王 佳，馬德新

(青島農(nóng)業(yè)大學，山東 青島 266109)

當前圖像處理技術(shù)的應(yīng)用得到各界學者的廣泛關(guān)注，它與其他學科間的交叉融合也發(fā)展得如火如荼，并朝著愈佳的模式解析、高效地運轉(zhuǎn)速度以及優(yōu)質(zhì)的畫面分辨率呈現(xiàn)等目標前進，以期實現(xiàn)圖像的智能化獲取、分析、識別及解讀。與此同時，圖像處理技術(shù)的研究和應(yīng)用已經(jīng)擴展到諸多方面，尤其在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中，它的發(fā)展對于打造農(nóng)業(yè)信息化成果具有重要意義。

1 相關(guān)理論概況

1.1 圖像處理技術(shù)基本概念

圖像是客觀對象的一種抽象闡述，其囊括了被描述對象的相關(guān)訊息，是我們用感官觀察世界存在的基石，也是我們接收、輸出和展現(xiàn)信息的必要方式。圖像處理是借助計算機為媒介對接收的數(shù)據(jù)訊息進行再處理和解讀，以實現(xiàn)人的感官或現(xiàn)實訴求的行為。圖像處理技術(shù)是指利用計算機或其他數(shù)字設(shè)備對獲取的圖像進行各式各樣的加工和處理，它主要應(yīng)用在物體探測和定位、測量識別和驗證等方面。如若將圖像處理技術(shù)與農(nóng)業(yè)機械技術(shù)相互結(jié)合，應(yīng)用于農(nóng)業(yè)的選種、播種、采摘、管理等環(huán)節(jié)，能有效提高勞動生產(chǎn)率，節(jié)省人力資源。

1.2 圖像處理技術(shù)發(fā)展歷程

在1920年初，圖像處理技術(shù)開始起步，那時圖像處理技術(shù)主要用以傳統(tǒng)紙質(zhì)通信領(lǐng)域的信息傳輸；在1960年前后，首臺能實現(xiàn)圖像處理程序的計算機現(xiàn)世，這代表著圖像處理技術(shù)進入了新的發(fā)展階段；在1970年初期到1980年后期，圖像處理技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，廣泛用于科學研究、工業(yè)監(jiān)測、遙感、航空航天、醫(yī)學圖像、天學文等多方面，并在其中發(fā)揮著越來越大的作用。從20世紀90年代到進入21世紀，借助欣欣向榮的計算機技術(shù)的東風以及相關(guān)學科基礎(chǔ)知識的不斷改進，圖像處理技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用在各個領(lǐng)域。

2 圖像處理技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

2.1 病蟲害監(jiān)測

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的對作物的識別和診斷大多數(shù)情況是通過人工調(diào)查得到農(nóng)作物病蟲害信息，然后依據(jù)決策者的經(jīng)驗進行主觀的判斷，這樣低效率的做法已經(jīng)滿足不了對作物病蟲害信息快速、可靠、實時的獲取需求。目前在國內(nèi)，光譜成像技術(shù)已被廣泛應(yīng)用到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中，主要通過光譜分析技術(shù)、可見光成像技術(shù)、多光譜成像技術(shù)、高光譜成像技術(shù)等獲取農(nóng)作物病蟲害情況。這幾種方法均利用圖像處理技術(shù)進行識別，具有快速、可靠、無損傷性、信息量大等優(yōu)勢，因此圖像處理對病蟲農(nóng)害防治具有重大意義。

2.2 生長環(huán)境因子監(jiān)測

作物的生長發(fā)育和產(chǎn)量受水分、肥料影響很大，基于圖像處理技術(shù)的生長環(huán)境因子監(jiān)測系統(tǒng)，能對農(nóng)作物生長進行監(jiān)測與診斷，農(nóng)戶可以根據(jù)生長環(huán)境因子監(jiān)測系統(tǒng)給出的監(jiān)測與診斷結(jié)果，及時地補充水分和肥料。另外，通過采集清晰的圖像可以快速地對農(nóng)作物生長發(fā)育的時令性變化進行評價和估量，同時也能達到實時快捷、有效精確、智能無損地提供農(nóng)作物生長信息及營養(yǎng)成分狀態(tài)診斷的效果，還可以提高農(nóng)戶的農(nóng)藝水平(水肥管理、移栽、采摘以及病害防治等)，從而提高農(nóng)作物產(chǎn)量與品質(zhì)。

