郁 云，許 昌，徐 堅，魏 瑾

(1.南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息服務(wù)學(xué)院，南京 210046；2.河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，南京 211100)

智能施肥機作物覆蓋率測量系統(tǒng)設(shè)計
———基于北斗導(dǎo)航和多媒體圖像處理

郁 云1，許 昌2，徐 堅1，魏 瑾1

(1.南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息服務(wù)學(xué)院，南京 210046；2.河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，南京 211100)

為了提高施肥機的智能化水平，實現(xiàn)施肥機械的變量施肥控制，提出了一種基于北斗導(dǎo)航和多媒體圖像處理的智能施肥機測量系統(tǒng)，并重點對系統(tǒng)作物覆蓋率的測量系統(tǒng)進行了設(shè)計。本研究采用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)為采棉機進行位置服務(wù)，采用 GPRS 無線通信技術(shù)，避免了通信鏈路小、覆蓋面積小等問題，采用多媒體圖像的去噪處理，提高了裝置對惡劣天氣的自適應(yīng)能力。最后，在普通的施肥機械上搭載了智能施肥機作物覆蓋面積測量系統(tǒng)進行了試驗，結(jié)果表明：該系統(tǒng)可以成功地返回準確的作物覆蓋率，且在霧雨天氣也能夠保持良好的準確性，從而驗證了裝置的可靠性，為現(xiàn)代智能的農(nóng)機設(shè)計提供了較有價值的借鑒。

智能施肥；覆蓋率；北斗導(dǎo)航；圖像處理

0 引言

農(nóng)機的定位和導(dǎo)航是實現(xiàn)我國精準農(nóng)業(yè)的重要技術(shù)，隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中高功率作業(yè)機械、飛機施肥和噴藥裝置等大型農(nóng)業(yè)機械化裝置的使用，田間定位和導(dǎo)航技術(shù)越來越顯得重要。在農(nóng)業(yè)作業(yè)生產(chǎn)過程中，在農(nóng)機上使用衛(wèi)星定位和導(dǎo)航系統(tǒng)可以大幅度地提高其生產(chǎn)和作業(yè)的效率。從北斗驗證系統(tǒng)開通到 2012 年底北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式向亞洲地區(qū)提供服務(wù)以來，在農(nóng)業(yè)、水利、通信、減災(zāi)、海事、海洋漁業(yè)、交通、勘探及森林防火等多個領(lǐng)域得到成功應(yīng)用，具有集定位、實時、短報文通信及用戶監(jiān)測于一體等顯著特點。將北斗導(dǎo)航系統(tǒng)使用在現(xiàn)代農(nóng)機的導(dǎo)航系統(tǒng)中，對實現(xiàn)農(nóng)機的自動化和智能化準確定位、提高我國農(nóng)機的自主導(dǎo)航能力具有重要的現(xiàn)實意義。

1 農(nóng)作物覆蓋率智能化測量技術(shù)

農(nóng)作物的覆蓋率是表征作物生長狀況的重要參數(shù)，其定義是指作物在田間的投影面積和整個農(nóng)田的面積之比，能夠客觀地反映農(nóng)作物的生長動態(tài)狀況。農(nóng)作物覆蓋率的測量方法主要有兩種，具體包括地面測量和遙感測量。

1.1 地面測量法

地面測量方法又分為3種，包括儀器測量方法、統(tǒng)計測量法和攝像測量方法。儀器測量是指使用專門的光照測量儀器，對植物獲取的光照量進行測量，從而獲得農(nóng)作物的覆蓋率。統(tǒng)計測量方法是指利用覆蓋率的時空模型，在已知關(guān)聯(lián)性因子和模型的情況下，利用已知的測量條件，對覆蓋率進行合理的推算。攝像測量方法是指利用高清CCD攝像機對農(nóng)作物進行攝影和拍照，然后利用多媒體圖像處理技術(shù)對圖像進行處理，對圖像設(shè)置合理的RGB閾值，提取出圖像的綠色像素，由不同顏色的像素可以得到農(nóng)作物的具體覆蓋度。

