基于綠色植物因子的農(nóng)業(yè)圖像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

引言：圖像處理技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品檢測(cè)、果實(shí)采摘、噴灑農(nóng)藥等方面都有著廣泛的應(yīng)用，在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向精細(xì)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變的進(jìn)程里起到了十分重要的促進(jìn)作用。本文將圖像處理技術(shù)與農(nóng)作物種植有機(jī)結(jié)合，研究開發(fā)了農(nóng)業(yè)圖像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，解決農(nóng)田范圍廣、作物長勢(shì)分析不精確等問題，以促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

農(nóng)業(yè)問題是全球可持續(xù)發(fā)展的基本問題，也是一個(gè)國家的基本產(chǎn)業(yè)。我國的農(nóng)業(yè)經(jīng)營手段至今仍未擺脫傳統(tǒng)的手工勞作方式，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，如果想實(shí)現(xiàn)我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，必須利用高新技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)進(jìn)行改造。精細(xì)農(nóng)業(yè)（Precision"Agriculture）是由信息技術(shù)支持的根據(jù)空間變異，定位、定時(shí)、定量地實(shí)施一整套現(xiàn)代化農(nóng)事操作技術(shù)與管理的系統(tǒng)[1]。目的是在農(nóng)業(yè)種植生產(chǎn)過程中利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)作物生長狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)以及分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的管理和控制，科學(xué)有效的進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。近幾年來，美國、歐洲一些技術(shù)先進(jìn)的農(nóng)場在精細(xì)農(nóng)業(yè)方面已經(jīng)進(jìn)入中等規(guī)模的實(shí)施階段。據(jù)近年對(duì)各國精細(xì)農(nóng)業(yè)服務(wù)商和種子公司調(diào)查顯示：在他們的用戶中有82%使用GIS跟蹤位置信息，74%用GIS制圖，77%采用精細(xì)農(nóng)業(yè)技術(shù)[2]。國外精細(xì)農(nóng)業(yè)的實(shí)踐表明：精細(xì)農(nóng)業(yè)不僅具有重要的經(jīng)濟(jì)效益，而且其獲取的詳細(xì)耕作信息有助于解決許多未知問題。

圖像處理技術(shù)作為計(jì)算機(jī)技術(shù)的重要組成部分，將其與精細(xì)農(nóng)業(yè)有機(jī)結(jié)合，具有廣泛的發(fā)展前景。因此，我們以圖像處理技術(shù)為基礎(chǔ)，通過提取圖像中植物因子部分，研究開發(fā)了農(nóng)業(yè)圖像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

此系統(tǒng)主要包括三大模塊：監(jiān)測(cè)模塊、分析模塊、參數(shù)設(shè)置及系統(tǒng)維護(hù)模塊。其中，監(jiān)測(cè)模塊由實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)模塊和擇時(shí)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)模塊組成，主要用于對(duì)農(nóng)作物長勢(shì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊通過對(duì)監(jiān)測(cè)時(shí)間進(jìn)行設(shè)定，調(diào)取當(dāng)前時(shí)間的農(nóng)作物長勢(shì)圖像并記錄，以看到整體的情況。同時(shí)通過定時(shí)接收記錄圖像，并對(duì)圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，也可了解到農(nóng)作物的生長狀況、土壤情況、肥力以及植物營養(yǎng)情況，還可看到每顆植物的狀況等詳細(xì)情況，便于用戶采取各種管理措施。擇時(shí)監(jiān)測(cè)模塊則主要用于對(duì)不同時(shí)間不同地點(diǎn)下的農(nóng)作物圖像進(jìn)行調(diào)取，由于在白天和晚間、晴天和陰天等有差異的情況下，植物生長速度不同，用戶可根據(jù)自身需求選擇具有代表意義的時(shí)間地點(diǎn)，通過分析不同環(huán)境下的農(nóng)作物圖像，獲取其以往的長勢(shì)情況。分析模塊主要由實(shí)時(shí)分析子系統(tǒng)構(gòu)成，便于用戶了解當(dāng)前監(jiān)測(cè)環(huán)境下的農(nóng)作物長勢(shì)情況。系統(tǒng)將監(jiān)測(cè)模塊采集到的圖像記錄下來，利用圖像處理技術(shù)對(duì)圖像進(jìn)行分割，提取出植物因子的部分，通過比對(duì)農(nóng)作物葉片形狀、顏色等因素與正常葉片的相似度，形成分析報(bào)告反饋給用戶。因此，用戶可獲取最新的農(nóng)作物生產(chǎn)狀況，發(fā)現(xiàn)農(nóng)作物在當(dāng)前生長環(huán)境下出現(xiàn)的問題，及時(shí)采取相應(yīng)解決措施，保障生產(chǎn)。參數(shù)設(shè)置及系統(tǒng)維護(hù)模塊分為監(jiān)控設(shè)備參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)安全維護(hù)兩部分。監(jiān)控設(shè)備參數(shù)設(shè)置子系統(tǒng)主要用于農(nóng)業(yè)圖像收集端的詳細(xì)參數(shù)設(shè)定，以準(zhǔn)確有效的采集農(nóng)業(yè)現(xiàn)場圖像。用戶可根據(jù)實(shí)際情況和需求更改監(jiān)控設(shè)備參數(shù)，例如根據(jù)天氣不同、光照強(qiáng)度差異等對(duì)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，從而適應(yīng)不同狀況下的農(nóng)業(yè)圖像采集。系統(tǒng)安全維護(hù)子系統(tǒng)主要用于保障數(shù)據(jù)信息安全以及對(duì)系統(tǒng)安全、各模塊權(quán)限等進(jìn)行設(shè)置和管理工作。

本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)端通過GPRS模塊實(shí)現(xiàn)圖像的采集和傳輸，處理端以網(wǎng)站為平臺(tái)，通過算法處理數(shù)據(jù)反饋結(jié)果。利用圖像處理技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能化管理，對(duì)農(nóng)田現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)時(shí)和擇時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)圖像分析農(nóng)作物的長勢(shì)情況并提供合理化建議，解決農(nóng)田范圍大、管理不便、對(duì)農(nóng)作物長勢(shì)難以進(jìn)行精確分析的問題，以達(dá)到農(nóng)業(yè)種植全方位監(jiān)控、針對(duì)性分析的效果，過程清晰，結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，可實(shí)施性強(qiáng)。系統(tǒng)投入到農(nóng)業(yè)種植中不僅可以為農(nóng)業(yè)全鏈條管理提供技術(shù)支撐，改進(jìn)當(dāng)前農(nóng)田信息采集手段，大大提高農(nóng)田管理的效率，節(jié)省人工，節(jié)約資源，同時(shí)為精細(xì)農(nóng)業(yè)實(shí)施創(chuàng)造了條件，對(duì)促進(jìn)精細(xì)農(nóng)業(yè)技術(shù)在我國的推廣應(yīng)用具有重要意義。

（作者單位：河北大學(xué)）