Aplikasi AI untuk mengenal pasti rumpai dan menghapusnya secara automatik
Rumpai kekal menjadi cabaran berterusan dalam pertanian, bersaing dengan tanaman untuk cahaya matahari, air, dan nutrien. Hari ini, matlamat bukan sekadar “membunuh rumpai” dengan traktor atau bahan kimia, tetapi menghapusnya secara terpilih tanpa merosakkan tanaman. Dengan kuasa kecerdasan buatan (AI) dan robotik, mesin moden dapat membezakan antara tanaman dan rumpai melalui penglihatan komputer, kemudian secara automatik menghapus rumpai menggunakan semburan tepat, alat mekanikal, laser, atau haba. Inovasi ini mengurangkan kos, meminimumkan penggunaan bahan kimia, dan menyokong pertanian lestari.
Rumpai adalah masalah berterusan dalam pertanian kerana ia bersaing dengan tanaman untuk cahaya matahari, air dan nutrien. Cabaran hari ini bukan sekadar "membunuh rumpai" (traktor dan herbisid boleh melakukannya) tetapi melakukannya secara terpilih – menghapus rumpai tanpa merosakkan tanaman.
AI dan robotik canggih kini menawarkan alat baru yang berkuasa untuk ini. Dengan menggunakan penglihatan komputer dan pembelajaran mesin, mesin ladang moden dapat "melihat" tumbuhan individu, membezakan tanaman daripada rumpai, dan kemudian menghapus atau menembak rumpai secara automatik.
Bagaimana AI Mengenal Pasti Rumpai
Pengawalan rumpai berasaskan AI bergantung pada penglihatan komputer dan pembelajaran mendalam. Kamera yang dipasang pada traktor, penyembur, atau robot kecil menangkap imej tumbuhan, dan model AI (sering rangkaian neural konvolusi, atau CNN) dilatih untuk membezakan tanaman daripada rumpai.
Carbon Robotics
John Deere
Hasilnya, sistem penglihatan moden dapat menandakan rumpai dengan ketepatan per-piksel. Ia berfungsi secara masa nyata semasa mesin bergerak.
Boom See & Spray John Deere membawa banyak kamera dan pemproses onboard yang mengimbas ribuan kaki persegi setiap saat. Setiap bingkai kamera kecil dianalisis oleh pembelajaran mesin untuk menentukan "tanaman atau rumpai?", dan jika ia rumpai, sistem segera mengaktifkan muncung semburan untuk tempat itu.
— Dokumentasi Teknikal John Deere
Secara efektif, AI mengubah traktor menjadi robot yang sangat pintar yang dilengkapi untuk mengenal pasti rumpai kecil dengan 2–3 daun di ladang.
Kaedah Penghapusan Rumpai Berpandukan AI
Setelah rumpai dikenal pasti, sistem berbeza menghapusnya dengan cara berbeza. Tiga pendekatan utama adalah semburan terarah, penyiangan mekanikal, dan penyiangan laser atau terma. Semua menggunakan penglihatan AI untuk memfokuskan rawatan hanya pada rumpai.
Semburan Tepat (Penyembur Titik)
Sistem ini memasang kamera pada boom semburan atau platform mudah alih dan menyembur herbisid hanya pada rumpai yang dikesan. Sistem See & Spray John Deere, contohnya, menggunakan kamera boom dan AI untuk mengurangkan penggunaan herbisid sekitar 59% secara purata.
Operasi Berkelajuan Tinggi
Mengimbas ladang pada kelajuan sehingga 15 mph
- Pemprosesan rangkaian neural masa nyata
- Pengaktifan muncung individu
Pengurangan Bahan Kimia
Penjimatan herbisid yang dramatik
- Pengurangan 20× dalam jumlah herbisid
- Pengurangan penggunaan bahan kimia sehingga 95%
Penyiang Mekanikal
Beberapa robot autonomi menggunakan alat fizikal dan bukannya semburan. Contohnya, robot Element Aigen (dibiayai oleh syarikat teknologi besar) menggabungkan kamera dan AI dengan "cangkul" mekanikal yang memotong rumpai dari akarnya.
