楊浩勇 朱偉 劉德?tīng)I(yíng) 王興盛
江蘇是農(nóng)業(yè)大省,常年水稻種植面積在220萬(wàn)hm2左右[1],機(jī)插秧水平超過(guò)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(cè)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(cè)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(wèn)題,已經(jīng)跟不上時(shí)代發(fā)展需求[2-3]。本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套插秧機(jī)田間作業(yè)質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng),通過(guò)對(duì)無(wú)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)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(lái)說(shuō),待拍區(qū)域要避開(kāi)田間地頭,長(zhǎng)度超過(guò)40 m,寬度不低于4 個(gè)作業(yè)幅寬。
2)無(wú)人機(jī)起飛前檢查。 在精靈4RTK 無(wú)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(cè)無(wú)人機(jī)起飛環(huán)境條件。觀察飛行區(qū)域周圍是否有大樹(shù)、高壓線,挑選平整、干凈、無(wú)雜物的起飛位置,選擇晴朗、無(wú)風(fēng)的天氣飛行。
4)無(wú)人機(jī)參數(shù)設(shè)置。試驗(yàn)時(shí)以無(wú)人機(jī)自動(dòng)飛行為主,手動(dòng)控制為輔。通過(guò)精確規(guī)劃航線,設(shè)定合理參數(shù),讓無(wú)人機(jī)執(zhí)行規(guī)定飛行任務(wù)。航線規(guī)劃通過(guò)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(wú)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(wú)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(wú)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。
無(wú)人機(jī)所拍圖像存儲(chǔ)在SD 卡內(nèi),用數(shù)據(jù)線將開(kāi)機(jī)狀態(tài)的無(wú)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(wú)人機(jī)拍照效果良好,稻苗成像符合預(yù)期。
圖1 無(wú)人機(jī)采集稻田秧苗圖像
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(guó)國(guó)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(lái)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(wú)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。
考慮到水稻插秧機(jī)作業(yè)質(zhì)量檢測(cè)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(cè)),結(jié)合檢測(cè)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(wú)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(lái)逐一識(shí)別秧苗形態(tài),其間,可通過(guò)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。
水稻插秧機(jī)作業(yè)質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)主要由登錄頁(yè)面、主頁(yè)面、副頁(yè)面組成。在檢測(cè)系統(tǒng)登錄頁(yè)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(yè)面。如圖3 所示。主頁(yè)面上方設(shè)置“打開(kāi)”“菜單”兩個(gè)按鈕。點(diǎn)擊“打開(kāi)”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(wú)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(yè)面
點(diǎn)擊主頁(yè)面旁邊的按鈕“副頁(yè)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(kāi)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(yè)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(yè)面1”返回主頁(yè)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(lái)補(bǔ)充相關(guān)的插秧機(jī)、無(wú)人機(jī)等信息。
圖5 軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸出
2021 年6 月25 日,項(xiàng)目組成員攜帶精靈4RTK無(wú)人機(jī)和水稻插秧機(jī)作業(yè)質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)前往丹陽(yáng)市京口區(qū)章村開(kāi)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(zhǎng)97 m、寬60 m,形狀為長(zhǎng)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(cè)1 人記錄,對(duì)插秧機(jī)的作業(yè)質(zhì)量進(jìn)行人工檢測(cè)。檢測(cè)人員在試驗(yàn)測(cè)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(cè)定結(jié)果和人工檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。軟件系統(tǒng)測(cè)定結(jié)果與傳統(tǒng)人工檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)檢測(cè)將樣本量擴(kuò)大了20 倍,使得數(shù)據(jù)更具有說(shuō)服力。
表2 插秧機(jī)作業(yè)質(zhì)量軟件系統(tǒng)測(cè)定與人工檢測(cè)結(jié)果
針對(duì)目前插秧質(zhì)量評(píng)價(jià)方法檢測(cè)效率低、工作環(huán)境差、勞動(dòng)強(qiáng)度高、信息分享困難等問(wèn)題,開(kāi)發(fā)了一套插秧機(jī)田間作業(yè)質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)。田間試驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單便捷、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、檢測(cè)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(kāi)發(fā),為插秧機(jī)作業(yè)質(zhì)量評(píng)價(jià)提供了新方法。