圖像處理技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

何秋磊 湖南科技大學(xué)

一、圖像處理技術(shù)概述

圖像處理技術(shù)是用計(jì)算機(jī)處理圖像的技術(shù)，主要包括圖像數(shù)字化、圖像增強(qiáng)和修復(fù)、復(fù)原、圖像數(shù)據(jù)編碼、圖像分割和圖像識(shí)別等技術(shù)。

（一）圖像處理的方法

圖像處理技術(shù)包括點(diǎn)處理、組處理、幾何處理和幀處理四種方法。點(diǎn)處理的對(duì)象是像素，是最基本的處理圖像的方法。圖像的組處理方法處理的范圍比點(diǎn)處理大，處理的對(duì)象是一組像素，因此又叫“區(qū)處理或塊處理”。幾何處理經(jīng)過運(yùn)算，改變圖像的像素位置和排列順序，從而實(shí)現(xiàn)圖像的放大與縮小、圖像旋轉(zhuǎn)、圖像鏡像、以及圖像平移等效果。幀處理將一幅以上的圖像以某種特定的形式合成在一起，形成新的圖像。

（二）圖像處理技術(shù)分類

圖像處理技術(shù)一般被分為兩大類。一類是模擬圖像處理技術(shù)，簡單來說就是直接用圖像存儲(chǔ)傳遞信息，包括光學(xué)處理和電子處理，特點(diǎn)是處理速度快，理論上講可以達(dá)到光速，在實(shí)際應(yīng)用中可以說是實(shí)時(shí)處理。另一類是數(shù)字圖像處理，一般需要通過計(jì)算機(jī)或其他硬件進(jìn)行處理，其優(yōu)點(diǎn)是精確度高，處理內(nèi)容豐富，靈活性強(qiáng)，但是相對(duì)地處理速度慢，處理的信息越多，圖像精度越高，所需的時(shí)間越長。

（三）圖像識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

圖像是一種記錄信息和傳遞信息的媒介，因此圖像處理技術(shù)在人類生活中應(yīng)用廣泛，包括航空航天技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)工程、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通管理、通訊等方面。隨著人類社會(huì)的發(fā)展和計(jì)算技術(shù)水平的提高，圖像識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也會(huì)逐漸擴(kuò)大，在人類生活的方方面面發(fā)揮重要作用。

二、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的內(nèi)容及作用

（一）精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的內(nèi)容

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)又稱為精確農(nóng)業(yè)或精細(xì)農(nóng)作，發(fā)源于美國。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是一套以信息技術(shù)為支撐，根據(jù)空間變異，定位、定使、定量地實(shí)施現(xiàn)代化操作與管理的系統(tǒng)，是一種現(xiàn)代信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相結(jié)合的新型農(nóng)業(yè)。

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的技術(shù)原理是根據(jù)土壤肥力和作物生長狀況的空間差異，調(diào)節(jié)對(duì)作物的投入，在對(duì)耕地和作物長勢進(jìn)行定量的實(shí)時(shí)診斷并充分了解大田生產(chǎn)力的空間變異的基礎(chǔ)上，以平衡地力、提高產(chǎn)量為目標(biāo)，實(shí)時(shí)定位、定量的精準(zhǔn)田間管理，實(shí)現(xiàn)高效利用各類農(nóng)業(yè)資源和改善環(huán)境這一可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。

（二）精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的意義

1.有效提高了農(nóng)作物產(chǎn)量。

從近代農(nóng)業(yè)發(fā)展歷史可見，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)等技術(shù)的投入，能夠提高農(nóng)業(yè)勞動(dòng)生產(chǎn)率和農(nóng)資利用率，還能夠同時(shí)降低農(nóng)業(yè)能，減少農(nóng)藥化肥等對(duì)環(huán)境的污染，達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益的同步增長、可持續(xù)發(fā)展。我國是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，對(duì)世界農(nóng)作物產(chǎn)量做出了重要貢獻(xiàn)，僅用占地3%的耕地就解決了世界22%人口的溫飽問題。

