圖像識(shí)別技術(shù)在南疆棉鈴蟲防治中的應(yīng)用研究

劉付勇高賢強(qiáng)張著塔里木大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 新疆阿拉爾 8400

圖像識(shí)別技術(shù)在南疆棉鈴蟲防治中的應(yīng)用研究

劉付勇1高賢強(qiáng)2張著3
塔里木大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 新疆阿拉爾 843300

為了提出根除南疆棉鈴蟲的有效策略，必須快速、經(jīng)濟(jì)、有效的追蹤其發(fā)生發(fā)展及分布情況。依據(jù)對(duì)圖像識(shí)別技術(shù)的理解，結(jié)合南疆地區(qū)特殊的自然環(huán)境及棉花基地實(shí)際情況，針對(duì)南疆不同區(qū)域棉花種植的特點(diǎn)，利用圖像的特征提取、可視化技術(shù)，抽取南疆不同棉花基地棉鈴蟲有效的圖像特征，將農(nóng)作物病蟲害防治專業(yè)知識(shí)與圖像識(shí)別技術(shù)結(jié)合，本文提出了利用圖像識(shí)別技術(shù)研究建立棉鈴蟲追蹤與監(jiān)測(cè)特征模型來(lái)防治棉鈴蟲的策略方法。經(jīng)過分析，理論上該方法在未來(lái)棉鈴蟲防治方面是可行的。

圖像識(shí)別；棉鈴蟲；特征提取

1、國(guó)外研究現(xiàn)狀

圖像識(shí)別技術(shù)始于20世紀(jì)50年代，1964年美國(guó)噴射推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)使用計(jì)算機(jī)對(duì)太空船送回的月球照片處理后得到了清晰逼真的圖像，是該技術(shù)發(fā)展的重要里程碑[1]。從此，圖像識(shí)別技術(shù)的優(yōu)越性越來(lái)越為人們所重視，其應(yīng)用也愈來(lái)愈多。目前已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在交通監(jiān)測(cè)、醫(yī)療領(lǐng)域、工業(yè)探傷等各行各業(yè)，并作出了巨大的貢獻(xiàn)。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用圖像識(shí)別技術(shù)國(guó)外開展的較早，而且也較為深入，主要是在作物株型、病蟲害識(shí)別、雜草識(shí)別、作物品質(zhì)分級(jí)分類等方面取得了較大進(jìn)展，并且已進(jìn)入實(shí)用階段。自20世紀(jì)90年代，其研究已經(jīng)有幾十年的歷史，一直都受到人們的高度重視，至今借助于各種理論提出了數(shù)以千計(jì)的圖像識(shí)別算法，而且這方面的研究仍然在積極地進(jìn)行著。在近二十年間，隨著基于直方圖和小波變換的圖像分割方法的研究計(jì)算技術(shù)、VLSI技術(shù)的迅速發(fā)展，有關(guān)圖像處理技術(shù)與農(nóng)業(yè)災(zāi)害預(yù)測(cè)方面的研究取得了很大的進(jìn)展[2]。同時(shí)圖像識(shí)別中的圖像分割方法結(jié)合了一些特定理論、方法和工具，如基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的圖像分割、基于小波變換的分割、基于遺傳算法的分割等。加速了農(nóng)業(yè)災(zāi)害預(yù)防的智能化與信息化。同時(shí)圖像識(shí)別技術(shù)在航空航天、醫(yī)學(xué)、通信、工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)器人、及軍事等領(lǐng)域均有著廣泛的應(yīng)用。

2、本文研究問題的思路及策略

(1) 研究方案

以圖像識(shí)別理論、特征提取技術(shù)和棉鈴蟲相關(guān)特性為指導(dǎo)，揭示南疆棉花生長(zhǎng)過程中，外部濕度、溫度等環(huán)境變化對(duì)棉鈴蟲分布的廣度和密度影響；揭示南疆不同區(qū)域遭受棉鈴蟲侵害的程度，建立可行的追蹤和監(jiān)測(cè)模型；從而為南疆種植棉花的團(tuán)場(chǎng)提供快速、經(jīng)濟(jì)、有效的追蹤棉鈴蟲發(fā)生發(fā)展及其分布，提出有效的棉鈴蟲防治策略,減少不必要防蟲農(nóng)藥過度使用，提高環(huán)境效益比具有重要的指導(dǎo)意義；同時(shí)為國(guó)家在加速新疆農(nóng)業(yè)病蟲害診斷信息化、棉花生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)化、生態(tài)環(huán)境規(guī)劃科學(xué)化等宏觀決策提供理論依據(jù)和知識(shí)基礎(chǔ)。在此總目標(biāo)下，本文研究思路具體目標(biāo)可以概括為：