在作物生長發(fā)育周期中，不同的作物都有對應(yīng)的噴藥時期，以玉米為例，一旦錯過了合適的噴藥時期，不但不能有效清除雜草，而且還會給玉米幼苗造成傷害；另外，作物生長后期雜草繁殖迅速，這增加了雜草識別與藥物除草的難度，不利于保證作物的產(chǎn)量與質(zhì)量。而基于圖像處理技術(shù)的生長環(huán)境因子可以對不同雜草尤其是針對部分破壞性較大、耐藥性較強的惡性雜草，進行圖像分類，針對不同的雜草實施靶向施藥，方便農(nóng)民對雜草進行治理。

2.3 農(nóng)業(yè)種植管理

圖像處理技術(shù)在作物生產(chǎn)種植管理中開始較晚,借助計算機技術(shù)轉(zhuǎn)型升級的東風，使得在農(nóng)業(yè)種植管理過程中農(nóng)業(yè)機器人發(fā)揮了不可替代的作用，尤其是在種子分揀、果實采摘、噴灑農(nóng)藥、幼苗移栽等方面有著廣泛的應(yīng)用。

2.3.1 種子分揀機器人。①種子分揀機器人先進行定位識別種子，主要利用圖像處理技術(shù)對種子在工作區(qū)域內(nèi)的位置進行定位以及判斷物體是否為種子；②進行缺陷檢測，提取目標種子的特征值，然后與存入數(shù)據(jù)庫的已知的優(yōu)質(zhì)的種子特征值進行比對；③在比對完成后，傳送種子坐標，將優(yōu)質(zhì)種子、劣質(zhì)種子坐標分批傳送到機器人的管理控制中心，進行分揀操作，達到優(yōu)劣種子分類的效果。

2.3.2 采摘機器人。采摘機器人是圖像處理技術(shù)的典型應(yīng)用，以中國特色茶產(chǎn)業(yè)為例，圖像處理技術(shù)在茶隴道路識別與采摘機器人導航中的應(yīng)用，給中國茶產(chǎn)業(yè)帶來了新機遇。利用圖像處理技術(shù)判定茶樹新苗并實現(xiàn)自動定位的采摘機器人，可以保證葉片的完整性和整齊度。茶場主使用采摘機器人作業(yè)替代人力，不僅可以減少人力雇傭的資金投入，而且能夠改善采茶質(zhì)量和提高生產(chǎn)效率。當然采摘機器人的識別的準確率還需要再進行改造升級，解決受外在環(huán)境干擾影響準確率的問題。

2.3.3 噴灑農(nóng)藥機器人。噴灑農(nóng)藥機器人可以分為地面機器人和空中機器人，地面噴藥機器人主要針對小范圍作物精細噴灑，通過攝像頭采集數(shù)據(jù)，將采集到的農(nóng)作物圖像傳送圖像處理中心，通過計算機分析植物葉片的病變程度，遠程自動噴藥機器人向有病害的農(nóng)作物噴灑適量的農(nóng)藥；空中噴灑農(nóng)藥機器人主要代表為無人機，它適用于大范圍作物的農(nóng)藥噴灑。

2.3.4 移栽機器人。移栽幼苗的全自動培育主要有自動育苗、供苗、嫁接、嫁接苗自動移栽以及溫室自動管理等環(huán)節(jié)，為了降低移栽幼苗培育整個過程的工作強度、提高移栽苗存活率以及生長質(zhì)量，移栽幼苗的自動培育是以后研究的重點課題。其中，移栽機器人的移栽過程就是先從嫁接機上摘取移栽幼苗，然后再到目標穴盤上進行定植幼苗。移栽的成功率主要由移栽穴孔定位的精準程度、穩(wěn)定程度和完成執(zhí)行任務(wù)的機械手臂的設(shè)計決定。圖像處理技術(shù)主要針對移栽過程中移載機器人對移栽的目標穴孔位置的探測和定位。

