研究成果

(2021年成果)
子計畫十一：農業地景生態監測及復育
主持人：楊明德
團隊成員：陳樹群、蔡慧萍、柳婉郁

一、子計畫推動重點、成果與特色亮點

1. 針對臺灣中部淺山地區農業地景，以南投縣西側6個鄉鎮，包含南投市、名間鄉、竹山鎮、中寮鄉、集集鎮、鹿谷鄉做為研究區域。研究區域海拔高度介於70~2,300公尺，總面積為736.4 km2，占全南投縣總面積約18%，地勢呈現西低東高、山多平原少的形貌；因地理環境及氣候條件，境內農地生產多種有旱作、果樹及花卉，旱作以茶葉的生產居多。根據行政院農委會農糧署2020年的統計資料顯示，名間鄉茶葉生產占全國茶葉產量的28.4%，為臺灣茶葉重要產區。此外，根據2017年行政院農業委員會林務局委託之研究計畫《臺灣中西部淺山廊道生態保育策略與架構的實踐》，淺山區域之定義旨為人類容易到達的生態環境，海拔高度低於800公尺及平均坡度大於5%的低海拔山區與丘陵地(農業委員會林務局，2017)，多與本研究區域之地理特徵相似，因此選擇南投縣6鄉鎮作為臺灣中部淺山地區之代表區域，擬利用衛星影像對中部淺山區域的生態環境及人文活動之變遷進行分析。

2. 本研究以臺灣中部淺山地區農業地景做為研究對象，考量農地資源具有高經濟價值及資源轉用不可逆(irreversible)的特性，期透過分析多時期的遙測影像資訊，探討地景於時空的變化過程以及生態特色，進而提出兼具農業經濟發展和環境生態平衡的復育管理建議。本研究藉由目前遙測技術與電腦運算資源之發展，結合深度學習模型，進行中部淺山地區農業地景分類，再藉由地景指標之分析，量化並探討其空間結構多時期變遷趨勢。在淺山永續農業生態系統服務價值評估方面，以多準則決策分析(Multiple Criteria Decision Analysis, MCA)之網路程序分析法(Analytical Network Process, ANP)，分析各因素間的反饋與相依關係，建立標準化之農地生態系服務價值評估架構。
3. 本年度成果如下簡列：
   1. 以台灣中部淺山區域綠帶為主，研究區域包含南投縣西側6個鄉鎮-南投市、名間鄉、竹山鎮、中寮鄉、集集鎮、鹿谷鄉。初步發現農地面積增加，但呈現細碎化且農地斑塊形狀皆有趨向不方整的趨勢。
   2. 利用河寬、坡度、地形凹度作為主要變化因子，並搭配真實案例的河川型態變化來驗證上述所提出之理論是否正確，研究結果顯示，理論與實際案例的結果是相符合的。
   3. 生態檢核部分以中部淺山區域為示範區，優先檢核其地景單元的面積變化，發現森林佔整體地景最多，約為70%；建築區約為18%；農作區約為6%；裸露地與水體共約6%。
   4. 根據1982至2012年植被與氣候因子之趨勢分析，發現中部地區500至1000公尺範圍，植被於1990至2000年內有下降趨勢，雨量和最低溫上升，須持續關注氣候變遷對於各地景單元的影響。
   5. 架構分析各項生態系服務結果顯示，多數農地利用類型皆以生物多樣性與水資源蓄存具有最高權重值，以植物修復權重值最低。

(一)人才培育面向

1. 參與學生人數33人，110年共培育碩士，博士共計22人，延攬研究助理11名。土木系楊明德特聘教授共培育三名博士生、四名碩士生，包含許鈺群、曾信鴻、Yared Bitew Kebede等三名博士生，及張巧琳、陳怡璇、陳柏安、葉俊緯等四名碩士生。土木系蔡慧萍助理教授共培育三名博士生、三名碩士生，包含莊忠翰、王畊貴與黃薇穎等三名博士生，施竣仁、何承翰、黃彥博等三名碩士生。其中莊忠翰與王畊貴博士生，於2020年及2021年分別獲得「培育優秀博士生獎學金」試辦方案4萬/月，為期4年。森林系柳婉郁特聘教授共培育四名博士生，三名碩士生。包括王青怡、劉芝麟、李天裕、俞鋐文等博士生，以及黃彥翔、陳品臻、林佑政等三名碩士生。其中，培育俞鈜文博士生，目前在計劃支持下，獲得台灣農村經濟學會碩士論文獎、台灣環境與資源經濟學會碩士論文獎、台灣戶外遊憩學會最佳碩士論文獎。另外本計畫之研究成果發表於中華林學會，培育俞鈜文博士生獲得中華林學會學術研討會論文發表第二名，培育周晏竹碩士生獲得中華林學會學術研討會論文發表第三名。培育謝敬華、紀凱茵得到2021年農業生態系研討會第一名。培育陳品臻碩士生榮獲台中市政發展論文獎。
2. 楊明德教授帶領博士生許鈺群、曾信鴻，以休～想種下去，參與110/11/17農業委員會「110年農業開放資料工作坊」，榮獲競賽第二名。

