機(jī)器視覺技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用研究

張學(xué)俊 顧沈明 李斌

[摘要]如今隨著計(jì)算機(jī)硬件、圖像采集處理裝置、圖像處理技術(shù)的迅猛發(fā)展，機(jī)器視覺在農(nóng)業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展。機(jī)器視覺技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用可以節(jié)約勞動(dòng)力、帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)、推動(dòng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展進(jìn)程，對(duì)未來農(nóng)業(yè)的智能化發(fā)展具有重要意義。介紹了機(jī)器視覺技術(shù)在種子和果實(shí)分級(jí)檢測、雜草和蟲害監(jiān)測、重型農(nóng)機(jī)設(shè)備自動(dòng)化、植保無人機(jī)等方面的研究和應(yīng)用情況，并分析了其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的不足和面臨的挑戰(zhàn)，以供相關(guān)研究人員參考。

[關(guān)鍵詞]機(jī)器視覺;農(nóng)業(yè)生產(chǎn);農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化

[中圖分類號(hào)]TP391[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

“在工業(yè)化、城鎮(zhèn)化深入發(fā)展中同步推進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化”是國家“十二五”規(guī)劃的重點(diǎn)之一，隨著規(guī)劃的實(shí)施，農(nóng)業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的研究和應(yīng)用得到了廣泛的關(guān)注和高度的重視。機(jī)器視覺技術(shù)是促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)周期管理自動(dòng)化智能化水平提高的一種高效的手段，該技術(shù)在國內(nèi)外農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的種子質(zhì)量檢測、田間雜草識(shí)別、植物生長信息監(jiān)測、病蟲害監(jiān)測等環(huán)節(jié)取得了較大的突破。我國是農(nóng)業(yè)大國，現(xiàn)代化建設(shè)是進(jìn)一步優(yōu)化我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和農(nóng)業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)水平是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的決定性指標(biāo)，而機(jī)器視覺技術(shù)能夠?qū)r(nóng)業(yè)成本控制、降低人力配比率，帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)智能化等方面產(chǎn)生巨大的推動(dòng)作用。

當(dāng)然相對(duì)于機(jī)器視覺技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用環(huán)境，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的復(fù)雜多變的室外環(huán)境顯然更為惡劣。這就要求農(nóng)業(yè)機(jī)器視覺技術(shù)的軟硬件設(shè)備能夠擁有更強(qiáng)的適應(yīng)能力，同時(shí)相關(guān)的視覺傳感器系統(tǒng)也需要進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)，以便收集最有價(jià)值的信息。在未來農(nóng)業(yè)的智能化發(fā)展中，機(jī)器視覺技術(shù)將扮演非常重要的輔助角色，也將面臨很多技術(shù)上的挑戰(zhàn)。

1 機(jī)器視覺技術(shù)概述

機(jī)器視覺就是用計(jì)算機(jī)模擬人眼的視覺功能，從圖像或圖像序列中提取信息，對(duì)客觀世界的三維物體進(jìn)行形態(tài)和運(yùn)動(dòng)識(shí)別。最終目標(biāo)是用機(jī)器來完全解釋、模擬、重現(xiàn)和處理人的視覺。隨著計(jì)算機(jī)圖形處理和智能化技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器視覺越來越多地參與到各種傳統(tǒng)生產(chǎn)行業(yè)的現(xiàn)代化進(jìn)程中，扮演了“機(jī)器代人”重要的催化劑角色。

2 機(jī)器視覺技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用案例

正如在工業(yè)環(huán)境中一樣，機(jī)器視覺在農(nóng)業(yè)中最關(guān)鍵的好處之一是它能夠自動(dòng)完成耗時(shí)、勞動(dòng)密集型的任務(wù)。隨著傳感器系統(tǒng)和執(zhí)行器的進(jìn)一步完善，機(jī)器視覺系統(tǒng)將逐漸可以用于管理水果采摘、作物控制、收獲和一系列其他任務(wù)。農(nóng)業(yè)工作者的作用主要體現(xiàn)在監(jiān)督能力上，用以幫助進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)器視覺系統(tǒng)。

