智慧农业与光谱技术

OtO

2021/01/04 18:02

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联合国经济和社会事务部人口司预估全球人口在2050年将达98亿，粮食需求将持续上升。但近年来全球气候变化渐趋极端，且农村人口因全球化与少子化的影响而减少，在现有农业人口持续老化的情况下，将使得农业生产力受到冲击，粮食预期将面临供给短缺与价格上升的情况。

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面对将来的粮食危机，先进欧美国家结合工业4.0科技中的三大系统: 感测系统、讯号处理与传输系统、智能决策系统，建立智能农业相关规范，以降低劳动力不足的冲击，提高农业生产力与质量。例如在植物工厂或植物生长箱中利用光谱仪来持续监控光照并根据光照情形调整LED或卤灯源来补强光照之不足。或是使用高光谱分析仪与气体传感器来评估并量化生物质、观察叶绿素与光合作用的变化等。

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利用光谱仪或高光谱依照颜色来分选水果、食物或谷物的食物分选机为常见且已大量使用的产品。而谷物的成分分析、水果甜度熟度或含水率与蛋白质等质量相关的检测，即为利用近红外光谱技术（Near-infrared spectrophotometer；NIRS）来进行分析，NIRS 是一种量测特定官能基的光谱吸收、反射或穿透值改变量，配合传统化学分析方法分析待测样本之内部成分值，再利用统计回归分析方法，建立光谱改变量与内部成分值之关系式。例如建立水果的吸收光谱与糖分或果酸的关系式可选用1400±200nm范围内波长的吸收峰来进行量测，并将量测结果与高效液态层析仪所测得之糖度与果酸值，透过多重线性回归(MLR)来建立。利用此技术在大型农产品公司的在线快速分级在线已搭配物联网、云端进行应用，以降低劳力人工成本，提高产品质量。

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台湾超微光学所推出的近红外光谱仪SW、PH-NIR、RS系列准确度高，在256 pixels与狭缝50um的情况下分辨率平均4.3nm，亦有良好的波长稳定性。SW 8系列波长范围900-1700nm支持一阶制冷、SW 9系列波长范围900-2500nm支持二阶制冷。PH-NIR系列，为体积更小的机种，其紧凑的体积非常适合系统整合，其性能亦表现不亚于大体积光谱仪。RS系列基于MEMS架构开发，其体积仅40x40x18 mm，更加适合手持装置运用。