การประยุกต์ใช้การถ่ายภาพสเปกตรัมความละเอียดสูงในเกษตรกรรม – การเกษตรแม่นยำ (Precision Agriculture) และการคัดเลือกผลไม้ (Fruit Sorting)

Jessica Wu（China Productivity Center Agricultural Innovation Department I ）

บทนำเกี่ยวกับการถ่ายภาพสเปกตรัมความละเอียดสูง (Hyperspectral Imaging)

สเปกตรัม หมายถึง การจัดเรียงของคลื่นแสงตามความยาวคลื่นต่าง ๆ ซึ่งเกิดขึ้นจากการกระจายของแสง การถ่ายภาพสเปกตรัมสามารถบันทึกข้อมูลในหลายช่วงความยาวคลื่นพร้อมกัน ตัวอย่างเช่น คลื่นแสงที่มีความยาวคลื่นระหว่าง 380 ถึง 780 นาโนเมตร เรียกว่าแสงที่ตามนุษย์มองเห็นได้ (Visible Light) หากความยาวคลื่นสั้นกว่า 380 นาโนเมตรจะเรียกว่าแสงอัลตราไวโอเลต (Ultraviolet) และหากยาวกว่า 780 นาโนเมตร จะเรียกว่า แสงอินฟราเรด (Infrared) การใช้ฟิลเตอร์กรองแสงและฟิล์มรับแสงหลายชนิด การถ่ายภาพสเปกตรัมสามารถรับแสงจากหลายช่วงความยาวคลื่นได้พร้อมกัน ทำให้ได้ภาพที่มีข้อมูลจากหลากหลายสเปกตรัม กล้องถ่ายภาพทั่วไปที่เราใช้เป็นตัวอย่างหนึ่งของการถ่ายภาพสเปกตรัมที่อ้างอิงจากแสงที่ตามนุษย์มองเห็นได้

นอกจากนี้ยังมีการถ่ายภาพแบบหลายสเปกตรัม (Multispectral Imaging) และการถ่ายภาพสเปกตรัมความละเอียดสูง (Hyperspectral Imaging) ที่สามารถวิเคราะห์สเปกตรัมในแต่ละจุดอย่างละเอียด การถ่ายภาพสเปกตรัมความละเอียดสูงสามารถตรวจวัดข้อมูลที่ตาเปล่ามองไม่เห็นและให้ข้อมูลที่ละเอียดมากขึ้น สามารถประยุกต์ใช้ในหลากหลายด้าน

การถ่ายภาพสเปกตรัมความละเอียดสูงในเกษตรกรรมสามารถใช้เพื่อระบุและวิเคราะห์พืชบนพื้นดิน ตรวจสอบสถานะของพืชในสวน หรือแม้แต่คัดเลือกผลไม้หลังการเก็บเกี่ยว อย่างไรก็ตาม การได้รับข้อมูลสเปกตรัมที่มีความซ้ำซ้อนมากเกินไปอาจเป็นปัญหา ดังนั้นการคัดกรองและวิเคราะห์ข้อมูลสำคัญ จึงกลายเป็นประเด็นหัวข้อที่สำคัญ

ปัจจุบันวิธีการแปลงข้อมูลที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย ได้แก่ วิธีการวิเคราะห์องค์ประกอบหลัก (Principal Component Analysis หรือ PCA), อัตราส่วนสเปกตรัม (Band Ratio) และดัชนีอัตราการพบพืชพรรณที่แตกต่าง (Normalized Difference Vegetation Index หรือ NDVI) อาศัยการประมวลข้อมูลของเครื่อง (Machine Learning) ข้อมูลภาพจะถูกแปลงเป็นข้อมูลตัวเลข สะดวกเกษตรกรประเมินสถานการณ์

ยกตัวอย่างเช่น สเปกตรัมการสะท้อนคลอโรฟิลล์ (Chlorophyll) เป็นหนึ่งในความยาวคลื่นที่สำคัญของพืช จากภาพ NDVI คอมพิวเตอร์สามารถคำนวณปริมาณคลอโรฟิลล์ในพืชและปริมาณไนโตรเจน ทำให้เกษตรกรสามารถประเมินปริมาณปุ๋ยที่ต้องการใช้ได้โดยไม่ต้องเข้าไปในแปลงพืช นอกจากนี้ยังสามารถตรวจสอบได้ว่าพืชมีความสด (ทำการสังเคราะห์แสงและมีน้ำ) หรือแห้ง (ไม่ทำการสังเคราะห์แสง) ได้อย่างแม่นยำทันที

