黃榮喜

(廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息工程系，南寧 530007)

0 引言

農(nóng)作物在生長(zhǎng)過程中會(huì)受到各種生物和非生物逆境的影響，生物逆境主要包括病、蟲和雜草危害。雜草會(huì)與農(nóng)作物競(jìng)爭(zhēng)營養(yǎng)、水分、光照和生長(zhǎng)發(fā)育空間，并且傳播病蟲害，或者為病蟲害提供滋生場(chǎng)所，給農(nóng)業(yè)造成嚴(yán)重的損失。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，我國的農(nóng)田雜草超過1 400種，分屬于87科的366個(gè)屬，嚴(yán)重危害農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要雜草有60種多，部分為從國外傳人的惡性雜草。20世紀(jì)末，雜草在世界范圍內(nèi)給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的損失達(dá)到了763億美元[1]。聯(lián)合國糧農(nóng)組織的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：世界的糧食作物因生物逆境損失30%～35%，其中歸因于雜草的為10%，數(shù)量達(dá)到2.9億t。在我國，這一比例也是10%，每年損失的糧食超過1 000萬t，農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量同時(shí)受到影響[2]。

及時(shí)有效地去除雜草是保證農(nóng)作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的一項(xiàng)重要措施，目前采用的除草方法有人工除草、機(jī)械除草和化學(xué)除草。人工拔除雜草方法的勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率較低，不符合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。機(jī)械除草是在耕、翻、耙等田間作業(yè)過程中利用除草鏟或除草耙等將雜草鏟除或深埋，從而達(dá)到除草的目的。這一方法的作業(yè)速度快、效率高，是推動(dòng)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。目前，除草機(jī)械已經(jīng)開發(fā)出了多種型號(hào)，能夠滿足不同農(nóng)作物在各種種植條件下的生產(chǎn)需求；但是，機(jī)械除草方法的作業(yè)精度和選擇性較差，適用于農(nóng)作物出苗前的田間除草或作物行間的除草，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)株間雜草的根除[3]。

化學(xué)除草即通過噴灑化學(xué)除草劑來殺滅雜草，是應(yīng)用最廣泛和最有效的除草方法?；瘜W(xué)除草操作方便快捷，除草效率高，成本較低。但是，該方法也面臨著一些問題和挑戰(zhàn)，如部分除草劑對(duì)農(nóng)作物具有毒性，同時(shí)除草劑的粗放式大面積噴灑也帶來了浪費(fèi)問題，以及在糧食和環(huán)境中殘留所引起的安全問題[4]。另外，除草劑在局部的過量噴灑會(huì)對(duì)作物造成藥害。隨著基因工程技術(shù)的發(fā)展，一些能對(duì)特定除草劑產(chǎn)生抗性的基因已經(jīng)被轉(zhuǎn)入部分農(nóng)作物，用于雜草的化學(xué)防治。例如，抗草甘膦的EPSP基因和抗草銨膦的Bar基因，它們轉(zhuǎn)入棉花和水稻后都能賦予這些作物對(duì)上述除草劑的抗性，從而在化學(xué)除草作業(yè)中不會(huì)受到除草劑的危害。

針對(duì)粗放噴灑所引起的浪費(fèi)和殘留問題，人們提出了變量噴藥的概念，并進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)和研究[5]。變量噴藥是基于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展起來的一種技術(shù)，它是根據(jù)雜草在田間的位置、種類和密度，對(duì)除草劑噴灑的時(shí)機(jī)和劑量進(jìn)行變量調(diào)節(jié)，從而達(dá)到減少除草劑用量，及提高雜草去除率的效果。要實(shí)現(xiàn)變量噴藥，關(guān)鍵在于對(duì)田間雜草的準(zhǔn)確識(shí)別，準(zhǔn)確獲取其位置、分布、密度和種類等信息[6]。

