計算機視覺技術(shù)在農(nóng)機自動化上的應(yīng)用與優(yōu)勢分析

董美榮

摘 要： 農(nóng)機自動化技術(shù)為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高效率運行提供了保障，為進一步提高農(nóng)業(yè)機械對環(huán)境的感知能力，近年來對計算機視覺技術(shù)在農(nóng)機自動化上的研究和應(yīng)用逐漸增多。因此，結(jié)合計算機視覺技術(shù)的特點，分析了視覺技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械中的應(yīng)用方向，并強調(diào)了在農(nóng)機裝備上應(yīng)用計算機視覺技術(shù)的顯著優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞： 計算機;視覺技術(shù);農(nóng)機自動化;應(yīng)用;優(yōu)勢

中圖分類號： S220? ? ? ? ?文獻標識碼： A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.10.014

0 引言

農(nóng)業(yè)機械的自動化是農(nóng)機技術(shù)發(fā)展的必經(jīng)之路，近年來在傳統(tǒng)農(nóng)機技術(shù)的基礎(chǔ)上，農(nóng)業(yè)機械的自動化程度得到了顯著的提升，為很多新功能的研發(fā)與實施奠定了基礎(chǔ)。將計算機視覺技術(shù)與現(xiàn)代化的農(nóng)機自動化技術(shù)進行結(jié)合，有利于進一步提升農(nóng)業(yè)機械的自動化和智能化程度，使農(nóng)業(yè)機械更好地代替人力進行生產(chǎn)勞動。隨著相關(guān)研究的深入，視覺技術(shù)結(jié)合計算機技術(shù)、圖形處理技術(shù)，能夠完成農(nóng)田的作物采摘、分選等多種工作，并具備良好的可靠性和精準度特點。

1 計算機視覺技術(shù)簡介

計算機視覺技術(shù)是一種新興的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在自動制造和機器人領(lǐng)域，其結(jié)合了機械技術(shù)、計算機技術(shù)、圖像技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、傳感器技術(shù)等眾多先進技術(shù)，并通過多種技術(shù)的結(jié)合實現(xiàn)替代人的視覺功能的效果。視覺技術(shù)工作時，首先通過傳感器接收透鏡獲得的影像信息，再經(jīng)過成像技術(shù)對獲得的影像進行處理，將所需要的重要影像特點信息進行提取并將其輸出給處理器，實現(xiàn)對外界圖像信息的實時反饋。視覺技術(shù)的研究發(fā)展經(jīng)歷了一維成像視覺技術(shù)、二維成像視覺技術(shù)和三維成像視覺技術(shù)三個階段，現(xiàn)階段的三維成像技術(shù)不僅能識別形狀、顏色等信息，還能實現(xiàn)位置關(guān)系的獲取，準確度更高。

視覺技術(shù)系統(tǒng)主要由光源照明、攝像機和圖像采集卡組成圖像的獲取功能部件，能夠?qū)崿F(xiàn)對圖像信息的獲取和相關(guān)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化，然后通過對獲得數(shù)據(jù)的分析和對圖像進行邊緣銳化、平滑、分割、特征抽取等處理，實現(xiàn)對圖像的處理和進一步數(shù)據(jù)傳輸，以供機器執(zhí)行后續(xù)動作。

2 視覺技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械中的應(yīng)用

2.1 視覺技術(shù)在農(nóng)機導(dǎo)航上的應(yīng)用

計算機視覺技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械導(dǎo)航上的應(yīng)用主要包括三大方面：一是對農(nóng)業(yè)機械行駛路線的分析與狀態(tài)獲取。現(xiàn)階段，在傳統(tǒng)的衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)之上，為進一步提高農(nóng)業(yè)機械自動作業(yè)時導(dǎo)航的準確性，常將計算機視覺技術(shù)與GPS導(dǎo)航技術(shù)進行結(jié)合應(yīng)用。無論是農(nóng)田還是果園，在機械化生產(chǎn)下衛(wèi)星導(dǎo)航預(yù)設(shè)的行駛路線通常會受到農(nóng)田實際生長條件的影響，視覺技術(shù)通過對輪廓、形狀、距離、顏色的感知，通過計算機技術(shù)賦予的算法進行運算處理，能夠輔助指導(dǎo)農(nóng)機的行駛狀態(tài)。二是用于躲避農(nóng)田間的障礙物。當視覺系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)農(nóng)機具行駛途徑上存在障礙物，會對控制系統(tǒng)發(fā)出警報，以避免在行駛過程中與障礙物發(fā)生碰撞。三是與控制系統(tǒng)合作完成相對復(fù)雜的行駛中控制功能。例如對于農(nóng)業(yè)植保作業(yè)而言，在進行噴霧作業(yè)時通過行駛過程中獲取的農(nóng)作物信息，能及時控制噴藥量的增減，實現(xiàn)更為精密的導(dǎo)航同步作業(yè)需求。

2.2 視覺技術(shù)在果蔬采摘工作的應(yīng)用

傳統(tǒng)的果蔬采摘工作，只能依靠人力進行，不僅作業(yè)的成本高，而且工作效率低下，工作人員的勞動負擔很大。隨著計算機視覺技術(shù)的應(yīng)用，其良好的識別能力能幫助農(nóng)業(yè)機械快速的識別需要采摘的目標作物，進而實現(xiàn)高效率的無人化自動采摘工作。在進行果蔬自動采摘時，計算機系統(tǒng)對攝像頭所獲取的圖像進行分析，通過果蔬與枝葉等環(huán)境因素的明顯特征差別，快速篩選出目標果實，從而完成采摘工作。圖1為圣女果利用視覺技術(shù)自動采摘的過程，諸如此類的色彩分明、生長集中的果實更適合視覺技術(shù)的自動采摘工作。在實際應(yīng)用中，自動采摘的精確度受到光照條件、遮擋物、自然風(fēng)等多種因素影響，現(xiàn)階段采摘總體成功率僅在68%左右，但隨著計算機技術(shù)和圖像處理分析技術(shù)的進步，自動采摘的準確率還將不斷上升。

