楊浩勇 朱偉 劉德營 王興盛

0 引言

江蘇是農(nóng)業(yè)大省，常年水稻種植面積在220萬hm2左右[1]，機(jī)插秧水平超過70%。水稻插秧機(jī)的作業(yè)質(zhì)量直接影響水稻產(chǎn)量和種植效益。傳統(tǒng)人工檢測方法是由工作人員選取秧苗樣本，觀察其形態(tài)，統(tǒng)計(jì)漏插率、漂秧率和傷秧率，對(duì)插秧機(jī)的作業(yè)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。但該方法存在工作環(huán)境差、檢測效率低、信息分享困難、結(jié)果分析滯后、對(duì)稻田具有一定的破壞性等問題，已經(jīng)跟不上時(shí)代發(fā)展需求[2-3]。本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一套插秧機(jī)田間作業(yè)質(zhì)量檢測系統(tǒng)，通過對(duì)無人機(jī)采集到的稻田秧苗圖像進(jìn)行形態(tài)識(shí)別，統(tǒng)計(jì)漏插率、漂秧率和傷秧率，實(shí)現(xiàn)對(duì)插秧機(jī)作業(yè)質(zhì)量快速準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。

1 秧苗圖像采集試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1）劃定待拍區(qū)域。插秧結(jié)束后，在稻田中插入旗桿，劃定待拍區(qū)域。通常來說，待拍區(qū)域要避開田間地頭，長度超過40 m，寬度不低于4 個(gè)作業(yè)幅寬。

2）無人機(jī)起飛前檢查。 在精靈4RTK 無人機(jī)起飛前，檢查飛行器電池、遙控器電池及移動(dòng)智能設(shè)備的電量是否滿足起飛要求，螺旋槳葉是否安裝牢固，內(nèi)存卡剩余空間是否充足，云臺(tái)和相機(jī)是否能正常自啟。

3）觀測無人機(jī)起飛環(huán)境條件。觀察飛行區(qū)域周圍是否有大樹、高壓線，挑選平整、干凈、無雜物的起飛位置，選擇晴朗、無風(fēng)的天氣飛行。

4）無人機(jī)參數(shù)設(shè)置。試驗(yàn)時(shí)以無人機(jī)自動(dòng)飛行為主，手動(dòng)控制為輔。通過精確規(guī)劃航線，設(shè)定合理參數(shù)，讓無人機(jī)執(zhí)行規(guī)定飛行任務(wù)。航線規(guī)劃通過IQOO Neo3 安卓設(shè)備上的DJI Polit App 完成。航線規(guī)劃選擇按航點(diǎn)飛行，自動(dòng)起飛和定點(diǎn)降落，飛行相對(duì)高度為3 m，速度為1 m/s，間隔3 m 添加航點(diǎn)，并設(shè)置航點(diǎn)拍照動(dòng)作。在遙控器端登錄RTK-CORS 網(wǎng)絡(luò)賬號(hào)，連接無人機(jī)后提高其在田間定位精度。按照當(dāng)天光照強(qiáng)度適當(dāng)調(diào)整鏡頭參數(shù)，包括濾鏡種類、光圈大小和曝光補(bǔ)償?shù)?。無人機(jī)執(zhí)行飛行任務(wù)期間，云臺(tái)保持垂直向下90°。待飛行任務(wù)結(jié)束后，無人機(jī)自動(dòng)返航，單次飛行時(shí)間5 min 左右，重復(fù)飛行2～3 次。

1.2 航拍圖片處理

無人機(jī)所拍圖像存儲(chǔ)在SD 卡內(nèi)，用數(shù)據(jù)線將開機(jī)狀態(tài)的無人機(jī)與筆記本連接，以完成數(shù)據(jù)傳輸，或者用讀卡器將卡內(nèi)秧苗圖像傳至電腦端。圖1 為航拍圖像。由圖1 可看出：稻田內(nèi)雜物較少，土地平整，秧苗排列整齊有序，間隔規(guī)律，插穴內(nèi)絕大多數(shù)存在秧苗。由于株距和行距不同，一張完整的航拍圖像，秧苗穴數(shù)在150～200 穴之間波動(dòng)。秧苗圖像采集試驗(yàn)結(jié)果顯示，4RTK 無人機(jī)拍照效果良好，稻苗成像符合預(yù)期。