2.1 種子和果實(shí)分級(jí)檢測

農(nóng)作物種子的質(zhì)量是決定農(nóng)作物的最終產(chǎn)量的重要因素，因此類型識(shí)別以及播種前的精選，對(duì)于提高農(nóng)作物產(chǎn)量具有重要意義。傳統(tǒng)的人工分選與檢測耗時(shí)耗力，工作量大。利用機(jī)器視覺技術(shù)可以對(duì)獲取的種子圖像進(jìn)行基本的幾何測量，獲得形狀、長寬比、面積等參數(shù)，進(jìn)而區(qū)分種子的類別，完成優(yōu)質(zhì)種子與霉變、有缺陷種子之間的篩選工作。

為了減少人工分類整理，提高水果的品質(zhì)分級(jí)，我們可以用機(jī)器視覺技術(shù)以及機(jī)器學(xué)習(xí)算法。通過圖像處理，可以無損地提取水果的形狀、顏色和大小，并制定相應(yīng)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則?；跈C(jī)器視覺的自動(dòng)分揀系統(tǒng)可以快速不間斷地進(jìn)行水果的品質(zhì)分析，這樣的方式可以廣泛用于各種柑橘類水果，橘子、蘋果，油棕類水果，草莓、芒果、檸檬、棗子等，從而節(jié)省時(shí)間，減少人工勞動(dòng)。

2.2 雜草和蟲害監(jiān)測

每種作物都有其自身的需求：圍繞其種植的過程和商業(yè)環(huán)境必須反映自然的需要。研究表明，在番茄生長周期中，雜草控制在間接成本中所占的比例相對(duì)較高。加州大學(xué)戴維斯分校的研究人員開發(fā)了一個(gè)自動(dòng)除草系統(tǒng)，通過使用機(jī)器視覺系統(tǒng)的檢測和X射線清除番茄莖附近生長的雜草，改善了番茄生長條件。

農(nóng)作物在生長過程中極易遭受病蟲侵害，從而影響最終產(chǎn)量。傳統(tǒng)的大面積施藥不僅浪費(fèi)資源，更容易對(duì)環(huán)境造成污染和破壞。因此，對(duì)作物病蟲害區(qū)域進(jìn)行檢測和識(shí)別，控制噴藥機(jī)械精準(zhǔn)噴灑，是當(dāng)前機(jī)器視覺在農(nóng)業(yè)應(yīng)用研究的熱點(diǎn)。在農(nóng)作物生長的關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)出現(xiàn)病蟲，經(jīng)常需要在短短的幾天時(shí)間內(nèi)一下子給幾百上千畝地全噴完藥，稍稍晚了害蟲就會(huì)轉(zhuǎn)移，從而感染危害到其他正常農(nóng)作物的產(chǎn)收。雇傭足夠多的人力雖然也可以完成這樣高強(qiáng)度的工作，但付出的代價(jià)可想而知。而利用機(jī)器視覺技術(shù)，快速識(shí)別農(nóng)作物和蟲害分布，自動(dòng)進(jìn)行最佳噴灑用藥的劑量和路徑規(guī)劃，可以提高90%的除蟲害效率。

2.3 重型農(nóng)機(jī)設(shè)備自動(dòng)化

機(jī)器視覺可以大大增強(qiáng)現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)設(shè)備工作效率，并可廣泛用于一些重型農(nóng)用機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)化升級(jí)中。機(jī)器視覺技術(shù)的采用有助于創(chuàng)造一種全新一代的農(nóng)機(jī)設(shè)備，如在萵苣生產(chǎn)前期，裝備視覺系統(tǒng)的除草機(jī)能夠區(qū)分健康的萵苣幼苗和入侵植物，并應(yīng)用適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)或人工方法來提高幼苗的生存能力。