A.揭示棉鈴蟲生長(zhǎng)過程中的核心特征；

B.揭示棉鈴蟲在南疆不同區(qū)域分布規(guī)律，差異性特征；

C.通過比較性試驗(yàn)，找到一種性價(jià)比高的棉鈴蟲追蹤與監(jiān)測(cè)識(shí)別算法；

D.遠(yuǎn)距離特征數(shù)據(jù)獲取，后期可視化圖像的追蹤，模型的建立，預(yù)防策略的規(guī)范；

E.為科學(xué)合理用藥及保護(hù)棉鈴蟲天敵提供依據(jù)；

F.構(gòu)建了基于圖像識(shí)別的、具有多個(gè)特征參數(shù)的棉鈴蟲圖像識(shí)別特征數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)圖像識(shí)別的南疆棉鈴蟲追蹤與監(jiān)測(cè)模型系統(tǒng)進(jìn)行集成，初步實(shí)現(xiàn)了棉鈴蟲的快速追蹤與監(jiān)測(cè)，有效預(yù)防了棉鈴蟲災(zāi)害的大規(guī)模發(fā)生。

新疆南疆是我國(guó)棉花種植分布最為集中的地區(qū)之一，這一地區(qū)常年干旱少雨，隨著膜下滴灌以及高密度栽培技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使墾區(qū)秋耕冬灌面積減少，茬灌和干播面積加大，導(dǎo)致棉鈴蟲羽化率高，越冬基數(shù)逐年增多，極易爆發(fā)成災(zāi)。同時(shí)棉田施藥過多或選用農(nóng)藥不當(dāng)，殺傷了大量天敵，失去了天敵對(duì)棉鈴蟲種群的自然控制，將會(huì)加劇棉鈴蟲成災(zāi)發(fā)生。棉花是新疆南疆最重要的經(jīng)濟(jì)作物之一。

（2）研究方法

本文的研究方法來(lái)自于圖像識(shí)別中基于圖像特征的識(shí)別方法，在描述其基本原理與優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，分析圖像識(shí)別技術(shù)在本項(xiàng)目中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)和可適用性。結(jié)合圖像分割和圖像邊緣追蹤相關(guān)算法對(duì)所追蹤的對(duì)象進(jìn)行快速準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)。

基于圖像特征的識(shí)別方法具體思路：獲取棉田棉鈴蟲及相關(guān)數(shù)據(jù)，去噪；提取棉鈴蟲圖像的紋理特征、局部特征、獨(dú)特性特征值，結(jié)合相應(yīng)算法初步分類處理。

圖像分割：從復(fù)雜的彩色圖像中分離棉鈴蟲；使用邊緣追蹤和圖像分割算法提取棉鈴蟲邊界圖像和有較好斑特征的分割圖像；獲得軀干和足、觸角、顎等的分離圖像；(由于在數(shù)據(jù)傳輸過程中可能受到脈沖噪聲和椒鹽噪聲的影響，因此要對(duì)圖像進(jìn)行平滑濾波去噪)。

（3）實(shí)驗(yàn)方案及可行性分析

1）數(shù)據(jù)來(lái)源

本文研究的數(shù)據(jù)源來(lái)自于棉鈴蟲研究院/所、塔里木大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生物科學(xué)系教研室、二手資料數(shù)據(jù)等。

其中科研院所可以提供棉鈴蟲重點(diǎn)分布區(qū)域、分類地位、形態(tài)特征、發(fā)生特點(diǎn)、為害特點(diǎn)等數(shù)據(jù)；新疆農(nóng)技站提供棉鈴蟲越冬代、一代和二代的卵、幼蟲、蛹、成蟲等數(shù)據(jù)；塔大生物科學(xué)系提供棉鈴蟲災(zāi)害發(fā)病癥狀、發(fā)生原因、發(fā)生周期、蟲害監(jiān)控點(diǎn)建立成本、生化防治、轉(zhuǎn)基因與非轉(zhuǎn)基因棉區(qū)棉鈴蟲種群發(fā)生分布特點(diǎn)等數(shù)據(jù)；《中國(guó)氣象災(zāi)害年鑒——農(nóng)業(yè)病蟲害》、《托克遜年鑒——農(nóng)殘檢測(cè)與病蟲害防治》、《石河子年鑒——種植業(yè)主要措施》可提供棉鈴蟲特征數(shù)據(jù)。

2）研發(fā)團(tuán)隊(duì)需具備的科研能力

研發(fā)團(tuán)隊(duì)成員應(yīng)包含圖像識(shí)別、可視化、生物學(xué)、植物學(xué)、智能網(wǎng)技術(shù)多種學(xué)科背景，建議以年青的研究人員為主體，且都有從事圖像識(shí)別、計(jì)算機(jī)可視化、生物病蟲害防治的工作經(jīng)歷。具有圖像識(shí)別、計(jì)算機(jī)可視化背景的項(xiàng)目組成員，熟練掌圖像識(shí)別、計(jì)算機(jī)可視化的理論、算法與工具，具有獨(dú)自開發(fā)圖像識(shí)別、可視化模塊的能力。