- Operasi menggunakan tenaga solar/angin
- Penyiangan berterusan tanpa bahan kimia
- Kaedah sentuhan yang tidak menyentuh tanaman
- Sesuai untuk pertanian organik
Begitu juga, syarikat permulaan seperti FarmWise dan Verdant Robotics telah membina kultivator berpandukan AI. Robot Verdant "Sharpshooter", contohnya, menggunakan penglihatan komputer untuk menyembur dos kecil herbisid hanya pada setiap rumpai, mengurangkan penggunaan input sekitar 96%. Kaedah mekanikal sangat menjanjikan untuk tanaman organik atau khusus di mana penggunaan herbisid adalah bermasalah.
Penyiangan Laser dan Terma
Kaedah yang sangat baru menggunakan laser berkuasa tinggi atau pancaran haba untuk membunuh rumpai. Carbon Robotics (AS) telah membangunkan LaserWeeder G2, mesin yang ditarik traktor dengan beberapa laser 240 watt dan kamera.
Sistem penglihatannya (dikuasakan oleh rangkaian neural) mengimbas tumbuhan dan kemudian menembak laser untuk membakar tisu teras rumpai dengan tepat. Pendekatan ini bebas bahan kimia dan sangat tepat: Carbon Robotics mendakwa ketepatan sub-milimeter dan boleh memproses berjuta-juta imej sejam.
Kaedah penyiangan berbeza ini juga boleh digabungkan. Contohnya, Universiti Guelph membina pengimbas AI yang dipasang pada traktor yang memetakan ketumpatan rumpai di ladang kacang lima.
Petani kemudian boleh menggunakan herbisid hanya pada kawasan yang dipetakan. Pada masa depan, kita mungkin melihat sistem bersepadu: robot mungkin menggunakan penglihatan AI untuk memutuskan sama ada untuk menyembur, memotong, atau membakar rumpai bergantung pada jenis tanaman dan keadaan.
Kajian Kes Dunia Sebenar
Teknologi penyiangan AI moden sudah digunakan di ladang di seluruh dunia. Berikut beberapa contoh:
John Deere See & Spray
Sistem terkemuka industri ini telah digunakan secara meluas dalam pertanian bijirin berskala besar. Dalam ujian pada tahun 2024, penyembur See & Spray merawat lebih 1 juta ekar dan menjimatkan ~8 juta gelen herbisid.
Saya mengurangkan kos herbisid saya sebanyak dua pertiga menggunakan sistem ini.
— Penanam Kansas
Dari segi teknikal, See & Spray menggunakan kamera boom dan rangkaian neural onboard untuk menentukan "rumpai atau bukan." Jika ia mengesan rumpai, mesin mengaktifkan muncung individu, membolehkan aplikasi ketepatan titik.
Carbon Robotics LaserWeeder
Pengasas Paul Mikesell (bekas jurutera Uber) menghabiskan bertahun-tahun membangunkan laser weeder berpandukan AI. LaserWeeder G2 beliau menggunakan CNN terlatih untuk mencari rumpai dan kemudian menembaknya dengan denyutan laser pantas.
- Beroperasi sepenuhnya pada mesin tanpa akses awan
- Boleh menghapus rumpai "sekecil hujung pen"
- Beroperasi siang atau malam pada skala besar
- Ketepatan sub-milimeter
Dalam praktik, unit LaserWeeder (ditarik oleh traktor) boleh beroperasi siang atau malam dan merumput ladang pada skala besar. Ia mempunyai beberapa kamera dan GPU setiap modul, dan beroperasi dengan ketepatan sub-milimeter. Ketepatan ini bermakna hampir tiada tanaman yang rosak dan tiada pengolahan tanah tambahan diperlukan.
Ecorobotix ARA Sprayer
Ecorobotix dari Switzerland menghasilkan penyembur berkuasa solar dan berketepatan tinggi yang dipanggil ARA. Sistem penglihatan "Plant-by-Plant™" menggunakan pembelajaran mendalam untuk mengesan rumpai dengan kelajuan tinggi.