目前，用于識(shí)別田間雜草的主要方法有人工識(shí)別、遙感識(shí)別和計(jì)算機(jī)視覺識(shí)別。其中，人工識(shí)別方法勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率較低，識(shí)別效果主要依賴于勞動(dòng)者的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，不是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展方向；遙感識(shí)別由于觀測(cè)距離太遠(yuǎn)，導(dǎo)致分辨率低，只適合對(duì)種植區(qū)域內(nèi)的雜草生長(zhǎng)情況進(jìn)行判別和預(yù)測(cè)，對(duì)局部乃至作物株行間的雜草識(shí)別效果較差，無法達(dá)到精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的要求[7]；計(jì)算機(jī)視覺是利用拍攝設(shè)備獲取圖像，然后應(yīng)用電腦對(duì)目標(biāo)圖像進(jìn)行分析和識(shí)別。這一技術(shù)的核心是對(duì)圖像的理解和分析，關(guān)鍵在于對(duì)圖像的分割和對(duì)目標(biāo)特征的識(shí)別上。計(jì)算機(jī)視覺可以用于對(duì)田間雜草的快速準(zhǔn)確識(shí)別，是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展的一項(xiàng)重要技術(shù)[8-12]。

玉米是我國重要的糧食作物，遍布在大多數(shù)省份。玉米的種植區(qū)域環(huán)境各異，使得田間雜草群落復(fù)雜，包括馬唐、稗草、黎和牛筋草等，生命力強(qiáng)，引起玉米較大的產(chǎn)量損失。另外，各種農(nóng)藥和除草劑的頻繁使用，也導(dǎo)致雜草防治的難度逐年增加。因此，提高現(xiàn)有玉米除草機(jī)械的自動(dòng)化水平，具有很大的現(xiàn)實(shí)意義[13]。本文針對(duì)我國玉米各種植區(qū)域雜草種類繁多，危害嚴(yán)重且防治難度大的問題，開發(fā)了一種利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)對(duì)玉米田間雜草進(jìn)行識(shí)別、控制噴藥裝置進(jìn)行變量噴藥的除草系統(tǒng)，并在田間進(jìn)行雜草的識(shí)別試驗(yàn)，在室內(nèi)驗(yàn)證變量噴藥的準(zhǔn)確性，旨在為玉米田間的機(jī)械化除草提供技術(shù)支持。

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理及結(jié)構(gòu)

1.1 設(shè)計(jì)原理

利用數(shù)碼相機(jī)拍攝玉米田間圖像，導(dǎo)入計(jì)算機(jī)中用圖像處理軟件分析，經(jīng)過灰度化、圖像分割和目標(biāo)特征識(shí)別后提取雜草的信息并傳遞給噴藥控制系統(tǒng)。噴藥控制系統(tǒng)根據(jù)雜草的位置和密度信息，結(jié)合機(jī)械的行進(jìn)速度控制噴頭的開閉時(shí)間和程度，實(shí)現(xiàn)變量噴藥。系統(tǒng)每采集分析1幅圖像后就行進(jìn)1幅圖像中的距離，并完成1個(gè)系列的噴藥作業(yè)，然后進(jìn)入下一個(gè)重復(fù)的操作。

1.2 總體設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)裝載在由瑪特斯1YWG型機(jī)械改裝的自行履帶式噴藥機(jī)械上，機(jī)械距地高度0.5m，作業(yè)面寬2m，能夠滿足玉米苗期的作業(yè)要求。除草系統(tǒng)主要由圖像采集處理模塊和變量噴藥控制執(zhí)行模塊兩部分組成，圖像采集處理模塊包括數(shù)碼相機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換器、計(jì)算機(jī)及裝載的圖像處理軟件；變量噴藥控制執(zhí)行模塊包括單片機(jī)、速度感應(yīng)器、電磁閥和噴頭。各模塊由自行機(jī)械上所帶的蓄電池提供電源。具體裝置之間的連接如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的工作流程Fig.1 Working flow chart of the system