例如我國目前茶葉采摘和用工的矛盾已經(jīng)成為茶葉產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸，加快發(fā)展茶葉采摘機(jī)械化勢在必行。采用機(jī)械化作業(yè)替代人工，不僅可以降低成本，而且能夠提高采茶質(zhì)量和生產(chǎn)效率。機(jī)器視覺在茶隴識(shí)別與采茶機(jī)導(dǎo)航中的應(yīng)用，給茶產(chǎn)業(yè)帶來了新的春天。利用計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)識(shí)別茶樹嫩芽并實(shí)現(xiàn)定位采摘的方法，不僅可以保證葉片的完整性，還能使整個(gè)采摘過程完全自動(dòng)化，節(jié)省大量的人力物力，當(dāng)然機(jī)器視覺的識(shí)別效率還有提升的空間。

2.4 植保無人機(jī)

由于現(xiàn)代視覺系統(tǒng)的精確性，目前的植保無人機(jī)已經(jīng)可以用來監(jiān)測宏觀水平的農(nóng)作物狀況。這使專業(yè)人員有機(jī)會(huì)迅速采取行動(dòng)，防止疾病、害蟲或不利環(huán)境條件的意外爆發(fā)。例如在棉花種植過程中，脫葉期到來之前給它噴灑脫葉劑，就是影響最后收成如何的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。噴灑得好，不僅可以促進(jìn)棉花均勻成熟，還可以減少采摘的棉花上殘留著的葉渣等雜質(zhì)，從而提高棉花的品質(zhì)。傳統(tǒng)手段通常通過把拖拉機(jī)開進(jìn)棉花田里，通過車上連著的噴桿來進(jìn)行撒藥。但這種做法不僅會(huì)碾壓破壞大片大片的棉花，增大無謂損耗，而且棉花長太高的地方車根本就開不進(jìn)去。到了這時(shí)，只能用人工進(jìn)行噴藥、澆水、防蟲、頂芽摘尖、脫葉、采摘等等。棉花生長過程中任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)意外如果沒有及時(shí)處理，造成的損失幾乎是無法挽回。而裝載機(jī)器視覺識(shí)別系統(tǒng)的植保無人機(jī)就能實(shí)現(xiàn)對(duì)棉花等農(nóng)作物的高效低公害施藥。一來空中施藥不僅可以避免碾壓破壞掉棉花徒增多余的損失，二來機(jī)器視覺系統(tǒng)能識(shí)別不同田地的地形和農(nóng)作物分布，自動(dòng)設(shè)置最佳的噴水撒藥用量和運(yùn)作軌跡。原本每667m2需要30L的藥水噴灑，現(xiàn)在每667m2只需要1L水。一臺(tái)植保無人機(jī)每小時(shí)可以完成2～10hm2農(nóng)田的作業(yè)，一個(gè)工作人員就能控制2～5臺(tái)無人機(jī)。在大幅度節(jié)省人力和藥水成本，提高效率的同時(shí)，效果甚至還比費(fèi)時(shí)耗力的人工和傳統(tǒng)粗暴的機(jī)械作業(yè)要好上不少。

3 機(jī)器視覺技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的不足和面臨的挑戰(zhàn)

機(jī)器視覺技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品無損檢測、植物生長信息檢測、病蟲害檢測、農(nóng)田視覺導(dǎo)航、植保無人機(jī)等方面的研究已有很大進(jìn)步，但是由于農(nóng)業(yè)研究對(duì)象的多樣性和復(fù)雜性以及機(jī)器視覺技術(shù)自身的特點(diǎn)，加之我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的相對(duì)滯后，機(jī)器視覺技術(shù)在我國農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用仍存在如下的不足和挑戰(zhàn)。

3.1 我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化基礎(chǔ)建設(shè)較為薄弱

目前我國農(nóng)業(yè)發(fā)展總體上存在缺乏資產(chǎn)經(jīng)營管理、保障能力不足、布局不合理、農(nóng)業(yè)技術(shù)應(yīng)用不高等問題。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相對(duì)分散，規(guī)模小，人均耕地不到0.093hm2，農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)落后于經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平。這極大地增加了調(diào)整和優(yōu)化農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的難度，并進(jìn)一步制約農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的推進(jìn)。

3.2 我國農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新動(dòng)力不足，相關(guān)技術(shù)人才缺乏

