為台灣加油打氣專欄 (141) 影像分析與農業土地

我們的土地上有相當多不同種類的農作物,如水稻、落花生、鳳梨、大宗蔬菜等等,政府當然會關心這些作物的生長情形,比方說有沒有生產過多或過少。我們可以派人去各個地方視察,但是我們已經可以利用影像處理的方式知道各種農作物生長的情形,也就是說我們會用空照圖或衛星影像。

我們多半會認為空照圖或衛星影像照出來的相片,用肉眼是可以判別照片中的作物是水稻、落花生或葡萄,其實並非如此,我們用的光大多數並不是可見光,因為各種不同的農作物對不同的光線會有完全不同的反應。現在舉一個例子,用短邊紅外光(光譜波長約680nm到750nm)照了兩張圖,如圖一和圖二。圖一是落花生,圖二是水稻。

圖一  落花生,左圖為用短邊紅外光拍攝影像,右圖為可見光影像

 

圖二  水稻,左圖為用短邊紅外光拍攝影像,右圖為可見光影像

 

大家可以看出圖一雖然是落花生,但人的肉眼是無法判斷的。如果用可見光照相,落花生和水稻又很難分辨,所以我們的影像分析必須有一個計算機學習的過程,所謂學習,牽涉到一些數學,我就不講了,但是我可以用簡單的方法來解釋計算機是如何學習的。

假如我們知道有三個區域絕對是種落花生的,對這三個區域當然就會有空照圖。所謂學習,其實是找出這三個區域的共同特色。這些共同特色還要有一個重要的性能,那就是它不僅能夠使得計算機可以判斷這三個區域種的是落花生,而且也可以判斷這三個區域不是種水稻。

有了這些共同的特色以後,我們再去找另外一個區域的空照圖或衛星影像,看看計算機判斷的結果是否正確。如果判斷得很正確,我們就會很高興。如果發現判斷錯誤率很高,我們的演算法就要繼續地尋找更好的特色,這就是所謂學習的過程。剛才我講的是三個區域,可以想見的是,採樣的地區越多,學習的結果會越好。當然,學習的演算法也是重要的。

台灣的作物種類很多,農地利用又很複雜,但是現在各種波長可用的空照圖或衛星影像也很多,我們用不同波長的衛星影像加上空照圖,或是用不同時間的空照圖或衛星影像讓計算機學習,就可以提高判斷的正確率。現在像菱角的正確率可以達到97%,牛蒡的正確率可以達到96%,還有西瓜、鳳梨、薑…等,學習越多次,正確率就可以漸漸提高,達到可以幫助政府有效施政的目標。

使得電腦有學習的能力,有人將它稱為”人工智慧”,所以我們的農業專家早在大家大聲叫人工智慧之前,他們早就利用人工智慧的技術了。如果各位看看這些圖片,我相信你一定會有一個結論,用人是判斷不了的。這種學問在我們資訊科學裡又叫做圖像識別,這不是在模擬人如何識別圖像,而是要懂得數學。

有的時候我們也不必要強調哪一個學問,將數學學好乃是一個最重要的事。也希望大家知道,我們國家一直有一些很有學問的專家,在利用電腦、數學和演算法來解決很多很難解決的問題。這些專家們是我們應該敬佩的。