王 佳，馬德新

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué)，山東 青島 266109)

當(dāng)前圖像處理技術(shù)的應(yīng)用得到各界學(xué)者的廣泛關(guān)注，它與其他學(xué)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(yùn)轉(zhuǎn)速度以及優(yōu)質(zhì)的畫(huà)面分辨率呈現(xiàn)等目標(biāo)前進(jìn)，以期實(shí)現(xiàn)圖像的智能化獲取、分析、識(shí)別及解讀。與此同時(shí)，圖像處理技術(shù)的研究和應(yīng)用已經(jīng)擴(kuò)展到諸多方面，尤其在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中，它的發(fā)展對(duì)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(duì)象的一種抽象闡述，其囊括了被描述對(duì)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(jì)算機(jī)為媒介對(duì)接收的數(shù)據(jù)訊息進(jìn)行再處理和解讀，以實(shí)現(xiàn)人的感官或現(xiàn)實(shí)訴求的行為。圖像處理技術(shù)是指利用計(jì)算機(jī)或其他數(shù)字設(shè)備對(duì)獲取的圖像進(jìn)行各式各樣的加工和處理，它主要應(yīng)用在物體探測(cè)和定位、測(cè)量識(shí)別和驗(yàn)證等方面。如若將圖像處理技術(shù)與農(nóng)業(yè)機(jī)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(dòng)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(kāi)始起步，那時(shí)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(tái)能實(shí)現(xiàn)圖像處理程序的計(jì)算機(jī)現(xiàn)世，這代表著圖像處理技術(shù)進(jìn)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(kuò)大，廣泛用于科學(xué)研究、工業(yè)監(jiān)測(cè)、遙感、航空航天、醫(yī)學(xué)圖像、天學(xué)文等多方面，并在其中發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。從20世紀(jì)90年代到進(jìn)入21世紀(jì)，借助欣欣向榮的計(jì)算機(jī)技術(shù)的東風(fēng)以及相關(guān)學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)的不斷改進(jìn)，圖像處理技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用在各個(gè)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(chóng)害監(jiān)測(cè)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的對(duì)作物的識(shí)別和診斷大多數(shù)情況是通過(guò)人工調(diào)查得到農(nóng)作物病蟲(chóng)害信息，然后依據(jù)決策者的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行主觀的判斷，這樣低效率的做法已經(jīng)滿足不了對(duì)作物病蟲(chóng)害信息快速、可靠、實(shí)時(shí)的獲取需求。目前在國(guó)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(guò)光譜分析技術(shù)、可見(jiàn)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(chóng)害情況。這幾種方法均利用圖像處理技術(shù)進(jìn)行識(shí)別，具有快速、可靠、無(wú)損傷性、信息量大等優(yōu)勢(shì)，因此圖像處理對(duì)病蟲(chóng)農(nóng)害防治具有重大意義。

2.2 生長(zhǎng)環(huán)境因子監(jiān)測(cè)

作物的生長(zhǎng)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(zhǎng)環(huán)境因子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與診斷，農(nóng)戶可以根據(jù)生長(zhǎng)環(huán)境因子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)給出的監(jiān)測(cè)與診斷結(jié)果，及時(shí)地補(bǔ)充水分和肥料。另外，通過(guò)采集清晰的圖像可以快速地對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育的時(shí)令性變化進(jìn)行評(píng)價(jià)和估量，同時(shí)也能達(dá)到實(shí)時(shí)快捷、有效精確、智能無(wú)損地提供農(nóng)作物生長(zhǎng)信息及營(yíng)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(zhǎng)發(fā)育周期中，不同的作物都有對(duì)應(yīng)的噴藥時(shí)期，以玉米為例，一旦錯(cuò)過(guò)了合適的噴藥時(shí)期，不但不能有效清除雜草，而且還會(huì)給玉米幼苗造成傷害；另外，作物生長(zhǎng)后期雜草繁殖迅速，這增加了雜草識(shí)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(zhǎng)環(huán)境因子可以對(duì)不同雜草尤其是針對(duì)部分破壞性較大、耐藥性較強(qiáng)的惡性雜草，進(jìn)行圖像分類，針對(duì)不同的雜草實(shí)施靶向施藥，方便農(nóng)民對(duì)雜草進(jìn)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(kāi)始較晚,借助計(jì)算機(jī)技術(shù)轉(zhuǎn)型升級(jí)的東風(fēng)，使得在農(nóng)業(yè)種植管理過(guò)程中農(nóng)業(yè)機(jī)器人發(fā)揮了不可替代的作用，尤其是在種子分揀、果實(shí)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(jī)器人。①種子分揀機(jī)器人先進(jìn)行定位識(shí)別種子，主要利用圖像處理技術(shù)對(duì)種子在工作區(qū)域內(nèi)的位置進(jìn)行定位以及判斷物體是否為種子；②進(jìn)行缺陷檢測(cè)，提取目標(biāo)種子的特征值，然后與存入數(shù)據(jù)庫(kù)的已知的優(yōu)質(zhì)的種子特征值進(jìn)行比對(duì)；③在比對(duì)完成后，傳送種子坐標(biāo)，將優(yōu)質(zhì)種子、劣質(zhì)種子坐標(biāo)分批傳送到機(jī)器人的管理控制中心，進(jìn)行分揀操作，達(dá)到優(yōu)劣種子分類的效果。