Pengurangan Bahan Kimia
Pengurangan penggunaan bahan kimia sehingga 95%
Masa Respons
~250 milisaat setiap keputusan tumbuhan
Ujian menunjukkan AI boleh mengenal pasti spesies rumpai dengan ketepatan sub-sentimeter semasa mesin bergerak, membuat keputusan dalam ~250 milisaat setiap tumbuhan. Syarikat memasarkan untuk sayur bernilai tinggi dan tanaman khusus di mana penjimatan bahan kimia dan tenaga kerja adalah kritikal.
Verdant Robotics – Sharpshooter
Sebuah syarikat permulaan bernama Verdant Robotics membina Sharpshooter, robot yang menggunakan penglihatan komputer untuk menandakan rumpai dan kemudian menyembur dos kecil pada setiap satu.
Semburan Konvensional
- Penggunaan herbisid tinggi
- Kos lebih tinggi
- Impak alam sekitar
Ketepatan Berpandukan AI
- Pengurangan herbisid 96%
- Penjimatan kos lebih 50%
- Impak alam sekitar minimum
Ini adalah contoh lain teknologi semburan titik yang dibolehkan oleh AI, di mana sistem penglihatan melakukan kerja satu pasukan penyembur.
Penyelidikan Universiti Guelph
Penyelidik yang diketuai oleh Dr. Medhat Moussa membangunkan prototaip sistem untuk ladang kacang lima organik. Rig kamera AI yang dipasang pada traktor mengimbas ladang dan menghasilkan peta ketumpatan rumpai bagi pigweed (contohnya).
Pengambilan Imej
Rig kamera AI mengimbas ladang
Analisis AI
Algoritma membezakan kacang lima daripada rumpai
Pemetaan Ketumpatan
Mewujudkan peta ketumpatan rumpai yang tepat
Pendekatan ini melengkapkan pengawasan manual: ia menjimatkan masa, mengurangkan kawasan yang terlepas, dan membimbing aplikasi herbisid yang tepat.
Inovasi Lain
- Aigen (AS): Membangunkan robot roda autonomi sepenuhnya, Element, yang meronda ladang, menggunakan tenaga solar, dan mencabut rumpai secara fizikal menggunakan bilah berpandukan kamera.
- FarmWise (AS): Mencipta robot Vulcan dan Titan yang menggunakan saluran pembelajaran mesin proprietari untuk mengenal pasti dan menghapus rumpai antara baris secara mekanikal di ladang sayur.
- Kultivator Pintar: Penn State Extension melaporkan tentang "kultivator pintar" yang ditarik traktor (Robovator VisionWeeding, Robocrop Garford) yang menggunakan penglihatan mesin untuk mengemudi alat kultivasi dengan tepat.
- Drone Udara: Malah drone udara yang dilengkapi kamera multispektral dan algoritma AI boleh mengesan kawasan rumpai dari atas, membantu merancang rawatan.
Singkatnya, sama ada ladang besar atau plot khusus kecil, penyiang berpandukan AI muncul dalam pelbagai bentuk.
Manfaat: Kecekapan, Keuntungan dan Kelestarian
Kawalan rumpai AI membawa kelebihan jelas:
Penjimatan Bahan Kimia yang Drastik
Dengan menyembur hanya rumpai, sistem ini mengurangkan jumlah herbisid dengan ketara.
- John Deere melaporkan penjimatan jutaan gelen
- Kira-kira 12 kolam renang bersaiz Olimpik pada hanya 1 juta ekar
- Penjimatan purata 60–76% dalam penggunaan herbisid
Hasil dan Kesihatan Tanaman Lebih Tinggi
Menghapus rumpai lebih awal dan lebih lengkap membantu tanaman berkembang dengan baik.
- Menghapus rumpai kecil yang mungkin terlepas pandang manusia
- Tanaman lebih sihat dan seragam
- Mengurangkan tekanan benih rumpai masa depan
Penjimatan Tenaga Kerja dan Masa
Robot AI melakukan kerja penyiangan secara automatik, membebaskan masa manusia.
