計算機視覺技術在果園除草機上的應用研究

張雨滋

(山東理工大學 農業工程與食品科學學院，山東 淄博 255000)

0 引言

果樹是重要的經濟作物，其果實具有很高的營養及保健價值。果園雜草是影響果樹正常生長的非栽培草本植物或灌木，它們與果樹競爭營養和水分，還是一些病蟲害滋生和棲息的場所，并為其提供傳播條件，能夠加重病蟲危害的程度。例如，1個刺兒菜的植株在生長過程中會從土壤中吸收9.8kg氮、8kg鉀和2.6kg磷。1株野燕麥的根系總長可以達到2m，其形成1kg干物質所消耗的水為400～500kg。由此可見，果園雜草對營養和水分的消耗是驚人的[1]。大多數的統計顯示，雜草可以導致果園減產10%～20%，同時降低果園產品的質量。研究表明，果園的早衰退化有90%是由雜草引起[2]。

果園的種植環境和方式與農田不同，地表裸露面積所占的比例較大，因多為旱地，所以生態環境和生物群落相對穩定。園中的果樹植株高大，株行距也很寬闊。在這樣的條件下，果園雜草的數量和種類多，生長旺盛，生物量極大，是果園生態的重要組成部分。果園雜草以禾本科、莎草科和菊科為主，以禾本科雜草的數量最多，莎草科的生長最快，菊科的覆蓋面積最廣。另外，隨著時間推移和果園條件的改變，雜草的優勢種群還會不斷演替[3]。因此，雜草的防治是果園管理中的重點和難點。果園雜草的防治以晚春型和夏型為主，其中的6-8月間雜草生長旺盛，生物量最大，且種子即將成熟，是防治的關鍵時期。

果園除草的方法主要有人工除草、機械除草和化學除草[4]。不同果園除草方式的效率和成本存在差異，且對果園土壤肥力的影響也不同，因此要根據果園的土壤條件、果樹年齡和雜草危害程度選擇合適的除草方法[5]。人工除草是借助傳統的簡單工具，通過人力鏟除雜草。該方法操作簡單，對技術含量的要求低，雜草去除徹底。但是，隨著社會的發展和農業技術的進步，這一方法人工成本高和作業效率低的問題日益凸顯，已經不能作為未來的除草方式。

機械除草是在農業機械化進程中發展起來的除草方式，可以細分為機械中耕和機械割草[6-9]。中耕除草是利用機械翻耕淺層土壤，從而破壞雜草根系并壓埋雜草，以達到除草的目的。該方法操作簡單，是農田和果園常用的除草方式；但會傷及果樹的根系，破壞表層土壤，造成水土流失。機械割草是用機械上高速旋轉的鐮刀等部件將雜草的地上部分割除，其操作簡單，效率也較高；但雜草的去除程度不徹底。果園的地勢一般都有起伏，地形條件比農田復雜，限制了上述兩種機械除草方法的使用范圍。同時，山地果園中還存在礫石等堅硬物體，可能會對除草機械的作業部件造成損壞。

化學除草是噴灑化學除草劑以殺滅雜草，其效率高，成本較低，有利于保持果園的土壤環境和微生物群落。目前，最常用的兩種除草劑是草甘膦和百草枯，都是廣譜性的除草劑。但是，該方法也面臨著一些問題和挑戰，如長期大量地使用化學除草劑會改變果園的雜草群落和生物多樣性，甚至誘發產生超級雜草。另外，廣譜性的除草劑對果園樹木有毒性，粗放大面積的噴灑還會帶來藥液的浪費，以及殘留引起的環境和食品安全問題[10]。變量噴藥就是針對上述問題發展起來的概念，并進行了大量相關的研究[11]。變量噴藥的本質是根據雜草的位置和密度，相應地調節除草劑的噴灑時機和劑量。這是一種基于精準農業的技術，能夠提高除草效果，同時減少除草劑用量。變量噴藥的前提是識別雜草的位置、分布和密度信息，目前常用的方法有人工識別、遙感識別和計算機視覺識別[12]。

果園的機械除草和化學除草方法都取得了長足的進步，但是之前關于二者結合應用的報導還較少，主要是受到機械自主導航和雜草快速準確識別問題的限制。本文利用計算機視覺技術實時識別果園雜草，控制除草機上的噴藥裝置實現變量噴藥，并在不同果園中進行除草試驗，旨在為果園智能化除草提供技術支撐。