通過以上分析可以看出，圖像識(shí)別技術(shù)在南疆棉鈴蟲防治中的研究是可行的。

3）本文所提方法的特色與創(chuàng)新之處

本文所提方法的特色在于：多學(xué)科的交叉應(yīng)用前提下，依據(jù)圖像識(shí)別、計(jì)算機(jī)可視化理論與算法，設(shè)計(jì)出較為完備的研究方案。

本文所提方法的創(chuàng)新之處在于：在交叉學(xué)科背景下，將圖像識(shí)別、計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)引入到新的應(yīng)用領(lǐng)域；綜合新疆棉區(qū)各研究領(lǐng)域多年棉鈴蟲防治累積數(shù)據(jù)與研究成果，結(jié)合圖像識(shí)別、計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)，將棉鈴蟲防治思路引入一個(gè)智能且可行的新方向；為未來(lái)農(nóng)業(yè)海量信息智能化采集、傳輸、處理提供理論支撐和技術(shù)保障；為新疆農(nóng)業(yè)信息化、智能化、物聯(lián)網(wǎng)化提供決策依據(jù)。

3、本文研究的預(yù)期意義

現(xiàn)實(shí)情況，我國(guó)棉花總產(chǎn)量居世界第一,每年因棉鈴蟲造成的損失達(dá)15％-20％,有些地區(qū)嚴(yán)重年份則高達(dá)50％以上，甚至絕收，而新疆是我國(guó)最大的棉區(qū)之一，棉花產(chǎn)量占我國(guó)的1／3，占世界的7％—8％。

從國(guó)家層面，過去五年，我國(guó)棉花消費(fèi)剛性需求持續(xù)增長(zhǎng)，國(guó)際市場(chǎng)棉花資源有限，我國(guó)現(xiàn)在棉花進(jìn)口大概占了國(guó)際市場(chǎng)1/3，所以必須要高度重視國(guó)內(nèi)棉花生產(chǎn)。從區(qū)域來(lái)講，我國(guó)棉花種植面積大概只能在7800萬(wàn)畝，為了保證國(guó)家糧食安全，棉花種植面積不可能有新的增長(zhǎng)；作為區(qū)域布局來(lái)講，為了減輕我國(guó)棉花供給壓力，不斷鞏固發(fā)展新疆棉

＞＞＜＜區(qū)將成為不二選擇，總體來(lái)講新疆棉花不能低于2200萬(wàn)畝，產(chǎn)量應(yīng)該在270萬(wàn)噸以上。國(guó)家將給予新疆棉花基地更多政策、技術(shù)支持。

從地區(qū)層面，棉花是新疆南疆最重要的經(jīng)濟(jì)作物之一。農(nóng)業(yè)是新疆經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈，新疆獨(dú)特的區(qū)域優(yōu)勢(shì)、氣候優(yōu)勢(shì)，使得優(yōu)質(zhì)棉花也成為了新疆一張名片。國(guó)家“十二五”提出重點(diǎn)加快生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變。而新疆棉花種植，特別是南疆技術(shù)上要實(shí)現(xiàn)棉花種植過程中高效節(jié)水、節(jié)本增效。不可能繼續(xù)粗放式經(jīng)營(yíng)生產(chǎn)，破壞環(huán)境。同時(shí)，近期國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)日益重視，而在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，減少害蟲防治過程中農(nóng)藥等化學(xué)藥劑使用量，降低農(nóng)藥對(duì)環(huán)境的破壞顯得尤為重要。棉鈴蟲是棉花生產(chǎn)中的三大主要害蟲之一,它的發(fā)生與危害嚴(yán)重制約著南疆棉花的產(chǎn)量與質(zhì)量，快速、經(jīng)濟(jì)、有效的追蹤棉鈴蟲發(fā)生發(fā)展及其分布、提出有效的防治策略,經(jīng)濟(jì)合理的指導(dǎo)農(nóng)牧民綠色生產(chǎn)、病蟲害綠色防治，甚至將蟲害扼殺在幼苗期，對(duì)南疆水土資源的保護(hù)及棉花生產(chǎn)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展具有十分重要的理論意義和實(shí)踐意義。

[1]陸明,李茂松等.圖像識(shí)別技術(shù)在作物農(nóng)情信息反演中的應(yīng)用[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào),2011,20(3):76-83

[2]王克如.基于圖像識(shí)別的作物病蟲草害診斷研究[D].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院,2005:1-18.

[3]章國(guó)榮,盛來(lái)運(yùn).新疆棉花產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的問題與對(duì)策[J].中國(guó)統(tǒng)計(jì),2004(09)

[4]王秀娟.新疆棉田棉鈴蟲綜合防治技術(shù)[J].科研技術(shù)推廣,2013(01)

基于圖像識(shí)別的南疆紅棗果實(shí)位姿獲取特征模型研究（TSAI201402）