戴著口罩認(rèn)出人殘膜卷曲識得污
——用AI清除“白色污染”

文/翟志強(qiáng)

棉田殘膜采樣

從“打醬油”到“獨(dú)當(dāng)一面”

本科時(shí)，我加入了石河子大學(xué)智能農(nóng)業(yè)傳感與裝備實(shí)驗(yàn)室。從本科階段的“打醬油”到研究生階段的“獨(dú)當(dāng)一面”，我深刻認(rèn)識到本科生進(jìn)行科研鍛煉的重要性，在導(dǎo)師的指導(dǎo)下我組建了“西北智能農(nóng)裝創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”。團(tuán)隊(duì)以“為學(xué)生搭建創(chuàng)新平臺，讓學(xué)生在科研中成長，為西北邊疆農(nóng)業(yè)機(jī)械助力”為宗旨，由研究生引導(dǎo)本科生加入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行學(xué)習(xí)、鍛煉。

團(tuán)隊(duì)成立至今，已有研究生30人，本科生60余人，緊密圍繞新疆農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際開展創(chuàng)新研究，先后研發(fā)了“干癟核桃多通道檢測與分選裝置”“籽棉殘膜分離裝置”“采棉機(jī)配套殘膜防護(hù)裝置”“基于近紅外光譜的哈密瓜內(nèi)部品質(zhì)檢測裝置”“棉田蟲情遠(yuǎn)程測報(bào)裝置”“農(nóng)田土壤污染快速采樣裝置”等。

在某次農(nóng)業(yè)調(diào)研過程中，我了解到核桃是南疆的主要經(jīng)濟(jì)作物，但在收獲中有干癟劣質(zhì)核桃混入優(yōu)質(zhì)核桃中，影響了核桃的價(jià)格，這造成了農(nóng)民豐產(chǎn)不豐收的現(xiàn)象。在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，我經(jīng)過一學(xué)年的努力，設(shè)計(jì)出了“干癟核桃多通道檢測與分選裝置”，實(shí)現(xiàn)了干癟核桃的無損檢測和分選。

正常情況下，核桃尺寸越大，重量越重，但是當(dāng)出現(xiàn)干癟時(shí)，核桃重量會變輕。本裝置通過融合核桃圖像和重量信息來判別干癟核桃，其工作原理是：首先，通過機(jī)器視覺預(yù)測核桃重量，接著在線稱量核桃實(shí)際重量，然后通過比較預(yù)測重量和實(shí)際重量，判別是否為干癟核桃。一旦判別為干癟，會觸發(fā)氣流分級噴嘴，將干癟核桃剔除。

分級后的核桃每公斤可提價(jià)約5元，如果新疆20%的核桃采用本設(shè)備進(jìn)行分級加工，可帶給南疆農(nóng)民約89.6萬元的增收。2017年，我憑借這一發(fā)明獲得了“東方紅”杯智能農(nóng)業(yè)裝備創(chuàng)新大賽全國一等獎(jiǎng)。

從“白色革命”到“白色污染”

2019年，我選擇繼續(xù)申請碩博連讀，最終以綜合考核第一的成績獲得碩博連讀資格。

同年，導(dǎo)師承擔(dān)了農(nóng)業(yè)農(nóng)村部的全國農(nóng)業(yè)面源污染監(jiān)測評價(jià)及相關(guān)技術(shù)服務(wù)（新疆地膜監(jiān)測）任務(wù)，導(dǎo)師指導(dǎo)我組織開展相關(guān)工作。

農(nóng)用地膜良好的增溫、保墑、抑制雜草功能，極好地破解了我國干旱地區(qū)和冷涼地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力脆弱——“產(chǎn)量極低”的問題。其應(yīng)用規(guī)模和效益遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了預(yù)判，增產(chǎn)高達(dá)30%以上，是提高農(nóng)田作物水分利用率、緩解水資源短缺、防止病蟲害和促進(jìn)植物生長的重要手段，被譽(yù)為農(nóng)業(yè)上的“白色革命”。

但農(nóng)用地膜以聚乙烯材料為主，降解期較長，過度使用農(nóng)用地膜且不及時(shí)回收的話，容易造成土壤中殘膜逐年積累，引發(fā)土壤水分運(yùn)移受阻、作物產(chǎn)量下降、環(huán)境污染等問題，這就是殘膜的“白色污染”。

為了更好地掌握新疆農(nóng)田的殘膜污染程度，為農(nóng)田殘膜污染綜合防治提供數(shù)據(jù)支撐，我們綜合考慮了新疆地區(qū)的綠洲分布情況、棉花等作物種植覆蓋情況等因素，在整個(gè)新疆綠洲區(qū)共布設(shè)了60個(gè)農(nóng)田地膜殘留污染監(jiān)測點(diǎn)位，開展殘膜污染監(jiān)測工作。

在農(nóng)田殘膜污染監(jiān)測采樣過程中，我們發(fā)現(xiàn)通過人工采樣評估殘膜污染，勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低，平均1個(gè)樣方點(diǎn)（長寬深為1m×1m×0.3m的耕層土壤）殘膜取樣，兩三個(gè)人同時(shí)作業(yè)約需一個(gè)半小時(shí)，難以適用于新疆大面積農(nóng)田的播前殘膜污染程度監(jiān)管。

于是，我們對無人機(jī)低空成像評估地表殘膜污染的可行性進(jìn)行了初步探索，但在研究中發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田地表殘膜的自然卷曲，土塊和秸稈等對殘膜的遮擋等因素變化，均會對殘膜污染低空成像評估的準(zhǔn)確性造成較大影響。