我們農(nóng)業(yè)科技目前自主創(chuàng)新創(chuàng)能力不強(qiáng)，創(chuàng)新成果相對(duì)不足。許多動(dòng)植物良種還需要進(jìn)口支持。農(nóng)業(yè)科技研發(fā)投入與發(fā)達(dá)國家差距較大，大約只有1/10。薄弱的科研基礎(chǔ)條件也造成了農(nóng)業(yè)科技推廣服務(wù)的落后，相關(guān)技術(shù)人才的數(shù)量缺口很大，一定程度上限制了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展。

3.3 機(jī)器視覺技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的局限性

機(jī)器視覺技術(shù)作為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展中的新興技術(shù)，其應(yīng)用前景和潛力是巨大的，但相對(duì)于較為成熟的工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)模式，機(jī)器視覺在當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中依然有其無法規(guī)避的局限性。大部分情況下，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境總體上要比工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜的多。形狀不規(guī)則的農(nóng)產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)不規(guī)則的作物枝干，田間作業(yè)時(shí)復(fù)雜多變的光照條件，內(nèi)部品質(zhì)通常高于外觀的判斷依據(jù)，都將是限制機(jī)器視覺技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中進(jìn)一步發(fā)展的技術(shù)壁壘。同時(shí)圖像的精準(zhǔn)處理對(duì)網(wǎng)速及傳輸穩(wěn)定性要求更高，而目前廣大農(nóng)村的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)建設(shè)現(xiàn)狀顯然還不足以支撐大規(guī)模的機(jī)器視覺技術(shù)應(yīng)用。

4 結(jié)語

隨著我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的不斷推進(jìn)，機(jī)器視覺技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用前景越來越廣泛。不過農(nóng)作物的多樣性、田間環(huán)境的復(fù)雜性、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的基礎(chǔ)薄弱、技術(shù)人才缺乏，限制了機(jī)器視覺技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用與發(fā)展。在國家鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略下，大量的資金和政策向農(nóng)村和農(nóng)業(yè)傾斜，農(nóng)業(yè)科技基礎(chǔ)建設(shè)進(jìn)一步完善，許多大學(xué)生和技術(shù)人才也紛紛回鄉(xiāng)支援農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)，為機(jī)器視覺技術(shù)提供堅(jiān)實(shí)的外部基礎(chǔ)。而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制等智能算法的精進(jìn)和人工智能的發(fā)展，圖像處理技術(shù)的豐富度和速度得到了大大的提升，加之5G時(shí)代的來臨，也將為機(jī)器視覺技術(shù)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)一步融合奠定技術(shù)基礎(chǔ)。農(nóng)業(yè)發(fā)展向來離不開技術(shù)的變革，科技一旦與傳統(tǒng)行業(yè)高度結(jié)合，將會(huì)是一場悄無聲息而又勢如破竹的大變革。相信不久的將來，莊稼之人面朝黃土背朝天這一延續(xù)了幾千年的傳統(tǒng)農(nóng)耕方式將會(huì)徹底改變。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 成芳，應(yīng)義斌.機(jī)器視覺技術(shù)在農(nóng)作物種子質(zhì)量檢驗(yàn)中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2001，17（6）：175-179.

[2] 陳兵旗，吳召恒，李紅業(yè)，等.機(jī)器視覺技術(shù)的農(nóng)業(yè)應(yīng)用研究進(jìn)展[J].科技導(dǎo)報(bào)，2018，36（11）：54-65.

[3] 于艷玲.對(duì)面向市場經(jīng)濟(jì)的農(nóng)機(jī)化技術(shù)推廣模式的探討[J].現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)信息，2017（24）：354-354.

[4] 劉曙光，劉明遠(yuǎn)，何戊.機(jī)器視覺及其應(yīng)用[J].機(jī)械制造，2000，38（7）：11-15.

[5] 傅宇.機(jī)器視覺技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化領(lǐng)域中應(yīng)用研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2006（15）：3871-3872.

[6] 劉亞麗，李怡.機(jī)器視覺技術(shù)在農(nóng)業(yè)工程中的應(yīng)用[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2017（23）：149-150.

[7] 王偉羊.基于計(jì)算機(jī)視覺的采茶機(jī)導(dǎo)航技術(shù)研究[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2016.