1.2 遙感測量法

遙感測量技術(shù)和地面測量技術(shù)有所不同，遙感測量技術(shù)主要是利用遙感技術(shù)獲取植物的光譜信息，建立植被和光譜之間的關(guān)系模型，獲取農(nóng)作物的覆蓋度。相對于一般的地面測量方法，遙感技術(shù)可以在大范圍內(nèi)測量，具有速度快、效率高、測量范圍廣泛等特點，最常見的是利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)提取某一個數(shù)據(jù)的NDVI值，常用的方法是物理模型方法和統(tǒng)計模型方法。物理模型方法主要是利用光與植被的相互作用，建立覆蓋度和光譜信息的物理或者光學(xué)關(guān)系，反演出植被的覆蓋度方法。統(tǒng)計模型法和物理模型法方法類似，該方法利用統(tǒng)計方法對植被的光譜信息進行分析，從而統(tǒng)計出作物覆蓋率和光譜之間的關(guān)系模型。本研究結(jié)合地面和遙感技術(shù)，創(chuàng)建了施肥機施肥變量控制系統(tǒng)，總體框架和流程如圖1所示。

圖1 施肥機施肥變量控制系統(tǒng)Fig.1 The variable control system of fertilizer application

數(shù)據(jù)初始化完成后，首先利用北斗導(dǎo)航對作物進行定位，然后利用在施肥作業(yè)區(qū)內(nèi)對作物的覆蓋率圖像進行采集。由于在采集過程中會有噪聲干擾，因此需要利用圖像處理技術(shù)對噪聲進行處理，利用統(tǒng)計方法得到農(nóng)作物的覆蓋率，通過作物覆蓋率的信息，對作物進行變量施肥控制。

2 基于北斗導(dǎo)航和多媒體圖像去噪處理的覆蓋率測量

從北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的開放以來，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)向亞洲地區(qū)開始提供服務(wù)，并且在農(nóng)業(yè)、通信、交通和勘探等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。為了實現(xiàn)施肥機的自主定位，在施肥機上搭載了北斗導(dǎo)航衛(wèi)星定位模塊，其通信模塊如圖2所示。

圖2 基于北斗導(dǎo)航的定位通信模塊Fig.2 The positioning communication module based on Beidou navigation

通信模塊由北斗定位模塊和GPRS通信模塊組成。其中，GPRS模塊主要完成數(shù)據(jù)的通信，由GPRS通信模塊和SIM卡接口電路構(gòu)成；北斗定位模塊由北斗天線和外圍的芯片接口電路組成，可將北斗定位信息數(shù)據(jù)輸送給控制模塊，從而完成施肥機械的定位和導(dǎo)航。

施肥機的作業(yè)往往受到天氣等外部條件的影響(如雨霧天氣)，給圖像采集帶來較大的誤差，因此需要對圖像進行處理，以去除噪聲點。噪聲點一般是以孤立區(qū)存在的，需要對這些孤立區(qū)進行濾除。在采集的作物二值化圖像T中，如果要對某一像素小于N1的點進行濾除操作，可以將其設(shè)置為背景，具體操作為

T(i,j)=

(1)

對孤立點設(shè)置成為背景后需要對孔洞進行填充，圖像中的孔洞可以看成是黑色像素構(gòu)成的背景塊，其閾值小于N2，將其設(shè)置為白色，方法為

T(i,j)=

(2)

在多媒體圖像去噪分割的過程中，需要結(jié)合分水嶺算法模型，其原理是參照實際的分水嶺流水過程。一維分水嶺的原理示意圖如圖3所示。

圖3 一維分水嶺算法示意圖Fig.3 Schematic diagram of one dimensional watershed algorithm

圖3中，當水線上升至L1時，只有A2盆地進水，當上升至L2時，由A1和A2盆地進水，利用這種原理可以將多種不同閾值的點進行去噪處理。圖像處理完成后，需要將數(shù)據(jù)信息傳送的圖像處理中。典型的圖像采集和處理系統(tǒng)如圖4所示。

圖4圖像采集和處理系統(tǒng)Fig.4 The image acquisition and processing system

作物的覆蓋率圖像采集和處理系統(tǒng)主要是由3部分組成，包括光照系統(tǒng)、CCD相機和數(shù)據(jù)處理模塊。該系統(tǒng)裝有圖像采集卡、圖像存儲和處理的微處理器，其作物覆蓋率測量計算總流程如圖5所示。

圖5 作物覆蓋率測量計算總流程Fig.5 The total calculation process of crop coverage

利用圖4的圖像采集系統(tǒng)采集得到的圖像需要利用相機進行標定，然后去除光照部分，剩下的便是作物的覆蓋率。為了提高統(tǒng)計計算的準確性，需要對圖像進行去噪聲處理，總體覆蓋率的確定需要對全部統(tǒng)計的覆蓋率進行匯總處理，根據(jù)覆蓋率信息，可以實現(xiàn)施肥機的施肥量的變量控制和調(diào)節(jié)。