楊明德教授團隊農委會賽事獲獎合影

3. 楊明德教授帶領博士生許鈺群、碩士生曾偉誠、陳柏安，以水稻小幫手，參與台北市電腦公會舉辦2021資料創新應用競賽，榮獲農業開放資料應用組-銀獎及及10萬元獎金。

2021資料創新應用競賽-銀獎

4. 楊明德教授帶領研究生曾偉誠，以無人機3D航線模擬平台，參與內政部2021國土測繪圖資GIS競賽3D新創應用組第三名，獎金10萬。

2021國土測繪圖資GIS競賽第三名

5. 楊明德教授帶領指導博士生曾信鴻、許鈺群、碩士生洪奕瑾，以「利用深度神經網路於高光譜影像物件式分類」，榮獲社團法人中華水土保持學會110年度論文獎。

中華水土保持學會110年度論文獎

(二)學術研究面向

1. 楊明德教授之農地的人工智慧辨識研究成果發表於Remote Sensing IF: 4.848，Rank: 13%，本研究修改了經典的 CNN 架構 VGG-16，以應用於補秧的水稻秧苗檢測。採用訓練/測試數據的 80/20比率及 k 折交叉驗證，CNN模型的準確率隨著epoch的增加而增加，交叉驗證資料集的都達到0.99的準確率。《論文連結》

2. 楊明德教授之智慧手機APP水稻含水量辨識研究成果發表於Sensors IF: 3.576，Rank: 21%，穀粒水分含量(GMC)是水稻適宜收穫期的關鍵指標。傳統的測試既費時又費力，因此不能在大範圍內實施，並且不能夠估計未來的變化，以揭示最佳收穫。應用智慧手機拍攝單穗的影像，並使用光譜幾何校正板進行校正。每次獲得86個穗樣品，然後在80°C下乾燥7天以獲得濕GMC，共獲得517個有效樣本，其中80%隨機用於訓練，20%用於測試，以構建基於影像的GMC評估模型。在代表現場 GMC 的 1 平方米區域為一樣本，對 201 個樣本進行 17 次 GMC 調查，從而實現多日 GMC 預測。使用主成分分析選擇了八個顏色指數來構建四個機器學習模型，包括隨機森林、多層感知器、支持向量回歸 (SVR) 和多元線性回歸。 MAE為1.23%的SVR模型最適合小於40%的GMC。本研究使用智慧手機提供即時且具有成本效益的非破壞性 GMC 測量，可以在農地預測收穫日期，並促進農業機械的收割排程。《論文連結》

3. 柳婉郁教授之透過能源交易之最適分享能源評估研究成果發表於 Energy IF: 7.147，Rank: 4%，構建一個混合整數規劃模型，透過能源互聯網和能源交易平台實現住宅綜合體的最優能源共享，透過該模型，擁有可再生能源設施和電池儲能係統的房屋可以進行能源交易和共享。使整個住宅群的總利潤最大化。《論文連結》

4. 陳樹群教授開發之調整型防砂壩的理論與應用，可永續經營台灣的溪流生態與土砂平衡，為本計畫的核心價值。研究成果發表於 Earth Surface Processes and Landforms IF: 4.133，Rank: 23%，防砂壩拆除過程造成之泥沙沖刷和地形反應尚不清楚。本研究先以室內試驗揭示了防砂壩調整的三個階段(深化、拓寬和體積釋放)後，臺灣中部蘭島溪一座建於2007年之防砂壩在2015年進行了調整，移除了中間的橫桿，並將中間之縱柱下切了2.5公尺(階段1 2)，其目的是調節輸沙量，使河槽保持在河道中心位置，同時防止坡腳侵蝕。2019年，拆除了四個中心縱柱(階段3)，以增加沉積物釋放量。在2015年的初步調整後至2020年間，使用無人機(uav)進行年度調查。防砂壩的調整顯示河道已經變窄和穩定，河岸植被的重生證明了這一點。此外，在靠近防砂壩的河槽坡腳處形成了明顯的階地。調整後上游彎道減弱。研究將室內試驗與現場實際觀測相結合，對防砂壩退役具有重要意義。此外，這項研究還說明了調整型防砂壩如何有助於泥沙輸送的調節和泥沙平衡，可以根據渠道條件進行相應的調整。《論文連結》