การประยุกต์ใช้สเปกตรัมความละเอียดสูงในแปลงเกษตรได้ผลแม่นยำ

การตรวจสอบสถานะของพืช เกษตรกรสามารถติดตั้งเครื่องวัดสเปกตรัมความละเอียดสูงบนโดรน ถ่ายภาพพื้นที่การเกษตรทั้งหมด วัดค่าพารามิเตอร์ทางสเปกตรัม สังเกตปัจจัยการเจริญเติบโตต่าง ๆ เช่น ดิน ปุ๋ย และความชื้นที่มีผลต่อข้าว หากสามารถติดตั้งระบบพ่นสารเคมีบนโดรน ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการทำงานและสามารถใช้น้ำ ปุ๋ย และสารเคมีกำจัดศัตรูพืชได้อย่างแม่นยำมากขึ้น ลดการสูญเสียที่ไม่จำเป็น

ยกตัวอย่างเช่น ข้าว มักประสบปัญหาเกี่ยวกับน้ำและสภาพแวดล้อมที่ไม่เหมาะสม ทำให้ต้นกล้าตายหรือล้ม สามารถใช้ภาพถ่ายระบุพิกัดตำแหน่งของต้นข้าวที่ต้องเสริมได้อย่างแม่นยำ ป้องกันปัญหาผลผลิตลดน้อย ในกระบวนการปลูกนั้น ปุ๋ยไนโตรเจนเป็นธาตุที่สำคัญที่สุดในการเพิ่มผลผลิตข้าว ปริมาณและระยะเวลาที่ให้ปุ๋ยมีผลต่อองค์ประกอบการเจริญเติบโตของข้าว เช่น จำนวนรวงข้าว จำนวนเมล็ดในแต่ละรวง อัตราการติดเมล็ด และน้ำหนักของเมล็ด ซึ่งทั้งหมดนี้จะส่งผลต่อผลผลิตโดยรวม

ปัจจุบันยังไม่สามารถตรวจสอบปริมาณไนโตรเจนในพืชด้วยตาเปล่าได้ ดังนั้น การถ่ายภาพสเปกตรัมความละเอียดสูงที่สามารถแสดงแผนที่การกระจายตัวของปริมาณไนโตรเจนในต้นข้าวได้อย่างรวดเร็ว สร้างโมเดลการวิเคราะห์องค์ประกอบการเจริญเติบโต ปริมาณไนโตรเจน และคาดการณ์ผลผลิต ลดความเสี่ยงการให้ปุ๋ยไนโตรเจนมากเกินไป ซึ่งอาจทำให้ต้นข้าวล้ม เกิดโรคและแมลง ลดอัตราการติดเมล็ด นอกจากจะช่วยลดต้นทุนในการใช้ปุ๋ยแล้ว ยังลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมและระบบนิเวศที่เกิดจากการใช้ปุ๋ยมากเกินไปอีกด้วย

เมื่อข้าวเข้าสู่ช่วงออกรวงหรือช่วงเก็บเกี่ยว อาจประสบปัญหาฝนตก โรคและแมลง ซึ่งอาจทำให้ต้นข้าวล้ม ส่งผลให้ผลผลิตลดลง เมื่อเกิดความเสียหายดังกล่าว จำเป็นต้องมีการตรวจสอบความเสียหาย เพื่อประเมินความสูญเสียและขอรับการชดเชย ในอดีตการตรวจสอบความเสียหายมักใช้แรงงานคน ซึ่งมักพบปัญหาขาดแคลนแรงงานและมีประสิทธิภาพต่ำ แต่หากนำการถ่ายภาพสเปกตรัมความละเอียดสูงมาใช้ จะสามารถเพิ่มประสิทธิภาพและความแม่นยำในการประเมินความเสียหายได้อย่างมาก

การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีการสร้างภาพสเปกตรัมสูงในการคัดเลือกผลไม้