圖1 無人機(jī)采集稻田秧苗圖像

1.3 作業(yè)質(zhì)量表征

影響插秧機(jī)田間作業(yè)質(zhì)量的因素較多，依據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6243-2017《水稻插秧機(jī)試驗(yàn)方法》、農(nóng)業(yè)機(jī)械推廣鑒定大綱DG/T 008-2019《水稻插秧機(jī)》，并結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，常采用漏插率、漂秧率和傷秧率三個(gè)指標(biāo)來反映插秧機(jī)作業(yè)質(zhì)量的好壞。漂秧、傷秧、漏插、合格秧苗定義如下：

漂秧：在插穴內(nèi)，秧根未栽入泥土內(nèi)而漂浮于稻田水面的秧苗。

傷秧：在插穴內(nèi)，秧苗莖部有折傷、切斷等現(xiàn)象的秧苗。

漏插：在插穴內(nèi)無水稻秧苗的情況，屬于漏插。

合格秧苗：在插穴內(nèi)，未發(fā)生漂浮、折傷、切斷等現(xiàn)象的秧苗屬于合格秧苗。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)框架

考慮到水稻插秧機(jī)作業(yè)質(zhì)量檢測系統(tǒng)的主要作用是實(shí)現(xiàn)插秧質(zhì)量評(píng)價(jià)（即對(duì)插秧機(jī)的漏插率、漂秧率、傷秧率三個(gè)指標(biāo)的檢測），結(jié)合檢測流程，建立圖2 所示的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架。該系統(tǒng)包括5 個(gè)模塊，分別是：圖像導(dǎo)入模塊、圖像顯示模塊、網(wǎng)絡(luò)加載模塊、軟件信息模塊和數(shù)據(jù)輸出模塊。

圖2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

在圖像導(dǎo)入模塊中自動(dòng)選中水稻秧苗圖像，在顯示模塊中查看圖像，經(jīng)確認(rèn)無誤后，按照?qǐng)D像名稱依序處理，保存每張圖像中秧苗行數(shù)、穴數(shù)、質(zhì)心、相鄰秧苗間距、漏插穴數(shù)等數(shù)據(jù)。加載網(wǎng)絡(luò)模型來逐一識(shí)別秧苗形態(tài)，其間，可通過軟件信息模塊實(shí)時(shí)查看數(shù)據(jù)和軟件運(yùn)行情況。在數(shù)據(jù)輸出模塊中，將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)保存、打包。

2.2 功能設(shè)計(jì)

水稻插秧機(jī)作業(yè)質(zhì)量檢測系統(tǒng)主要由登錄頁面、主頁面、副頁面組成。在檢測系統(tǒng)登錄頁面輸入賬號(hào)及密碼，點(diǎn)擊“登錄”按鈕，即可跳轉(zhuǎn)至系統(tǒng)主頁面。如圖3 所示。主頁面上方設(shè)置“打開”“菜單”兩個(gè)按鈕。點(diǎn)擊“打開”按鈕，彈出“文件”“文件夾”。如果是單一圖片，選擇“文件”即可，如果是多張圖片，則選擇“文件夾”。正常情況下，無人機(jī)執(zhí)行一次飛行任務(wù)得到的航拍圖像都在20 張以上，所以，一般選擇“文件夾”。