- Pengurangan sehingga 37% dalam tenaga kerja penyiangan manual
- Operator baru boleh mencapai prestasi pakar
- Penyiangan tepat automatik
Manfaat Alam Sekitar dan Keselamatan
Kurang herbisid bermakna kurang larian ke air dan tanah.
- Kurang laluan di ladang (mengurangkan penggunaan bahan api)
- Tiada pengolahan tanah dalam banyak kes (mengelakkan hakisan tanah)
- Keselamatan ladang lebih baik (kurang orang mengendalikan bahan kimia)
Analisis Kecekapan Kos
| Faktor Kos | Kaedah Tradisional | Penyiangan AI | Penjimatan |
|---|---|---|---|
| Kos Herbisid | Penggunaan jumlah tinggi | Aplikasi terarah sahaja | Pengurangan 60-95% |
| Kos Tenaga Kerja | Pasukan penyiangan manual | Operasi automatik | Pengurangan 37% |
| Masa Peralatan | Beberapa laluan ladang | Laluan tepat tunggal | Penjimatan masa lebih 50% |
| Jangka Masa Pulangan Pelaburan | Tidak ada | Kos awal lebih tinggi | Pulangan dalam 1-3 tahun |
Semua ini diterjemahkan kepada penjimatan kos. Selain pengurangan herbisid, petani menjimatkan masa peralatan dan kos tenaga kerja. John Deere dan rakan kongsi mendapati walaupun penyembur tepat lebih mahal pada awalnya, ROI boleh dicapai dalam 1–3 tahun kerana penjimatan input. Ramai penanam dalam ujian mengurangkan kos kawalan rumpai per ekar separuh atau lebih apabila menggunakan sistem AI sepenuhnya.
Cabaran dan Penggunaan
Walaupun menjanjikan, penyiangan AI masih baru dan belum meluas. Sehingga awal 2024 hanya ~27% ladang di AS menggunakan teknologi pertanian tepat untuk tugas seperti kawalan rumpai.
Halangan Semasa
- Kos peralatan tinggi
- Perlu pengetahuan khusus
- Kebimbangan mengenai pemilikan data dan kebolehpercayaan
- Kebimbangan kerumitan teknologi
- Ladang dengan rumpai yang sangat serupa dengan tanaman
Saya skeptikal tentang See & Spray, tetapi selepas menggunakannya saya menjadi percaya kerana ia mudah dan berkesan.
— Petani North Dakota
Pemacu Pertumbuhan
Namun, pakar industri menjangkakan pertumbuhan pesat. Kenaikan harga input (baja, herbisid, tenaga kerja) dan tekanan alam sekitar mendorong lebih ramai petani ke arah kaedah tepat.
Pengeluar Peralatan
Inovasi Permulaan
Integrasi AI
Prospek Masa Depan
Pengurusan rumpai berpandukan AI masih berkembang, tetapi trend jelas: mesin lebih pintar akan semakin mengendalikan tugas penyiangan rutin.
Pengesanan Pelbagai Mod
Menggabungkan kamera RGB, pengimejan multispektral, malah sensor bau tumbuhan
Pengambilan Keputusan Dinamik
Memutuskan sama ada untuk menyembur, memotong, atau membakar setiap rumpai secara dinamik
Sistem Bersepadu
Integrasi dengan GPS ladang dan alat pemetaan untuk pembelajaran berterusan
Petani mahukan "alat yang melakukan semuanya" – AI bergerak ke arah visi itu dengan memberi mesin fleksibiliti untuk menyelesaikan masalah di tempat dalam ladang.
— Pakar Teknologi Pertanian
Impak Kelestarian Global
Yang penting, penyelesaian AI ini selaras dengan keperluan global untuk pertanian lestari. Pengguna dan pengawal selia semakin menuntut sisa bahan kimia yang lebih rendah dan pertanian mesra alam.
Pengurangan Bahan Kimia
Pengurangan herbisid 80–95% dalam beberapa kes
Penyelesaian Tenaga Kerja
Membantu ladang menyesuaikan diri dengan kekurangan tenaga kerja
Penyesuaian Iklim
Menyokong ladang menghadapi tekanan iklim
