深松整地作業(yè)自動鑒別系統(tǒng)

1、哈爾濱工業(yè)大學(xué)信息技術(shù)研究所、信息工程系 2、黑龍江省農(nóng)業(yè)委員會農(nóng)業(yè)機(jī)械化管理局

1 引言

土壤深松是保護(hù)性耕作的重要技術(shù)環(huán)節(jié)之一[1]。土壤深松是指使用深松機(jī)，松碎耕作層以下5～15 cm的犁底層，使松土層的厚度加深。深松主要由不同的動力機(jī)械配套相應(yīng)的深松機(jī)械來完成。

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，深松能疏松土壤、打破土壤犁底層、提高土壤蓄水能力、抗旱排澇、排除鹽堿、減小耕作阻力、增強(qiáng)雨水入滲速度和數(shù)量、減少徑流，并且不擾亂地表耕作層[2,3]。土壤的蓄水能力提高后，為農(nóng)作物提供了更多的天然降水資源；打破土壤犁底層后，能有效地提高土壤的透水、透氣性能。因此深松能極大地改善土壤的循環(huán)使用狀況，為作物生長發(fā)育創(chuàng)造了適宜的土壤條件，使得土壤變得適宜作物生長發(fā)育、根系深扎，成為真正的“沃土”，從而達(dá)到保護(hù)耕地、農(nóng)作物增產(chǎn)的最終目的。經(jīng)過黑龍江省試驗(yàn)測定，深松整地是提高糧食產(chǎn)量的有效途徑，在深松當(dāng)年，作物產(chǎn)量可增加8-10%，次年可增加10-20%。盡管深松整地對耕地的益處已經(jīng)成為共識，但在實(shí)際操作中，農(nóng)機(jī)大戶、家庭農(nóng)場、個(gè)人農(nóng)機(jī)的機(jī)械力量有限，土地面積有限，深松成本高使得這一技術(shù)的推廣應(yīng)用受到一定限制；另一方面，傳統(tǒng)的人工深松整地檢測需要消耗大量的人力、財(cái)力、物力并且無法實(shí)現(xiàn)全面檢測，也給深松整地的推廣造成了一定的困難。

21世紀(jì)的農(nóng)業(yè)發(fā)展將告別傳統(tǒng)的粗獷式發(fā)展，迎來精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)時(shí)代[4]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)信息技術(shù)研究所、信息工程系在黑龍江省農(nóng)業(yè)委員會農(nóng)業(yè)機(jī)械化管理局的大力支持下,經(jīng)歷3年攻關(guān),克服多項(xiàng)技術(shù)難題,在全世界范圍內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了農(nóng)機(jī)深松作業(yè)精確探測，下面對該系統(tǒng)進(jìn)行簡介。

2 系統(tǒng)工作方式與原理簡介

農(nóng)機(jī)深松探測系統(tǒng)是一種基于多傳感器多源信息融合與決策方法的系統(tǒng)。首先，根據(jù)農(nóng)機(jī)深松時(shí)功率大、油耗高、阻力大、行駛速度低等特點(diǎn)，綜合當(dāng)?shù)赝寥劳临|(zhì)、含水量等因素，判斷出疑似進(jìn)行深松作業(yè)的農(nóng)機(jī)；然后通過安裝在農(nóng)機(jī)上的攝像頭采集的圖像，判斷農(nóng)機(jī)是否在進(jìn)行深松作業(yè)，并判斷出土壤土質(zhì)及含水量信息，計(jì)算出農(nóng)機(jī)深松深度；最后根據(jù)基于單目視覺的可見光圖像深松深度精確測量技術(shù)，對計(jì)算出的農(nóng)機(jī)深松深度進(jìn)行校正，得到較為精確的農(nóng)機(jī)深松深度。

在進(jìn)行農(nóng)機(jī)疑似深松作業(yè)判別時(shí)，需要通過功率傳感器獲得農(nóng)機(jī)作業(yè)的實(shí)時(shí)功率信息，通過加速度傳感器獲取農(nóng)機(jī)作業(yè)時(shí)的加速度信息。農(nóng)機(jī)深松探測系統(tǒng)通過以上信息協(xié)同，判斷出疑似進(jìn)行深松作業(yè)的農(nóng)機(jī)，然后進(jìn)行下一步的判斷。在進(jìn)行農(nóng)機(jī)深松深度的精確測量時(shí)，需要通過攝像頭采集的圖像判斷農(nóng)機(jī)是否在進(jìn)行深松作業(yè)，通過圖像傳感器判斷出土壤的土質(zhì)以及土壤濕度信息。計(jì)算出農(nóng)機(jī)深松的深度，并通過攝像頭成像的原理，采用基于單目視覺可見光圖像高度測量技術(shù)，對計(jì)算出的農(nóng)機(jī)深松深度值進(jìn)行進(jìn)一步校正，得到較為精確的農(nóng)機(jī)深松深度。農(nóng)機(jī)深松探測系統(tǒng)的工作方式如圖1所示。