2.促進(jìn)了土地資源的可持續(xù)發(fā)展。

目前耕地資源不斷減少，只能從技術(shù)方面提高農(nóng)作物單位產(chǎn)量。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)依靠現(xiàn)代化技術(shù)手段，對(duì)農(nóng)作物生長整個(gè)生長過程進(jìn)行監(jiān)控，精細(xì)化的作業(yè)流程針對(duì)性地解決了農(nóng)作物產(chǎn)量問題，避免了多余的施肥、灌溉，有效地降低了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的資源消耗和對(duì)環(huán)境的破壞[1]。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了農(nóng)作物產(chǎn)量、質(zhì)量的提高，解決世界人民的溫飽而問題，而且能夠?qū)崿F(xiàn)低耗能、少污染，穩(wěn)步保持可持續(xù)發(fā)展。

三、圖像處理技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)是一套現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理體系，圖像處理技術(shù)為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)提供了技術(shù)支持。圖像處理技術(shù)通過檢測農(nóng)作物長勢，識(shí)別害蟲，檢測農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)計(jì)農(nóng)業(yè)機(jī)器人高效作業(yè)等方式貫穿整個(gè)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，對(duì)實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物高產(chǎn)低耗具有重大作用[2]。

（一）農(nóng)作物長勢自動(dòng)監(jiān)測

最農(nóng)作物生長過程中，通過互聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)智能測控系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像監(jiān)控，可以精準(zhǔn)監(jiān)測農(nóng)作物的狀況。通過數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)農(nóng)作物圖像智能分析，不僅可以監(jiān)測植物的生長狀況和成熟程度，還能夠判斷出農(nóng)作物是否缺水，是否有營養(yǎng)缺失，以便工作人員根據(jù)農(nóng)作物營養(yǎng)狀況灌溉和施肥。農(nóng)業(yè)智能檢測系統(tǒng)可以借助光譜分析技術(shù)在夜間作業(yè)，其依據(jù)是不同生長狀況的農(nóng)作物吸收電磁波后反射的波長是不同的，因此光譜分析技術(shù)通過制成農(nóng)作物收到電磁輻射后反射的光形成的光譜圖，再通過分析這些波長得到農(nóng)作物的長勢情況，并且做到對(duì)農(nóng)作物無損傷、并且高效。除此之外，各類傳感器可以采集農(nóng)作物生長環(huán)境中的信息，包括氣溫、空氣濕度、風(fēng)速和土壤濕度等動(dòng)態(tài)環(huán)境信息，以便工作人員了解農(nóng)作物的生長環(huán)境，并對(duì)及時(shí)調(diào)整不利于農(nóng)作物生長的因素，為農(nóng)作物生長提供更好地環(huán)境。這種自動(dòng)化的農(nóng)作物長勢檢測系統(tǒng)不受時(shí)間限制，并且可以同時(shí)對(duì)農(nóng)作物多種指標(biāo)進(jìn)行檢測，對(duì)提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量有重要作用。

（二）農(nóng)作物害蟲識(shí)別

害蟲是影響農(nóng)作物產(chǎn)量的一個(gè)重要因素，害蟲會(huì)降低農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。從前國內(nèi)外對(duì)農(nóng)作物害蟲的識(shí)別實(shí)際采用的方法有近紅外、聲測、誘集等，不過由于需要人工操作，這種識(shí)別方法有效率低、易受環(huán)境干擾的缺點(diǎn)。而圖像處理技術(shù)輔助害蟲識(shí)別能夠有效避免這些問題。農(nóng)作物害蟲識(shí)別診斷主要包括害蟲圖像分割、害蟲圖像特征提取和害蟲是別這三個(gè)方面。國外的害蟲識(shí)別研究已經(jīng)取得了很好地效果，圖像識(shí)別系統(tǒng)結(jié)合圖像處理、學(xué)習(xí)和知識(shí)庫技術(shù)，能夠自動(dòng)檢測害蟲數(shù)量，對(duì)常見的昆蟲圖像識(shí)別已經(jīng)達(dá)到了很高地準(zhǔn)確率。很多研究都證明了害蟲識(shí)別系統(tǒng)在一定環(huán)境下識(shí)別害蟲效果顯著，但是在復(fù)雜的自然環(huán)境中，容易受到環(huán)境因素影響，導(dǎo)致害蟲識(shí)別系統(tǒng)的使用效果距離理想狀態(tài)還有一定差距。