圖3 軟件系統(tǒng)主頁面

點(diǎn)擊主頁面旁邊的按鈕“副頁面1”，可以發(fā)現(xiàn)，文件夾內(nèi)圖片已經(jīng)全部顯示在圖片列表中，表明文件夾導(dǎo)入成功。此時(shí)，點(diǎn)擊“菜單”，出現(xiàn)“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”按鈕，“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”是本軟件系統(tǒng)的核心部分，是提前制作好的秧苗形態(tài)模型。點(diǎn)擊此按鈕，彈出提示“選擇要打開的文件”，選擇提前制作好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型Riceseedlingsnet.mat 文件。此時(shí)，再點(diǎn)擊本頁面“處理1”按鈕，彈出提示“正在處理圖像……”，如圖4 所示。

圖4 軟件系統(tǒng)圖像處理

圖像處理完成后，從“副頁面1”返回主頁面，此時(shí)漏插率、漂秧率、傷秧率已經(jīng)計(jì)算出結(jié)果，對(duì)插秧機(jī)作業(yè)質(zhì)量實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)，如圖5 所示。接下來補(bǔ)充相關(guān)的插秧機(jī)、無人機(jī)等信息。

圖5 軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸出

3 田間試驗(yàn)

2021 年6 月25 日，項(xiàng)目組成員攜帶精靈4RTK無人機(jī)和水稻插秧機(jī)作業(yè)質(zhì)量檢測系統(tǒng)前往丹陽市京口區(qū)章村開展田間試驗(yàn)。本次試驗(yàn)用水稻插秧機(jī)為江蘇沃得高新農(nóng)業(yè)裝備有限公司樣機(jī)，型號(hào)為2ZGF-6E，產(chǎn)品規(guī)格如表1 所示。

表1 水稻插秧機(jī)產(chǎn)品規(guī)格表

當(dāng)天環(huán)境溫度27℃，濕度72%。試驗(yàn)稻田長97 m、寬60 m，形狀為長方形，土壤質(zhì)地為黏土。機(jī)耕后泡田5 d，田間水深3～5 cm，泥腳深度17～19 cm。秧苗類型為淮稻5 號(hào)，人工方式育秧，秧齡20 d。插秧機(jī)在專業(yè)機(jī)手操作下，以1.3 m/s的速度勻速前進(jìn)，機(jī)旁噪聲約53.8 dB（A）。

人工對(duì)比試驗(yàn)：4 名項(xiàng)目組成員穿戴工作服和雨靴走進(jìn)稻田，3 人檢測1 人記錄，對(duì)插秧機(jī)的作業(yè)質(zhì)量進(jìn)行人工檢測。檢測人員在試驗(yàn)測區(qū)內(nèi)隨機(jī)挑選3 行，每行選取50 穴，將秧苗從插穴中取出，觀察并報(bào)告秧苗形態(tài)，最后計(jì)算漏插率、傷秧率和漂秧率。

軟件系統(tǒng)測定結(jié)果和人工檢測結(jié)果見表2。軟件系統(tǒng)測定結(jié)果與傳統(tǒng)人工檢測結(jié)果相比，漏插率、漂秧率和傷秧率誤差均在0.5%以內(nèi)，其中漏插率誤差最小，僅為0.13%。本次田間試驗(yàn)，水稻插秧機(jī)作業(yè)質(zhì)量檢測系統(tǒng)檢測將樣本量擴(kuò)大了20 倍，使得數(shù)據(jù)更具有說服力。

表2 插秧機(jī)作業(yè)質(zhì)量軟件系統(tǒng)測定與人工檢測結(jié)果

4 結(jié)論

針對(duì)目前插秧質(zhì)量評(píng)價(jià)方法檢測效率低、工作環(huán)境差、勞動(dòng)強(qiáng)度高、信息分享困難等問題，開發(fā)了一套插秧機(jī)田間作業(yè)質(zhì)量檢測系統(tǒng)。田間試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)操作簡單便捷、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、檢測結(jié)果準(zhǔn)確，能降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)，為插秧機(jī)作業(yè)質(zhì)量評(píng)價(jià)提供了新方法。