機器視覺技術(shù)在植保無人機中的應用

邱帥　周思宇　 馮俊青

摘要： 機器視覺就是用機器代替人眼來做測量和判斷。機器視覺將被攝取目標轉(zhuǎn)換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，得到被攝目標的形態(tài)信息。將機器視覺技術(shù)和無人機技術(shù)相結(jié)合，可以給農(nóng)林業(yè)帶來巨變。利用近紅外設(shè)備監(jiān)測農(nóng)作物的葉綠素水平，可以在肉眼可見的10天之前就監(jiān)測到農(nóng)作物的缺水、缺肥或蟲害問題；安裝在無人機上的實時圖像處理裝置可以快速、準確的識別出森林火災。再將地理信息系統(tǒng)（GIS）和基于互聯(lián)網(wǎng)的地理位置服務(wù)（LBS）應用到無人機系統(tǒng)上，則不僅可以發(fā)現(xiàn)農(nóng)作物的問題和森林火災等，同時還可以發(fā)送回準確的地理位置信息，便于快捷地找到問題發(fā)生的具體位置，具有較高的實用價值。

關(guān)鍵詞：機器視覺；GIS；LBS；植保；無人機

1 緒論

上世紀90年代，投入巨大資源研究的無人機技術(shù)取得了巨大的進步：材料科學飛速發(fā)展，研制出新的材料，運用在無人機上后，無人機的飛行時間和飛行距離都得到極大的增加；通信技術(shù)的提高了，使得無人機的圖像傳輸和操作效率大大增加。

隨著無人機技術(shù)快速發(fā)展，人們也不再將無人機僅僅用在軍事上，在民用及商業(yè)活動中，無人機也開始發(fā)揮巨大的作用，森林火災監(jiān)測就是其中之一。森林火災，會燒光叢林中的樹木，燒死動物，導致森林里的生態(tài)環(huán)境失去平衡，對森林和森林生態(tài)系統(tǒng)造成極大的破壞。森林火災如果沒有及時得到控制，對森林造成的危害是非常非常大的。因此如何能夠及時的發(fā)現(xiàn)森林火災，并組織人員將其控制住，就是關(guān)鍵所在。

將機器視覺與無人機技術(shù)相結(jié)合，植保無人機借助于各種精密的傳感器，盤旋、巡邏于農(nóng)田和林場之上，將給農(nóng)民帶來豐收，給政府部門提供準確、實時的信息，帶來極大的極大的社會和經(jīng)濟效益。

2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

森林火災的發(fā)生是任何國家都不愿意發(fā)生的自然災害，為針對森林火災，各國的研究人員投入大量努力和汗水，森林火災監(jiān)測技術(shù)得到大力的發(fā)展。我國很早就開始森林火災監(jiān)測防火技術(shù)的開發(fā)和研究，對森林防火技術(shù)的高度重視也使研究一直處于領(lǐng)先地位。

對森林火災監(jiān)測開始是通過護林人員的肉眼觀察完成的。他們一方面進行森林火災防火知識宣傳和普及，盡量避免進山的人引起火災；另一方面對瞭望臺觀察不到的死角進行巡護。一旦發(fā)現(xiàn)火情，立即上報并組織撲救。這種監(jiān)測方法受到巡護人員本身的限制，只能檢查一部分地方，且當發(fā)現(xiàn)有疑似著火的地方會因為不能準確的確定著火地點。因為交通的限制，巡護人員只能檢查一部分靠近邊緣的山林，對一些偏僻的地方無能為力。

隨著無人機技術(shù)快速發(fā)展，人們也不再將無人機僅僅用在軍事上，在民用及商業(yè)活動中，無人機也開始發(fā)揮巨大的作用，森林火災監(jiān)測就是其中之一。森林火災，會燒光叢林中的樹木，燒死動物，導致森林里的生態(tài)環(huán)境失去平衡，對森林和森林生態(tài)系統(tǒng)造成極大的破壞。森林火災如果沒有及時得到控制，對森林造成的危害是非常非常大的。因此如何能夠及時的發(fā)現(xiàn)森林火災，并組織人員將其控制住，就是關(guān)鍵所在。

3 無人機圖像處理與識別方法

無人機圖像識別處理系統(tǒng)分為無人機和地面站臺兩個部分，其中無人機作為搭載監(jiān)控設(shè)備的監(jiān)控前端，地面站臺為監(jiān)控終端。相機通過支架固定在無人機的下邊，相機拍攝的圖像經(jīng)過視頻編碼壓縮后，通過2.4G無線通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至地面，進行分析。系統(tǒng)的總體流程如圖1所示。

對于無人機圖像植被識別方法，涉及的關(guān)鍵技術(shù)方法主要有：無人機圖像航拍平臺及流程、無人機圖像質(zhì)量的影像因素、無人機圖像預處理方法、無人機圖像拼接、圖像對象特征提取技術(shù)、圖像匹配技術(shù)、圖像分割、特征訓練等。

1）圖像的灰度處理。

對圖像進行預處理的目的主要是為了對圖像進行加強，同時去掉圖像中一些干擾和視圖像傳輸過程中的產(chǎn)生的噪聲。其主要是為圖像的后期處理做準備，使圖像更能符合預期。圖像預處理不是在圖像中添加信息，進而增強識別系統(tǒng)對某種信息的分辨能力。

在獲得圖像后先對圖像處理的就是圖像灰度化，因為圖像去噪函數(shù)均值濾波和中值濾波只能在單通道情況使用。所以要將彩色圖像先轉(zhuǎn)換成灰度圖像。圖像灰度處理如圖2所示：

2）圖像直方圖均衡化。

多數(shù)情況下圖像的灰度大都分布在相對狹窄的區(qū)間，這就使圖像不夠清晰。圖像通過直方圖修正后，將圖像中原本較小的灰度間距擴大，層而達到增強圖像的目的。

a.計算待處理圖像的直方圖，求出Pr（rk）=nk/N；

b.然后對計算出來的直方圖進行變換：Sk=T（rk）=∑kPr（ri）；

c.即可得到變換后的直方圖。如圖3所示。

4 機器視覺與GIS

GIS是對空間信息的處理，所以從GIS地圖上可以獲取地理空間信息的直觀的印象，更可以通過GIS獲取大量的其它信息，如地物與周邊地物的關(guān)系（主要是拓撲關(guān)系，相鄰，包含，相離），地物的某一屬性的影響范圍，如公路對周邊多大范圍有噪音污染（緩沖區(qū)分析）等。GIS讓你可以所見即所得，獲取地圖上的大量信息。而且，由于GIS將屬性信息和空間信息相結(jié)合，更加直觀的理解這些信息。將GIS技術(shù)與機器視覺相結(jié)合，可以快速地定位出現(xiàn)農(nóng)業(yè)病蟲害和森林火災的位置，并及時的將位置坐標發(fā)送回控制端，以便及時的處理植保無人機在巡邏過程中發(fā)現(xiàn)的問題。

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