2.4 精細化養(yǎng)殖管理

在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的精細化養(yǎng)殖中，圖像處理技術(shù)主要應(yīng)用在異常行為監(jiān)測，如發(fā)情、爬跨、疾病預(yù)警、體型判斷、飼喂量預(yù)測等方面。通過對動物特征的圖像分析和識別方法及其相關(guān)數(shù)據(jù)的收集，可以進一步研發(fā)能自動管理養(yǎng)殖的智能機器人。現(xiàn)在隨著機器學習、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云技術(shù)的發(fā)展，在不久的將來結(jié)合這些技術(shù)和圖像處理技術(shù)會應(yīng)用于智能養(yǎng)殖的各個環(huán)節(jié)，那時將會實現(xiàn)真正的無人參與的全自動化智能管理。

3 圖像處理技術(shù)在農(nóng)業(yè)信息化條件下的展望

雖然圖像處理技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用前景廣闊，但也存在著一些限制性因素影響了圖像處理技術(shù)的發(fā)展。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中圖像處理技術(shù)起步較晚，且在整個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系中的投入占比較小，無法得到深層的優(yōu)化推動，圖像處理技術(shù)與農(nóng)業(yè)的結(jié)合屬于專業(yè)性較強的工程，需要政府、科研人才、企業(yè)及使用者從基礎(chǔ)設(shè)施、技術(shù)供給、產(chǎn)業(yè)需求等各方面共同努力，如若將圖像處理技術(shù)與農(nóng)業(yè)機械技術(shù)相互結(jié)合，可大范圍用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的選種、播種、采摘、管理各個環(huán)節(jié)，提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，節(jié)省人力資源。

3.1 拓寬多元化應(yīng)用范圍

隨著農(nóng)業(yè)信息化程度的提高，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的每個環(huán)節(jié)都離不開圖像處理技術(shù)，從種子分揀、精準播種、生長環(huán)境監(jiān)測、病蟲害防治管理、采摘收割乃至存儲，無論是大田作物還是大棚作物，無論是養(yǎng)殖還是種植，圖像處理技術(shù)的應(yīng)用將無處不在。

3.2 推動高水平智能管理

圖像處理技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)、云計算等強強聯(lián)合，它的使用方向多元化，研究程度深入化，農(nóng)業(yè)發(fā)展將會更加現(xiàn)代化，農(nóng)業(yè)機械智能化程度更高，推動高水平智能管理的進程。

3.3 降低設(shè)施和開發(fā)成本

隨著硬件的發(fā)展，一些精細器械成本降低，硬件開發(fā)更快，大部分場所使用人工智能，開發(fā)成本降低，無論是溫室種植還是大田種植，無論是科學研究還是農(nóng)民種植，都可以充分利用圖像處理技術(shù)，這時精細化農(nóng)業(yè)的程度將會更進一個層次。

4 結(jié)束語

現(xiàn)階段，加快推進農(nóng)業(yè)信息化進程是我國農(nóng)業(yè)發(fā)展中一個極為重要的環(huán)節(jié)，加之現(xiàn)階段我國處于經(jīng)濟發(fā)展方式轉(zhuǎn)變的特殊時期，可以看出推動中國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展任務(wù)的艱巨性，而隨著科學技術(shù)的發(fā)展，圖像處理技術(shù)起著關(guān)鍵的作用。從科學研究、領(lǐng)域?qū)嵺`甚至大到對未知宇宙的探索，圖像處理技術(shù)應(yīng)用頗為廣泛，具有其他技術(shù)無法比擬的優(yōu)越性，尤其是在農(nóng)業(yè)進行信息化的過程中，圖像處理技術(shù)是不可或缺的一環(huán)。在圖像處理技術(shù)的探索之路，我們?nèi)沃氐肋h，也希望各界能夠深入挖掘圖像處理技術(shù)的適用空間，以期它能夠在未來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大放異彩。