,要说服农户,这7美刀物超所值。

我不太有概念:农民这每英亩交7美刀,除了一年下来听十几回嗡嗡嗡头顶过飞机,到底能不能回本?

鲍勃说不一定,得分人。

如果农户家里缺少精准农业机械,那照了相也白搭。只有农机的精准程度跟数据精度相匹配,才能对症下药,根据遥感图的处方提高效益。

精准农机包括卫星导航的变量喷药机和变量播种机。这样就可以省种子、省肥料、增产量。

  • 变种变量播种省种子:比如,ADVI图和热成像图结合显示地块西北角较贫瘠,东南角较肥沃,那么农户就采取「变种变量」播种策略。玉米播种机背两个种子箱,一个装「赛马」型冲产量的优质种子,另一个装「骡子」型耐渴耐饿的坚强型种子。当拖拉机开到西北角,播种机切换到「骡子」品种,每英亩密度25000颗;当拖拉机开到东北角,自动切换到「赛马」型品种,每英亩密度提高到30000颗。每英亩根据具体情况可以省下1000到几千颗种子,每1000颗种子现在大概3美元。
  • 变量施肥省肥料:有了土壤数据,喷药机可以根据局部肥力变量施肥,不需要搞大锅饭平均施肥,这样每英亩可以省下几磅到十几磅到氮肥。每省两磅就差不多一美元。
  • 种肥优化增产增收:这些省钱的算盘打完了,还有多打粮食带来的好处。如果是玉米,鲍勃他们的经验是平均每英亩能多打2蒲式耳。蒲式耳是体积单位,大约35升,这么多玉米大约50斤。所以用了精准农业,每6亩地(一英亩)能多打两袋50斤的玉米。这两袋,今年秋天美国农户大概能卖7美元。

因此,有精准农机的农户,愿意每英亩花个7美元的飞机钱,然后通过省种省肥多打粮食赚回两到三个7美元。

总结起来,鲍勃他们每作业季航拍农田10-14次的主要贡献是:帮农民抢时间、拼精度。

  • 有了ADVI和热成像,提前发现问题,抢出了农时。
  • 图片精度达到了每像素手掌尺度,能够充分发挥行间距几十厘米的变量播种机和变量喷药机的潜力,对症下药。

为了达到这个目的,他们现在选择开着派珀的切诺基(跟吉普车没关系)在无人机和卫星之间翱翔。无人机精度够,但是效率还不到飞机的1%。卫星虽然效率高,但是目前精度欠佳、数据不足以支持预警、受云层干扰不能按需取图。

跟鲍勃吃完早饭,我琢磨农田航拍中国能不能用:「想多打粮食,你咋不上天呢?」

中国跟美国中西部比,有两大区别。

首先,变量播种变量喷药的精准农机暂时尚未普及,所以手掌尺度的高精度农田成像还用不上,有佳格数据(微信号:佳格天地)的卫星图片和收割机的产量图,可以满足用非变量农机在机具幅宽尺度上作业的需要。其次,即使在精准农机试点的地区,由于中国民用航空暂时落后,农田高精度三图遥感预计会从无人机开始。那时候,鲍勃他们的遥感仪器也许能在中国的无人机上先派上用场。

校庆那天下午橄榄球赛的时候,云层高度超过了5000英尺,鲍勃如愿起飞给秋天的农田照相去了。

他开的飞机应该算农机,农机中的战斗机。

参考资料:

原文发布于微信公众号 - 数据冰山(shujubingshan)

原文发表时间:2018-11-13

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