ในปัจจุบัน การตรวจสอบคุณภาพของผลไม้หลังการเก็บเกี่ยว ส่วนใหญ่เพียงพิจารณาจากลักษณะภายนอกและน้ำหนัก หรือทำการสุ่มตัวอย่าง แล้วใช้วิธีการวิเคราะห์แบบทำลายตัวอย่าง เช่น การนำเอาน้ำผลไม้มาตรวจวัดค่าความหวานและความเปรี้ยว แต่ทั้งสองวิธีนี้ไม่สามารถตรวจสอบได้ว่าภายในผลไม้มีความเสียหายหรือไม่ และผลลัพธ์จากการสุ่มตัวอย่างก็ไม่สามารถแทนที่คุณภาพของผลไม้ทั้งหมดได้ จึงทำให้ผู้บริโภคไม่ไว้วางใจในคุณภาพ

ยกตัวอย่าง สับปะรด วิธีการตรวจสอบที่พบเห็นได้บ่อยคือ การเคาะด้วยมือ เพื่อตรวจสอบเสียงของเนื้อสัปปะรด และแกนสัปปะรด ซึ่งนอกจากจะเสียเวลาและเหน็ดเหนื่อยแล้ว ยังไม่สามารถระบุคุณภาพของเนื้อสัปปะรดได้อย่างแม่นยำ ดังนั้น สถาบันวิจัยการเกษตร (Taiwan Agricultural Research Institute) จึงได้นำเทคโนโลยีการสร้างภาพสเปกตรัมสูง (Hyperspectral imaging technology) เข้ามาใช้ โดยนำข้อมูลสเปกตรัมที่ตาเปล่าไม่สามารถเห็นความแตกต่างได้มาให้เครื่องจักรเรียนรู้ เพื่อสร้างแบบจำลองการประเมินคุณภาพผลไม้ที่มีประสิทธิภาพ นอกจากนี้ สถาบันฯ ยังระบุว่าในปัจจุบัน การตรวจสอบสับปะรดโดยใช้สเปกตรัมสูง เพื่อระบุระดับความหวานซึ่งมีความแม่นยำสูง และหากในอนาคตสามารถพัฒนาแบบจำลองการตรวจสอบได้สำเร็จ อาจสามารถพัฒนาเป็นเครื่องคัดแยกผลไม้ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการจัดการคุณภาพผลไม้ได้

ปัจจุบันไต้หวันได้นำเทคนิคการตรวจสอบนี้มาใช้ในการคัดเลือกสาลี่และสร้างแบรนด์ สาลี่คลื่นแสง (Lightwave Asian Pear) ขึ้น โดยใช้เทคโนโลยีแสงใกล้อินฟราเรดในการวัดระดับความหวานและความเปรี้ยวของสาลี่ ควบคู่กับการคัดเลือกและบรรจุภัณฑ์ตามลักษณะภายนอก เพื่อคัดเลือกสาลี่คุณภาพสูง และเสริมสร้างความมั่นใจของแบรนด์ให้กับผู้บริโภค

บทสรุป

ปัญหาการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศและการขาดแคลนแรงงาน ทำให้เกษตรกรรมอัจฉริยะกลายเป็นทางออกที่ดี การถ่ายภาพสเปกตรัมความละเอียดสูงสามารถช่วยให้เกษตรกรเข้าใจสภาพของพื้นที่การเกษตรได้ดียิ่งขึ้น นอกจากสามารถคาดการณ์ผลผลิตได้แล้ว ยังสามารถตรวจสอบระยะเวลาที่ศัตรูพืชและโรคพืชแฝงตัวอยู่ สภาพการเจริญเติบโตของพืช ลดปริมาณการใช้ปุ๋ยและสารเคมีต่าง ๆ ทำให้สามารถปฏิบัติตามหลักเกษตรและเพิ่มคุณภาพความปลอดภัยของอาหาร ปัจจุบัน การถ่ายภาพสเปกตรัมความละเอียดสูงมีการนำไปใช้ในหลายสาขา นอกจากเกษตรกรรม เช่น วิทยาศาสตร์อาหาร การแพทย์ และการตรวจสอบทางนิติวิทยาศาสตร์ ในอนาคตอาจมีการพัฒนารูปแบบการวิเคราะห์และการใช้งานที่กว้างขวางยิ่งขึ้น