(三)產學合作面向

1. 楊明德教授產學合作：「智慧無人機荔枝椿象聯合防治服務合作」，對象為「航見科技」, 期間：2020/6/8-2022/6/30，金額 1,460,00元。

(四)國際鏈結面向

1. 楊明德教授團隊2021年10月26辦理國際研討會「International Conference on Smart Agriculture using UAV」。邀請美國德州農工大學之Corpus Christi Research Center的Dr. Juan Landivar Bowles教授，演講題目為 Remote Sensing Tools for Agriculture Research and Precision Management: Challenges and Opportunities。UAS在智慧農業與精準農業上有高度的機會，對於作物能夠精準掌握數據，透過AI技術轉譯為輔助栽培管理決策知識，有效增進糧食產能與農務效率。Dr. Juan Landivar Bowles教授在AI與影像處理技術農作物上由淺入深引領聽眾。

2. 楊明德教授於2021/11/26舉辦標竿學校TAMU Norman Borlaug 講座系列，參與會議 16人；邀請國外學者Dr. Prof. Nithya Rajan (標竿中心成員)，交流農作物表型體(phenotyping)特徵收集與應用技術。

3. 柳婉郁教授於2021/10/13舉辦2021後疫情時代淨零碳排社會之挑戰與機會 (2021 East Asia Forum on Climate Change Law and Policy Webinar) 國際線上研討會。邀請來自美國、日本、韓國、新加坡、澳洲、韓國及國內專精研究氣候變遷科學、公共政策、國際經貿法、環境經濟與國際援助等領域頂尖專家學者擔任主持人與講者，並就氣候變遷趨勢、生態保育及淨零排放法律與政策等多項議題發表研究成果及交流與談，全程以英文進行，吸引了超過兩百多位國內外專家學者、業界代表以及東南亞、印度等大學師生與會。

(六)環境建置面向

1. 季節轉變會導致溫濕度與空氣流動性等環境因子改變。環境溫度高於動物適宜生長之溫度，家畜處於熱緊迫(heat stress )狀態時，導致減少活動、食慾減退。進一步影響其生產性能、繁殖能力和免疫功能減弱等。為了掌控動物周圍的環境條件變化，本研究將建立溪心壩畜牧場全域環境即時監測系統，以提供現場人員掌握環境情形。概念設計主要分成五個步驟(圖 1)，首先是透過Arduino開發環境監測感測器。第二步驟應用LoRa技術實現長距離低功耗的傳輸。第三步驟是建立資料庫與資料處理。第四步驟設計數據呈現介面。最後建立遠端控制設備。

2. 計畫中利用3D列印技術設計兩款環境監測感測器，分別為溫溼度感測器(圖 2)與風速感測器(圖 3)。並將其架設在溪心霸牧場內進行痊癒環境的即時監測，感測器擺放位置如圖4所示。最後將利用利用HTML建立農場專用的網頁介面(圖5)，能夠提供操作者有效的監控農場內的環境，並且可透過LoRa技術遠端控制設備的開關。本研究所設計之網頁介面與監測設備具有可擴充性，未來能夠提供更多功能，以及數據的收集可提供研究使用

二、計畫成員傑出績效亮點

1. 土木系楊明德教授結合無人機(UAV)與人工智慧(AI)應用於多種情境的監測與調查，協助實現智慧城市、智慧農業，榮獲科技部109年度傑出研究獎。
2. 森林系柳婉郁教授榮獲(110)年度「呂鳳章先生紀念獎章」呂鳳章紀念獎章旨在鼓勵45歲以下優秀青年從事管理科學技術的研究與實施，並獎勵推廣管理工作及成效卓越者，為台灣管理領域年輕學者的最高榮譽，今年只有三人獲獎。

三、未來展望

1. 瞭解淺山區域綠帶空間結構多時期變遷:此部分將可成為生態系統功能性評估之基礎。
2. 驗證淺山區域藍帶(水系)空間結構劃分之合理性及正確性。
3. 開發並應用台灣淺山區域特色之生態檢核表於示範區:可進行推廣至台灣其他淺山區域，可更加了解各區域之異同，並研擬環境管理對策。
4. 探討氣候變遷下之台灣淺山區域生態農業地景變遷 :可預估氣候變遷之影響及早進行因應對策研擬。
5. 在充分瞭解淺山區域之水系特性後，對於往後針對淺山區域之研究、規畫、建設等，皆可作為有效的參考資料。並可幫助政府機關制定台灣淺山區域之環保、防災政策。
6. 分析淺山地區生態系服務，建構淺山地區符合環境永續與山村經濟發展之生產系統。
7. 建構淺山地區之生態系服務評估指標，進一步提出淺山地區之生態系服務給付政策。

四、成果影音 ---------------------------------

照片圖說：楊明德教授榮獲科技部109年度傑出研究獎(2021)