2.3.2 采摘機(jī)器人。采摘機(jī)器人是圖像處理技術(shù)的典型應(yīng)用，以中國(guó)特色茶產(chǎn)業(yè)為例，圖像處理技術(shù)在茶隴道路識(shí)別與采摘機(jī)器人導(dǎo)航中的應(yīng)用，給中國(guó)茶產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了新機(jī)遇。利用圖像處理技術(shù)判定茶樹(shù)新苗并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位的采摘機(jī)器人，可以保證葉片的完整性和整齊度。茶場(chǎng)主使用采摘機(jī)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(dāng)然采摘機(jī)器人的識(shí)別的準(zhǔn)確率還需要再進(jìn)行改造升級(jí)，解決受外在環(huán)境干擾影響準(zhǔn)確率的問(wèn)題。

2.3.3 噴灑農(nóng)藥機(jī)器人。噴灑農(nóng)藥機(jī)器人可以分為地面機(jī)器人和空中機(jī)器人，地面噴藥機(jī)器人主要針對(duì)小范圍作物精細(xì)噴灑，通過(guò)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(guò)計(jì)算機(jī)分析植物葉片的病變程度，遠(yuǎn)程自動(dòng)噴藥機(jī)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(jī)器人主要代表為無(wú)人機(jī)，它適用于大范圍作物的農(nóng)藥噴灑。

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

2.4 精細(xì)化養(yǎng)殖管理

在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的精細(xì)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(cè)，如發(fā)情、爬跨、疾病預(yù)警、體型判斷、飼喂量預(yù)測(cè)等方面。通過(guò)對(duì)動(dòng)物特征的圖像分析和識(shí)別方法及其相關(guān)數(shù)據(jù)的收集，可以進(jìn)一步研發(fā)能自動(dòng)管理養(yǎng)殖的智能機(jī)器人?，F(xiàn)在隨著機(jī)器學(xué)習(xí)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云技術(shù)的發(fā)展，在不久的將來(lái)結(jié)合這些技術(shù)和圖像處理技術(shù)會(huì)應(yīng)用于智能養(yǎng)殖的各個(gè)環(huán)節(jié)，那時(shí)將會(huì)實(shí)現(xiàn)真正的無(wú)人參與的全自動(dòng)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(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系中的投入占比較小，無(wú)法得到深層的優(yōu)化推動(dòng)，圖像處理技術(shù)與農(nóng)業(yè)的結(jié)合屬于專業(yè)性較強(qiáng)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(jī)械技術(shù)相互結(jié)合，可大范圍用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的選種、播種、采摘、管理各個(gè)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(gè)環(huán)節(jié)都離不開(kāi)圖像處理技術(shù)，從種子分揀、精準(zhǔn)播種、生長(zhǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)、病蟲(chóng)害防治管理、采摘收割乃至存儲(chǔ)，無(wú)論是大田作物還是大棚作物，無(wú)論是養(yǎng)殖還是種植，圖像處理技術(shù)的應(yīng)用將無(wú)處不在。

3.2 推動(dòng)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(jì)算等強(qiáng)強(qiáng)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(huì)更加現(xiàn)代化，農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化程度更高，推動(dòng)高水平智能管理的進(jìn)程。

3.3 降低設(shè)施和開(kāi)發(fā)成本

隨著硬件的發(fā)展，一些精細(xì)器械成本降低，硬件開(kāi)發(fā)更快，大部分場(chǎng)所使用人工智能，開(kāi)發(fā)成本降低，無(wú)論是溫室種植還是大田種植，無(wú)論是科學(xué)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(shí)精細(xì)化農(nóng)業(yè)的程度將會(huì)更進(jìn)一個(gè)層次。

4 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)階段，加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)信息化進(jìn)程是我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展中一個(gè)極為重要的環(huán)節(jié)，加之現(xiàn)階段我國(guó)處于經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變的特殊時(shí)期，可以看出推動(dòng)中國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展任務(wù)的艱巨性，而隨著科學(xué)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(xué)研究、領(lǐng)域?qū)嵺`甚至大到對(duì)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(wú)法比擬的優(yōu)越性，尤其是在農(nóng)業(yè)進(jìn)行信息化的過(guò)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(yuǎn)，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(lái)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大放異彩。