1.棉田蟲情遠(yuǎn)程測報(bào)裝置

2.農(nóng)田土壤污染監(jiān)測工具箱

3.農(nóng)田殘膜污染航拍圖及深度學(xué)習(xí)識別結(jié)果

4.帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)成員開展殘膜污染監(jiān)測工作

從“人臉識別”到“殘膜識別”

如何突破殘膜的遮擋和卷曲問題，是實(shí)現(xiàn)播前棉田地表殘膜污染程度評估的關(guān)鍵所在，這一問題困擾了我整整一個(gè)冬季，直至2020年冰雪消逝，春播農(nóng)忙。

2020年，新冠肺炎疫情全球蔓延，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)科學(xué)研究也帶來了嚴(yán)重影響。同時(shí)，由于新疆氣候情況特殊，4月中旬冬雪才能完全化盡，到5月初棉花春播完成，中間僅有半個(gè)月左右的時(shí)間，開展播前棉田殘膜監(jiān)測試驗(yàn)。

時(shí)間緊，任務(wù)重。我們克服各種困難，帶著試驗(yàn)設(shè)備在農(nóng)田里開始?xì)埬の廴緢D像采集試驗(yàn)，從早到晚，一刻都不敢耽誤。

某天，在路過疫情檢查站進(jìn)行人臉掃描時(shí)，我發(fā)現(xiàn)即便沒有摘掉口罩，機(jī)器也可以識別出人員身份?！翱谡謱θ四樀恼趽鹾徒斩拰埬さ恼趽酰欠袷峭活悊栴}？”“不同人的識別和不同卷曲程度的殘膜識別，是否又是同一類問題？”“人臉是規(guī)則對稱的，但殘膜形狀各異，識別難度是否更大？”……一系列問題在我腦海中不斷閃現(xiàn)。

回去后，我趕緊查閱文獻(xiàn)和相關(guān)資料，最終確定了通過深度學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)遮擋殘膜的圖像修復(fù)和不同卷曲殘膜識別的研究思路。這就好比口罩遮擋下的人臉修復(fù)，先通過機(jī)器識別出遮擋人臉的口罩，然后剔除口罩，通過已有的人臉特征對缺失的部分人臉進(jìn)行修復(fù)，遮擋殘膜的修復(fù)就是此種思路。同樣，提取不同圖像特征進(jìn)行人臉識別，與不同卷曲程度的殘膜識別，也有異曲同工之妙。按照此研究思路，我們撰寫了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“播前棉田地表殘膜污染無人機(jī)低空成像評估機(jī)理研究”，評審專家對我們的項(xiàng)目高度認(rèn)可，項(xiàng)目順利獲批。

在自然科學(xué)基金項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，我將博士研究課題定為“基于無人機(jī)低空成像的播前棉田地表殘膜識別及污染評估”。開題過程中，我有幸得到了陳學(xué)庚院士等專家的指導(dǎo)，專家們提出了不同航拍參數(shù)、天氣條件、覆膜年限等對評估結(jié)果的影響問題，并建議通過“先易后難最后修正”的策略深入開展研究，這讓我的思路更加明確。

目前，我們通過人工標(biāo)記訓(xùn)練深度學(xué)習(xí)模型，讓計(jì)算機(jī)能夠像人眼一樣自動(dòng)識別出農(nóng)田地表殘膜，并初步開發(fā)了基于無人機(jī)低空成像的農(nóng)田殘膜污染快速評估系統(tǒng)。通過無人機(jī)低空成像、深度學(xué)習(xí)、5G技術(shù)等，能夠快速、準(zhǔn)確、自動(dòng)檢測農(nóng)田地表殘膜污染程度，每塊監(jiān)管農(nóng)田（約50畝）的檢測可控制在5分鐘內(nèi)完成，檢測準(zhǔn)確率可達(dá)到95%以上，為新疆地區(qū)農(nóng)田殘膜污染監(jiān)管和防治，提供了一定的科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

5.采棉機(jī)配套殘膜防護(hù)裝置風(fēng)速測試

6.“干癟核桃多通道檢測與分選裝置”獲全國大學(xué)生智能農(nóng)業(yè)裝備創(chuàng)新大賽一等獎(jiǎng)

7.基于近紅外光譜的哈密瓜內(nèi)部品質(zhì)檢測裝置

2021年12月，新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第八師石河子市農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)推廣站一行人員來訪，就殘膜污染監(jiān)測相關(guān)工作表示了高度認(rèn)可。目前，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)已經(jīng)與該技術(shù)推廣站及德鑫農(nóng)機(jī)服務(wù)專業(yè)合作社建立合作伙伴關(guān)系，共同申報(bào)科技攻關(guān)項(xiàng)目“棉田殘膜污染監(jiān)測及回收質(zhì)量評估關(guān)鍵技術(shù)裝備研發(fā)”，計(jì)劃通過產(chǎn)學(xué)研合作關(guān)系，盡快讓項(xiàng)目研究成果落地應(yīng)用。

“守祖國西北邊疆，書智能農(nóng)裝新篇”是團(tuán)隊(duì)的口號，也是我想要為之奮斗一生的目標(biāo)。自2013年起至今，我在美麗的新疆學(xué)習(xí)、生活已8年有余，忙忙碌碌，卻也總是踏踏實(shí)實(shí)……