自動化無人機監測牛群健康：肯塔基大學開發牧場智慧管理系統

無人機有望成為農民的新好夥伴

根據 CNET 記者 Molly Price 的報導，能夠在牧場上自動監測牛群健康的無人機系統，正由美國肯塔基大學（University of Kentucky）的教授與學生研究團隊積極開發中。這項計畫的動機源自一項驚人的統計數據——每年美國約有 250 萬頭牛因健康問題死亡，占牛隻損失的 60%。

根據北美肉品協會（North American Meat Institute）的資料，2017 年美國牛肉出口額達到創紀錄的 72.7 億美元，同年美國農業部（USDA）數據顯示，美國肉品公司共生產了 263 億磅牛肉。研究團隊希望監測的正是美國重要產業——肉牛生產中的牛群。

由於牛隻長時間在廣大牧場中放牧，農民很難定期逐一檢查每頭牛的健康狀況。無人機系統正好能提供農民一種遠端且自主的方式，即時掌握每頭牛的位置與健康情形，讓他們能更早發現並處理牛群的健康與安全問題。

這套新系統的目標是辨識每一頭牛、在牧場中定位牠的位置，並測量體重、體型、面部特徵和身體活動量等重要健康資訊。該自主無人機系統計畫由 USDA 撥款資助，於 2018 年 2 月 啟動，預計持續至 2021 年 2 月。

自動化無人機的農場作業方式

這套多機協同無人機系統的運作方式如下：

• 觀測無人機：一架觀測機在牛群上方約 27 至 82 公尺（90-270 英尺）高度盤旋，使用向下拍攝的立體攝影機追蹤牛群動態，判斷牛隻的位置與朝向。
• 工作無人機：三架工作機根據觀測機提供的位置資訊，追蹤特定牛隻並執行健康監測任務。
• 實驗室測試：目前團隊在機械工程大樓地下室實驗室建立了測試飛行中心，使用名為「Chuck」的牛隻模型進行自主無人機同步飛行測試。
• 模擬環境：挑高的天花板讓架設在牆壁頂部的攝影機能充當觀測機的角色，利用反射式標記來三角定位無人機與模型牛的位置。附近電腦執行的軟體將座標與飛行指令傳送給工作無人機。
• 安全機制：每架無人機旁都有學生待命作為安全預防措施，但幾乎所有操作都由自動化系統完成。操控員只需在電腦程式中按下幾個按鍵，無人機便會自動起飛、繞行並降落在 Chuck 周圍，同時 Chuck 由滑輪系統拉動以模擬真實牛隻的移動。

負責帶領無人機測試飛行的博士生 Zack Lippay 表示：「我們正努力證明這套方法是安全的，然後才會到戶外與真正的牛群一起運作。一切都是完全自主的，但我們設有安全機制，如果情況不穩定，飛行員可以隨時接手控制。」

團隊使用的是經過改裝的 3DR Solo 無人機，搭載 Raspberry Pi 小型低成本電腦板和無線連接器，使無人機之間能相互通訊。團隊客製化的軟體程式會指揮無人機執行起飛、懸停、返航和降落等動作。

牛隻的「大頭照」：臉部辨識技術

完成自動飛行只是牛群監測程序的第一步，真正的挑戰在於教會無人機辨識不同的牛隻。機器學習與臉部辨識軟體在此扮演關鍵角色。團隊需要訓練軟體辨識牛的大小、體型和顏色，接著還要學會辨識每頭牛的臉部特徵。為此，必須使用真實牛隻影像來建構 3D 模型。

生物系統與農業工程副教授 Michael Sama 及電腦科學教授 Ruigang Yang 負責領導這部分的研究。他們需要蒐集正確的影像資料集來教軟體辨識牛的外觀。

為了捕捉牛隻的 360 度影像，團隊打造了一個「牛隻攝影棚」——這是一個標準的牛欄，但四周均勻分布了 40 台攝影機。牛隻被引導進入欄內後，每台攝影機同時拍攝，產生 40 個以上角度的照片集，用以建構 3D 牛隻模型供軟體學習在牧場中該辨識什麼特徵。雖然攝影棚尚未以真牛測試，但團隊估計憑藉高速攝影機，每天最多可拍攝 50 頭牛的 360 度影像。

無人機飛行是否會造成牛隻壓力？

團隊同時需要確保無人機飛行不會對牛群造成不良影響或壓力。如果無人機導致牛隻心率上升，所蒐集的數據就無法準確反映牛的日常健康狀態。

試驗已經在肯塔基大學位於鄰近凡爾賽市（Versailles, Kentucky）的動物研究中心展開，該農場飼養真實牛群作為肉牛生產研究的一部分。生物系統與農業工程助理推廣教授 Josh Jackson 是畜牧處理與生命徵象監測的專家，負責帶領這部分的計畫。

目前團隊用來蒐集牛群資訊的健康監測設備，包括牛用心率監測帶（類似人類運動員使用的心率帶）以及 GPS 定位器，每頭牛都配戴一個特製項圈來攜帶這些裝置，並透過編號系統對應個別牛隻。Josh 表示這類系統既昂貴又難以管理，無人機團隊能做得更好。

團隊需要確認牛群能夠承受無人機在周圍飛行。目前每週進行三天的測試，每天執行五次、每次 5 至 10 分鐘的試飛，並讓牛群休息四天。計畫首席研究員、機械工程教授 Jesse Hoagg 表示：「使用無人機進行動物健康監測的關鍵之一，是我們必須了解能靠多近、如何在牠們周圍飛行，才能避免任何不良影響。」

目前的結果令人振奮——被無人機環繞飛行的牛群，心率並未上升，也沒有出現壓力跡象。

無人機技術為鄉村農場帶來未來願景

談到肯塔基大學這項 USDA 資助計畫的重要性，USDA 國家糧食與農業研究所（National Institute of Food and Agriculture）國家計畫負責人 Steven Thomson 博士表示：「這項計畫是首批能夠快速監測畜牧群體健康的嘗試之一。無人空中影像系統具有監測大面積牲畜的優勢，就像目前已廣泛用於作物健康監測一樣。這種做法是利用感測器和影像技術來監測關鍵畜牧健康指標的一種經濟有效方式。」

儘管這項自主無人機計畫距離完成還需數年時間，但一旦完成，它將成為提升農場效率、減輕小型牧場農民體力勞動的概念驗證。

Hoagg 教授表示：「我們希望有朝一日，這個計畫中開發的技術能夠真正商業化，供肯塔基州、全美國乃至全世界的小型牧場經營者使用。」

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