（三）農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)檢測

農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量直接關(guān)乎人們的飲食安全，因此農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測有重要意義。計(jì)算機(jī)圖片視覺技術(shù)已經(jīng)能夠超越人的視覺功能，在農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測方面發(fā)揮出了極大作用。圖像處理技術(shù)代替人工進(jìn)行農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測，將人從重復(fù)性的低端勞動(dòng)中解救了出。圖像處理技術(shù)檢測是根據(jù)既定的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)農(nóng)作物質(zhì)量進(jìn)行檢測，還能夠避免由于人的主觀性導(dǎo)致的檢查結(jié)果不同。最重要的是，借助圖像處理技術(shù)，不僅能夠從外觀上按照產(chǎn)品大小、顏色、損壞程度進(jìn)行分類，還可以檢測產(chǎn)品營養(yǎng)狀況，這是人工檢測不能實(shí)現(xiàn)的功能，提升了農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)檢測水平，促進(jìn)了農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)分類細(xì)化。

（四）農(nóng)業(yè)機(jī)器人應(yīng)用

農(nóng)業(yè)機(jī)器人是一種應(yīng)用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的機(jī)器人，結(jié)合多種計(jì)算機(jī)技術(shù)而產(chǎn)生，能夠幫助甚至替代人類進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)。隨著技術(shù)的發(fā)展，多種不同類型的農(nóng)業(yè)機(jī)器人在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。農(nóng)業(yè)機(jī)器人依靠圖像處理技術(shù)能夠進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算、智能識(shí)別、準(zhǔn)確定位、快速判斷和高效工作，可以被大致分類為施肥機(jī)器人、除草機(jī)器人、采摘機(jī)器人和分揀機(jī)器人。施肥機(jī)器人可以分析土壤實(shí)際情況，精準(zhǔn)計(jì)算需要的肥料量，再自動(dòng)施肥，有效解決了肥料浪費(fèi)或者不足的問題。除草機(jī)器人又分為大田除草機(jī)器人和菜田除草機(jī)器人，區(qū)別就是大田除草機(jī)器人識(shí)別出雜草的位置上，在通過自帶的GPS 接收器顯示定位圖，再由操作人員將這些位置信息傳遞給除草機(jī)器，除草機(jī)器來到對(duì)應(yīng)的位置時(shí)會(huì)自動(dòng)開始除草，而菜田除草機(jī)器人則通過攝像機(jī)和識(shí)別機(jī)器自動(dòng)識(shí)別雜草并除草。采摘機(jī)器人依靠一臺(tái)攝像機(jī)、一套視覺分析系統(tǒng)和一個(gè)采摘裝置構(gòu)成，識(shí)別出成熟的農(nóng)作物，然后自動(dòng)采摘。分揀機(jī)器人通過光電圖像識(shí)別裝置和分揀機(jī)械區(qū)分大小不同的果實(shí)并分揀，而且不會(huì)對(duì)果實(shí)造成損傷。

四、結(jié)束語

綜合上所述，圖像處理技術(shù)在人類社會(huì)中應(yīng)用廣泛，在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)體系中與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相結(jié)合，為提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率和環(huán)保節(jié)能發(fā)揮了重大作用。現(xiàn)階段的圖像處理技術(shù)雖然還存在不足，不過隨著科技水平的進(jìn)步，將會(huì)逐漸提高技術(shù)水平，為提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和保護(hù)土地資源提供更強(qiáng)的技術(shù)支持。