2 系統(tǒng)的組成

2.1 圖像采集處理模塊

圖像采集處理模塊由數(shù)碼相機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換器、計(jì)算機(jī)和裝載的圖像處理軟件組成。數(shù)碼相機(jī)為尼康D810型單目相機(jī)，安裝在除草機(jī)械的前部頂端，離地高度1.5m，俯視角30°。該型相機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，體積較小，采用防抖動(dòng)安裝。相機(jī)一次拍攝可以獲取2m×2m范圍的田間圖像用于分析，拍攝的頻率受系統(tǒng)控制，由機(jī)械進(jìn)行的速度決定。采集的原始圖像為模擬信號(hào)，形成2 080萬像素的JEPG格式圖片，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器形成BMP格式后導(dǎo)入核心計(jì)算機(jī)中，由計(jì)算機(jī)的數(shù)字圖像軟件進(jìn)行后續(xù)的處理。

核心計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)為聯(lián)想T6900C型，CPU為Intel 酷睿i76700，內(nèi)存為8GB的DDR4型，安裝的圖像處理軟件為MatLab工具箱，運(yùn)行速度快，可以滿足對(duì)圖像實(shí)時(shí)分析處理的要求。拍攝的圖片因俯視角而存在一定程度的畸變，會(huì)影響后續(xù)處方圖的網(wǎng)格劃分。因此，采用紀(jì)壽文等的方法矯正圖像的畸變，然后再通過中值濾波消除拍攝時(shí)隨機(jī)擾動(dòng)產(chǎn)生的噪音干擾[14]。

玉米田中的苗草都為綠色，土壤為黃褐色，同時(shí)還存在一些灰白色雜物，因此須要先利用顏色的差異將植物進(jìn)行分離。本研究選用了超綠(2G-R-B)模型的顏色空間來對(duì)圖像進(jìn)行灰度化處理。處理后的圖像如圖2所示。

(a) 原始圖像 (b) 灰度化圖像 圖2 玉米田間雜草圖像的灰度化Fig.2 Graying of weed image in corn field

計(jì)算機(jī)視覺要按照特定的標(biāo)準(zhǔn)或依據(jù)才能實(shí)現(xiàn)對(duì)雜草的識(shí)別，即雜草與玉米植株之間的特征差異。在大部分研究中，都是根據(jù)外部形態(tài)特征來判別雜草，本文選用的是葉片的長(zhǎng)寬比和圓度這兩個(gè)特征。長(zhǎng)寬比是葉片的最小外接矩形的長(zhǎng)與寬的比值，圓度是葉片面積與周長(zhǎng)平方的比值。為提高雜草識(shí)別速率，圖像的分割采用運(yùn)算模型較為簡(jiǎn)單的閾值分割法。將灰度化圖像變換為直方圖后，對(duì)3個(gè)分量分別做最大類間方差分析，然后進(jìn)行圖像的二值化，獲得各形狀特征的閾值T1和T2。

將每張圖像劃分為5行×5列的處方圖，計(jì)算每個(gè)區(qū)域中兩個(gè)形狀特征值，若某個(gè)區(qū)域的長(zhǎng)寬比<閾值T1且圓度>閾值T2，即判定存在雜草。特征值的大小則反映雜草的密度或生長(zhǎng)狀況，在處方圖中通過灰度的深淺表示。對(duì)于一些葉片性狀與玉米相識(shí)的單子葉雜草，則根據(jù)玉米苗期莖的顏色特征，用綠-紅指標(biāo)進(jìn)行分割識(shí)別。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該模塊對(duì)田間雜草的識(shí)別率為90%，處理單張圖片的平均耗時(shí)為86ms，能滿足機(jī)械快速行進(jìn)過程中對(duì)雜草進(jìn)行實(shí)時(shí)識(shí)別的要求，最后的識(shí)別結(jié)果如圖3所示。

(a) 識(shí)別圖像 (b) 處方圖 圖3 玉米田間雜草的識(shí)別Fig.3 Identification of weed in corn field

