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高科技种地：飞机里的精准农业
鲍勃退休后不闲着，开着飞机给庄稼地照相。
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。
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）。
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。
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。
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」：
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。
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工程师张弓创立公司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颗遥感卫星，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。
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。
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。
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。
· 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。
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：
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