2.3 視覺技術(shù)在病蟲害防治中的應(yīng)用

病蟲害防治工作是確保農(nóng)業(yè)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的重要工作，在現(xiàn)代化的病蟲害防治工作中應(yīng)用視覺技術(shù)進行輔助，通過利用存在病蟲害農(nóng)作物與健康作物的生態(tài)特征差別進行辨別，能顯著提高病蟲害的防治效果。相關(guān)研究表明利用視覺技術(shù)判斷玉米的葉病斑、灰斑、銹病等病害的準確率可達80%以上;同時視覺技術(shù)能準確地識別作物上的蚜蟲等病蟲害，并能對病蟲害的嚴重性進行評估，為噴藥作業(yè)的方案提供參考依據(jù)。在實際應(yīng)用過程中，由于農(nóng)作物的病蟲害存在著多樣性特點，因此，視覺診斷技術(shù)也存在一定困難，尤其對于一些病癥或蟲害差異性特征不明顯的辨別環(huán)境，視覺技術(shù)的識別率仍不高，相關(guān)技術(shù)仍有待提升[1]。

2.4 視覺技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)篩選中的應(yīng)用

現(xiàn)階段，隨著信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及，農(nóng)產(chǎn)品的銷售也逐漸傾向于電商化和網(wǎng)絡(luò)化，通過對農(nóng)產(chǎn)品進行分級篩選，能實現(xiàn)產(chǎn)品的分級銷售，顯著提高經(jīng)濟效益。利用視覺識別技術(shù)，通過專用計算機軟件對農(nóng)產(chǎn)品進行圖像獲取預(yù)處理，能利用事先設(shè)定的標準控制機械實現(xiàn)準確快捷的篩選。這種形式能有效改善傳統(tǒng)的機械分選精確度不高的問題，使產(chǎn)品銷售的好評率進一步提高。近年來對應(yīng)用視覺技術(shù)分選農(nóng)產(chǎn)品的相關(guān)研究增多，例如劉建軍等研究了利用分析山核桃圖像的橫徑、果長、大小等特征實現(xiàn)對山核桃的分級;周竹等設(shè)計的按照馬鈴薯直徑尺寸參數(shù)對馬鈴薯外形特征進行大、中、小分級的視覺分級設(shè)備，都取得了良好的作業(yè)效果[2]。

2.5 視覺技術(shù)在農(nóng)作物生長環(huán)境監(jiān)測的應(yīng)用

利用視覺技術(shù)獲得農(nóng)作物生長環(huán)境狀態(tài)信息，能準確地掌握農(nóng)田的水分含量、營養(yǎng)條件、光照條件，有利于對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進行更科學(xué)的規(guī)劃與管理，通過對作物長勢、果蔬成熟度的檢測，能更精準的確定作物的采摘和收獲的時間，確保農(nóng)作物品質(zhì)的最佳化，圖2為對玉米生長狀態(tài)和環(huán)境變化的視覺檢測。通過視覺技術(shù)的應(yīng)用獲取的圖像信息，能通過色彩分析對比出農(nóng)田缺水問題、通過對葉片紋理分析獲得農(nóng)作物營養(yǎng)狀態(tài)、通過對光照的檢測預(yù)判天氣對農(nóng)作物生長狀態(tài)的影響。在現(xiàn)階段研究的基礎(chǔ)上，要進一步提高農(nóng)作物生長環(huán)境監(jiān)測的準確性，還必須在數(shù)據(jù)分析和計算機算法上加強研究，以提升監(jiān)測工作的準確性。

3 視覺技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢總結(jié)

（1）有利于提高農(nóng)業(yè)機械的智能化程度。計算機視覺技術(shù)的應(yīng)用使農(nóng)業(yè)機械獲得了“雙眼”，為其感官能力的提升創(chuàng)造了良好的條件，在此基礎(chǔ)上，農(nóng)業(yè)機械以計算機技術(shù)為頭腦、以機械技術(shù)為肢體、以視覺技術(shù)和傳感器技術(shù)為感知，形成了系統(tǒng)化的智能機械結(jié)構(gòu)體系，其實際的工作能力必將得到大幅提升。

（2）有利于減少環(huán)境污染與資源浪費。在視覺技術(shù)的支持下，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各個工序的實施過程都能進行智能化的思維邏輯分析，能避免傳統(tǒng)作業(yè)過程的刻板形式，更合理的利用燃料、水、農(nóng)藥化肥等資源，并減輕對環(huán)境產(chǎn)生的危害和資源消耗負擔。

（3）有利于優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的模式。計算機視覺技術(shù)使農(nóng)民不必到田間就能實時觀察農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的情況，其對勞動力的解放更為徹底，且在高技術(shù)模式下，會形成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各個工序并行不悖的良好局面，有利于農(nóng)業(yè)高度現(xiàn)代化的實現(xiàn)。

參考文獻：

[1]? 刁智華， 王會丹， 魏偉. 機器視覺在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用研究[J]. 農(nóng)機化研究， 2014（3）：212-217.

[2] 陳兵旗， 吳召恒， 李紅業(yè)，等. 機器視覺技術(shù)的農(nóng)業(yè)應(yīng)用研究進展[J]. 科技導(dǎo)報， 36（11）：12.