3 施肥機試驗研究

為了驗證北斗導(dǎo)航和多媒體圖像處理系統(tǒng)在智能變量施肥機上使用的可行性，將作物覆蓋率測量系統(tǒng)搭載到了普通的小麥施肥作業(yè)機械上，其試驗作業(yè)場景如圖6所示。

在試驗過程中，選擇了地勢較為平坦的小麥作業(yè)區(qū)，對小麥的覆蓋率進行測量，并返回測量過程中的多媒體處理圖像。為了測量覆蓋面積，需要對圖像進行二值化處理，結(jié)果如圖7所示。

圖6 搭載作物覆蓋率測量系統(tǒng)的施肥機械Fig.6 The fertilizer machine with crop coverage measurement system

圖7圖像處理結(jié)果Fig.7 The results of image processing

由圖7處理結(jié)果可知：采用第2節(jié)的圖像處理方法可以有效去除土壤背景的影響，從而有效提高圖像數(shù)據(jù)采集的準確性。

同一區(qū)域、不同時刻覆蓋度測量結(jié)果如圖8所示。

圖8 去噪聲前覆蓋度測量Fig.8 The coverage measurement of before denoising

由圖8可以看出：由于受到雨霧天氣的影響，在不同時刻采集到的結(jié)果出現(xiàn)了偏差；試驗階段，由于霧較大，誤差顯得特別大。

圖9表示去噪聲后覆蓋度測量結(jié)果。由圖9可以看出：在不同時刻測得的覆蓋度的結(jié)果相對穩(wěn)定，波動小，沒有出現(xiàn)較大的偏差，從而驗證了多媒體圖像處理去噪方法的可靠性。

圖9 去噪聲后覆蓋度測量Fig.9 The coverage measurement of after denoising

表1為覆蓋度預(yù)測準確性的數(shù)據(jù)統(tǒng)計。由表1可以看出：通過和地面測量方法相比較，遙感測量方法的誤差不大，與地面測量方法較為接近，且比地面測量方法具有更高的精度。

表1 覆蓋度預(yù)測準確率統(tǒng)計

4 結(jié)論

為了實現(xiàn)施肥機械的施肥量的變量調(diào)節(jié)，提高施肥效率，基于北斗導(dǎo)航和多媒體圖像處理技術(shù)，設(shè)計了一種新的以作物覆蓋率為依據(jù)的變量施肥控制系統(tǒng)，并重點對作物覆蓋率測量系統(tǒng)進行了設(shè)計。為了驗證系統(tǒng)的可靠性，對系統(tǒng)圖像處理水平和覆蓋率預(yù)測的準確性進行了測試，結(jié)果表明：采用圖像處理系統(tǒng)可以有效去除土壤背景和天氣因素干擾的影響，提高圖像數(shù)據(jù)采集的準確性。在惡劣天氣條件下，采用圖像處理后測得的覆蓋度結(jié)果更加穩(wěn)定，與地面測量方法相比較，遙感測量方法誤差不大，測量精度相對較高，可以滿足施肥機變量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的需要。

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Crop Coverage Measurement System Design for Intelligent Fertilizing Machine—Based on Beidou Navigation and Multimedia Image Processing

Yu Yun1, Xu Chang2, Xu Jian1, Wei Jin1

(1.Department of Information Service, Nanjing College of Information Technology, Nanjing 210046, China; 2.College of Energy and Electrical Engineering, Hohai University, Nanjing 211100, China)

In order to improve the level of intelligent fertilizing machine, realize the variable fertilization machinery control, it put forward a kind of Beidou navigation and multimedia image processing system based on intelligent fertilizing machine measurement system, and focuses on the crop coverage rate measurement system. This research used the Beidou satellite navigation system (BDS) location service for cotton picker by using GPRS wireless communication technology to avoid the problem of communication link.Small coverage area is small by the use of multimedia image denoising, which can improve the adaptive ability of bad weather device. Finally, it studied the ordinary fertilizer machinery equipped with intelligent fertilizing machine crop cover area measurement system. The experimental results showed that the system can successfully return accurate crop coverage, and maintain a good accuracy in the fog rain weather also, so as to verify the reliability of the device, which can provide more valuable reference for the design of modern intelligent agricultural machinery.

intelligent fertilization; coverage rate; Beidou navigation; image processing

2016-12-11

南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院院基金項目(YK20140601)；科技部中丹國際合作項目(2014DFG62530)；江蘇省自然基金面上項目(BK20131369)

郁 云(1981-)，女，南京人，講師，碩士，(E-mail) yuyunyy2008@sina.cn。

S275.6；TP273

A

1003-188X(2018)02-0226-05