基于圖像特征的溫室雜草信息獲取技術(shù)研究

馬偉+王秀+陳立平+張東彥

【摘要】圖像特征是區(qū)分作物和雜草的重要屬性，利用圖像特征對(duì)雜草進(jìn)行識(shí)別和分類，能達(dá)到較高的空間分辨能力，識(shí)別率和準(zhǔn)確率都能得到較好結(jié)果。溫室雜草多采用地膜覆蓋的方式在作物整個(gè)生長(zhǎng)期間進(jìn)行控制，地膜下的雜草生長(zhǎng)雖受到限制，同時(shí)雜草仍能與作物的根部爭(zhēng)奪養(yǎng)分，因此準(zhǔn)確獲得膜下雜草信息對(duì)進(jìn)一步在播種前進(jìn)行抑制，采收后去除雜草等精準(zhǔn)控制雜草環(huán)節(jié)具有重要意義。

背景

溫室周年生產(chǎn)，環(huán)境封閉，因此不合適使用除草劑防除雜草，并且蔬菜等作物也不宜采用化學(xué)制劑進(jìn)行雜草治理。溫室雜草的防控多采用地膜覆蓋的物理方法來(lái)阻止雜草過(guò)度生長(zhǎng)，但整個(gè)生長(zhǎng)季雜草都會(huì)在地膜下生長(zhǎng)，與作物爭(zhēng)奪肥料養(yǎng)分，對(duì)作物的生長(zhǎng)產(chǎn)生不好的影響。因此消除雜草的影響就成為必須面對(duì)的一個(gè)問(wèn)題，首要的問(wèn)題就是獲取雜草的信息。溫室中作物生長(zhǎng)期地膜一直覆蓋，地膜防控雜草的同時(shí)也遮擋了雜草，給直觀獲取雜草表觀信息增加了難度。探究采用圖像的方法，通過(guò)識(shí)別算法準(zhǔn)確地獲得雜草的信息具有重要的意義[1]。

原理

區(qū)別于非保護(hù)地，溫室雜草信息獲取有4個(gè)關(guān)鍵步驟（圖1）：①采集裝置的移動(dòng)作業(yè)要符合溫室柔性枝條茂密的實(shí)際情況，機(jī)械裝置研制要實(shí)現(xiàn)易于轉(zhuǎn)彎和調(diào)頭，并采用人力或電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的方式；②圖像特征的獲取，根據(jù)作物根部綠色莖稈和膜下雜草葉片簇生的特點(diǎn)選擇合適的攝像機(jī)[2]，并配備合適的支架以及光源組成攝像機(jī)系統(tǒng)；③圖像的處理，溫室中所使用地膜的透光度參數(shù)各不相同，但是對(duì)所獲取雜草的圖像有很大的阻隔，在計(jì)算算法及軟件的開發(fā)上要進(jìn)行模糊識(shí)別，難度會(huì)有所增加；④雜草空間分辨結(jié)果的使用，需要對(duì)應(yīng)的溫室農(nóng)藝技術(shù)對(duì)識(shí)別結(jié)果利用，以便實(shí)現(xiàn)雜草的精準(zhǔn)防控。

結(jié)構(gòu)

信息采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括：計(jì)算機(jī)、圖像采集卡、CCD、鹵素?zé)艄庠础⒁苿?dòng)裝置等（圖2）。計(jì)算機(jī)用來(lái)運(yùn)行圖像處理軟件，并通過(guò)圖像采集卡連接CCD獲得高速的圖像信息，采用可調(diào)節(jié)的鹵素?zé)艄庠纯梢杂行У南郎厥遗锬ぜ白魑镎趽跻鸬淖匀还庾兓母蓴_。

計(jì)算算法及軟件

信息的獲取和雜草的識(shí)別主要依據(jù)的圖像特征有：位置、形態(tài)、紋理、顏色特征等[3]。由于溫室的壟間距規(guī)則、地膜為白色、莖稈為綠色，算法（圖3）主要采用Hough變換、直方圖算法等提取作物行和行間地膜；形態(tài)特征識(shí)別利用區(qū)域標(biāo)記算法提取地膜下雜草的無(wú)量綱形狀特征參數(shù)；由于地膜的存在紋使得紋理識(shí)別難度非常大，采用共生矩陣和小波變換，計(jì)算量較大，速度很慢；顏色特征的提取主要采用顏色變換等算法，將行間和行內(nèi)地膜下的雜草識(shí)別出來(lái)。從實(shí)踐的結(jié)果看，單一算法很難實(shí)現(xiàn)及時(shí)準(zhǔn)確的識(shí)別，多種識(shí)別方法及識(shí)別信息的綜合利用，可以使雜草的紋理識(shí)別和顏色特征提取在準(zhǔn)確性和快速性上有很大的提高。

軟件采用C++語(yǔ)言編寫，獲取圖像后首先進(jìn)行壟中心線的定位，然后將圖像進(jìn)行區(qū)域標(biāo)記、共生矩陣等數(shù)學(xué)運(yùn)算進(jìn)行特征提取和修正，最后通過(guò)顏色變換的校正后，將有效的特征圖像進(jìn)行拼接，通過(guò)軟件界面顯示溫室大地塊的雜草信息圖，并將信息圖和多次獲取的圖進(jìn)行比對(duì)，分析雜草的生長(zhǎng)趨勢(shì)和控制效果，有助于了解整個(gè)種植期的草害發(fā)生情況。

結(jié)束語(yǔ)

基于圖像特征識(shí)別溫室膜下雜草的方法是一種溫室精準(zhǔn)雜草防控信息采集的大膽嘗試，美國(guó)有學(xué)者對(duì)此方法的不足提出一些建議，主要包括實(shí)用性、分辨率和識(shí)別率的范圍。從國(guó)際研究的趨勢(shì)看，實(shí)時(shí)的雜草識(shí)別傳感設(shè)備以及傳感器的需求很大，美國(guó)已經(jīng)開始走向?qū)嶋H應(yīng)用。國(guó)內(nèi)目前尚處于研發(fā)階段，沒有成熟的可推廣的產(chǎn)品。由于溫室膜下雜草的特殊性，基于圖像特征的技術(shù)有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

參考文獻(xiàn)

[1] 雄鋒.基于雙目立體視覺的雜草定位 技術(shù)研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2008.

[2] 趙德升.基于機(jī)器視覺的精確噴施智 能除草裝置雜草實(shí)時(shí)識(shí)別技術(shù)[D]. 鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2009.

[3] 夏利兵.基于角點(diǎn)特征的雙目視覺 雜草定位系統(tǒng)研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇 大學(xué)，2009.