圖1 農(nóng)機(jī)深松探測系統(tǒng)工作方式簡介

3 相關(guān)技術(shù)簡介

由于農(nóng)機(jī)在進(jìn)行深松作業(yè)時(shí)，具有大功率、高油耗、低速度的特點(diǎn)，這里采用功率傳感器采集農(nóng)機(jī)作業(yè)時(shí)的實(shí)時(shí)功率，采用速度傳感器采集農(nóng)機(jī)的實(shí)時(shí)行駛速度作為判斷依據(jù)；由于板結(jié)土層的土壤結(jié)塊，阻力巨大，農(nóng)機(jī)呈現(xiàn)“震蕩式前進(jìn)”的特點(diǎn)，速度慢但飄忽不定，這里采用加速度傳感器采集農(nóng)機(jī)作業(yè)時(shí)的實(shí)時(shí)加速度作為另一個(gè)判斷依據(jù)。由以上因素綜合判斷，檢測出疑似進(jìn)行深松作業(yè)的農(nóng)機(jī)，然后進(jìn)行下一步的判斷。

對于疑似進(jìn)行深松作業(yè)的農(nóng)機(jī)，利用安裝在農(nóng)機(jī)上的攝像頭采集的圖像來判斷農(nóng)機(jī)是否在進(jìn)行深松作業(yè)。

將拍攝的照片經(jīng)過特征提取，利用特征信息進(jìn)行建模，根據(jù)建立的模型可以測出土壤的含水率。

攝像頭采集到的圖像信息，采用基于小波變換特征提取和S V M分類算法的土壤土質(zhì)識別方法，判斷出農(nóng)田土壤土質(zhì)。綜合以土壤的含水率、土質(zhì)以及農(nóng)機(jī)發(fā)動機(jī)的功率、加速度信息，可以通過非線性擬合的方法計(jì)算出農(nóng)機(jī)深松作業(yè)的深度信息,但該方法最終是解一個(gè)二次方程,將產(chǎn)生兩個(gè)可能的深度解,需要進(jìn)一步校正確定。

上述方法得到的農(nóng)機(jī)深松深度為兩個(gè)可能的值,需要進(jìn)一步校正，在這里采用了一種基于單目視覺的可見光圖像測距方法，得到了較為精確的農(nóng)機(jī)深松深度信息。該測距方法解決了現(xiàn)有的圖像測量方法設(shè)備復(fù)雜，計(jì)算量大，以及測量誤差大的問題。發(fā)明的圖像測距方法通過固定角度的攝像頭采集的圖像，然后，建立圖像中每相鄰兩個(gè)像素豎直、水平距離與空間實(shí)際距離的一一對應(yīng)關(guān)系，最后通過上述一一對應(yīng)關(guān)系得到圖像中任意兩點(diǎn)之間的實(shí)際距離。

通過上述方法可以測得較為準(zhǔn)確的農(nóng)機(jī)深松深度信息,作為對前述兩個(gè)可能深度的校正。

4 農(nóng)機(jī)深松作業(yè)面積計(jì)算

本文介紹的農(nóng)機(jī)深松探測系統(tǒng)，可以通過兩種方式求得農(nóng)機(jī)深松的作業(yè)面積；一種是通過農(nóng)機(jī)的作業(yè)幅寬乘以農(nóng)機(jī)的作業(yè)里程,直接得到作業(yè)面積。另一種是基于GPS—GPRS的農(nóng)機(jī)作業(yè)臨近點(diǎn)矩形累加面積測量方法。方法一需要現(xiàn)場測量農(nóng)機(jī)的作業(yè)幅寬，因此，本節(jié)重點(diǎn)介紹第二種方法。

基于GPS—GPRS的農(nóng)機(jī)作業(yè)臨近點(diǎn)矩形累加面積測量方法，涉及GPS測量和GPRS傳輸領(lǐng)域，它解決了現(xiàn)有農(nóng)機(jī)作業(yè)面積測量方法實(shí)時(shí)性較差、效率低的問題。其方法：首先將農(nóng)機(jī)GPS定位信息每隔一定時(shí)間通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸至服務(wù)器數(shù)據(jù)庫；然后，對數(shù)據(jù)庫中農(nóng)機(jī)軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理并過濾；最后，對過濾后的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行進(jìn)一步處理，除去非作業(yè)點(diǎn)（即農(nóng)機(jī)往返于作業(yè)區(qū)途中的軌跡點(diǎn)），保留作業(yè)點(diǎn)，將連續(xù)兩作業(yè)點(diǎn)按矩形展開，經(jīng)累加獲得農(nóng)機(jī)作業(yè)面積。

結(jié)論

土壤實(shí)現(xiàn)機(jī)械深松正在變?yōu)橐环N使糧食增產(chǎn)最有效、先進(jìn)的技術(shù)耕作制度而被人們認(rèn)識和認(rèn)可，更是保持耕地糧食產(chǎn)量可持續(xù)發(fā)展、確保我國糧食安全的重要舉措。本文介紹的農(nóng)機(jī)深松探測系統(tǒng)，對農(nóng)機(jī)深松整地進(jìn)行作業(yè)狀態(tài)實(shí)時(shí)精確測量統(tǒng)計(jì)，是我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、信息化發(fā)展過程中的一大進(jìn)展。

[1]朱瑞祥，張軍昌等.保護(hù)性耕作條件下的深松技術(shù)試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009,(06).

[2]秦紅靈，高旺盛等.兩年免耕后深松對土壤水分的影響[J]中國農(nóng)業(yè)科學(xué).2008,(01).

[3]宮秀杰，錢春榮等.深松免耕技術(shù)對土壤物理性狀及玉米產(chǎn)量的影響[J]玉米科學(xué).2009,(05).

[4]趙春江.對我國未來精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展的思考[J].2010,(04).