2.2 變量噴藥控制執(zhí)行模塊

變量噴藥控制執(zhí)行模塊由單片機(jī)、速度感應(yīng)器、電磁閥和噴頭組成。以AT90C51型單片機(jī)作為控制模塊的核心，用于接受計(jì)算機(jī)發(fā)來的雜草信息，并結(jié)合速度感應(yīng)器的數(shù)據(jù)，通過計(jì)算確定需要噴藥的網(wǎng)格區(qū)域及合適的噴藥時(shí)機(jī)，然后向除草執(zhí)行模塊發(fā)出作業(yè)指令，實(shí)現(xiàn)變量噴藥。速度感應(yīng)裝置為安裝在機(jī)械地輪上的YS96B型霍爾元件，用于采集機(jī)械行進(jìn)時(shí)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)換為速度后輸出。

噴頭安裝在機(jī)械的前端，離地高度0.7m，共5個(gè)。每個(gè)噴頭由1個(gè)電池閥控制，對(duì)應(yīng)處方圖中的1列方格。噴頭類型為實(shí)心錐，噴灑的藥液呈圓形分布，一次噴灑的藥液調(diào)節(jié)為覆蓋以方格中心為圓心，半徑達(dá)0.2m的圓形面積。若某個(gè)方格內(nèi)有雜草，噴頭運(yùn)動(dòng)到其中點(diǎn)上方時(shí)便開啟噴藥。電磁閥通過脈沖寬度調(diào)制技術(shù)改變噴頭控制閥門的開關(guān)狀態(tài)和開關(guān)程度，從而實(shí)現(xiàn)變量噴藥。4種占空比分別為0、33%、67%、100%，對(duì)應(yīng)處方圖中4種除草劑噴灑劑量。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

除草系統(tǒng)的準(zhǔn)確性在室內(nèi)進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)在制作的土槽上進(jìn)行。將土槽劃分為5列方格，每個(gè)方格的大小為0.4m×0.4m，隨機(jī)選擇50個(gè)方格栽種雜草。機(jī)械在土槽邊上與其在輪距相同的軌道上行走，設(shè)置3個(gè)速度分別是0.2、0.3、0.4、0.5m/s，進(jìn)行不同速度下的變量噴藥試驗(yàn)。噴藥精確性的評(píng)價(jià)為：雜草葉表面75%以上被噴藥液定義為精確噴灑，雜草葉表面25%～75%被噴藥液定義為較精確噴灑，雜草葉表面25%以下被噴藥液定義為漏噴灑，無雜草方格被噴灑的定義為誤噴。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

當(dāng)機(jī)械速度為0.2m/s時(shí)，噴灑的精確率為96%，漏噴灑數(shù)很少，沒有出現(xiàn)誤噴灑的情況，變量噴藥表現(xiàn)出很好的準(zhǔn)確性。隨著機(jī)械速度的增加，噴灑的精確率下降，漏噴灑數(shù)增加，并且出現(xiàn)誤噴灑的情況，導(dǎo)致藥液的浪費(fèi)和殘留污染。若要兼顧變量噴藥的準(zhǔn)確性和作業(yè)效率，則該系統(tǒng)的行進(jìn)速度設(shè)定在0.3m/s較為合適。具體試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

4 結(jié)論

基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)開發(fā)的玉米田間變量噴藥除草系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)緊湊、智能化程度高、成本較低，能夠準(zhǔn)確快速地識(shí)別田間雜草。其在室內(nèi)0.3m/s的速度下表現(xiàn)出最好的作業(yè)效率，具有在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用的潛力。系統(tǒng)的準(zhǔn)確性試驗(yàn)是在室內(nèi)進(jìn)行的，若在田間實(shí)際應(yīng)用，就會(huì)面臨更為復(fù)雜的環(huán)境，其性能勢(shì)必會(huì)受到各種因素的干擾。另外，隨著速度的增加，漏噴灑和誤噴灑的數(shù)目也隨之增加，說明系統(tǒng)對(duì)雜草的識(shí)別及對(duì)變量噴藥的控制準(zhǔn)確性開始降低。因此，針對(duì)上述問題，還須要在后續(xù)研究中進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化和改進(jìn)，以提高其性能的穩(wěn)定性。

表1 系統(tǒng)準(zhǔn)確性的室內(nèi)驗(yàn)證Table 1 Accuracy verification of the system in laboratory

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