1 設計原理及結構

1.1 總體設計

計算機視覺以計算機為核心，通過視覺傳感器采集目標圖像后進行信號轉換，然后用分析軟件處理各種特征量，對處理結果做出定性分析和定量解釋，最終提取所需的目標特征信息，并做出相應的決策。本文中視覺傳感器攝取的果園圖像為模擬信號，經過轉換成為數碼信號后由計算機上的專業圖像處理軟件進行分析。每1幀圖像覆蓋的區域面積根據實際情況進行設定，劃分為5行×6列的方格。計算機根據設定的雜草特征閾值輸出各方格內的雜草密度處方圖，通過處理器控制噴頭在行進過程中的開閉時機和程度以實現變量噴藥。

1.2 設計原理

除草機以經過改裝的瑪特斯1YWG-13型機械為平臺，裝載的變量噴藥除草系統包括計算機視覺模塊和噴藥控制執行模塊。該機械為履帶式，尺寸為1.3m×0.9m×0.7m，動力11kW，行進速度1.5～5.6km/h。行走方式為自走式，通過操縱遙控導航，遙控距離150m，特別適合用于果園的噴藥等各種農藝作業。計算機視覺模塊由數碼相機、A/D轉換器、核心計算機及圖像分析軟件組成，噴藥控制執行模塊由ARM處理器、速度感應器、藥液箱、溢流閥、調壓閥、電磁閥和噴頭組成，由除草機的蓄電池提供電源。

變量噴藥除草系統的組成如圖1所示。

圖1 變量噴藥除草系統的組成Fig.1 The structure chart of variable weed spraying system

2 系統組成

2.1 圖像采集處理模塊

計算機視覺模塊中的拍攝設備為佳能750D型相機，安裝在機械的前部頂端，離地高度1.5m，俯視角30°。相機具有光學防抖動性能，可以拍攝最大面積為5m×5m的果園地面圖像，形成2 420萬像素的JEPG格式圖像。拍攝指令由計算機發出，頻率由機械的行進速度決定。A/D轉換器為2400型，將JEPG格式圖像轉化為BMP格式后導入計算機。計算機為戴爾3900-R5938C型臺式電腦，配置Intel i5中央處理器和4G內存，安裝的圖像處理軟件為MatLab工具箱，運行速度快，可以對圖像進行快速處理。本文將對蘋果園和葡萄園代表性圖像的分析處理過程進行介紹。果園原始圖像如圖2所示。

果園中的苗木一般成行種植，行間距較大，是滋生雜草的主要區域。雜草一般占據底層的生態空間，其顏色與土壤和苗木樹干的區別明顯，因此可以直接利用果樹行間的顏色特征來反映雜草的分布和密度。雜草大多為綠色， 本研究選用了超綠(2G-R-B)模型的顏色空間來對圖像進行灰度化和網格化處理。灰度化和網格化處理后的圖片如圖3所示。

(a) 蘋果園 (b) 葡萄園 圖2 果園原始圖像Fig.2 Original image of orchard

(a) 蘋果園 (b) 葡萄園 圖3 果園圖像的灰度化和網格化Fig.3 Graying and grid of orchard image

不同果園的光照強度各異，因此將超綠模型變換為HIS模型，對灰度圖中的R、G、B分量分別用最大類間方差法進行動態閾值分割從而消除土壤等背景，獲得雜草的二值圖像；然后，通過面積濾波法消除圖像中的離散小區域，得到果園雜草特征的二值化圖像。特征提取圖片如圖4所示。

(a) 蘋果園 (b) 葡萄園 圖4 果園雜草的特征提取Fig.4 Feature extraction of orchard weed

將每張圖像劃分為5行×6列的處方圖，利用各雜草綠色區域的外緣坐標計算其質新坐標，再通過函數得到各區域內的雜草圖像面積。根據所得的雜草面積，將各區域的藥液噴灑劑量設定為5個等級，雜草面積的占比為0～10%、11%～30%、31%～50%、51%～70%和71%～100%的區域分別對應0、1、2、3、4級劑量，最后生成的處方圖，如圖5所示。計算機視覺模塊獲取和處理單張圖片的平均耗時為80ms，能滿足機械快速作業的要求。

2.2 變量噴藥控制執行模塊

噴藥控制執行模塊的速度感應器為YS188型霍爾元件，安裝在機械的地輪上檢測運行速度，并傳給處理器。噴頭安裝在機械的前端，離地高度0.4m，共6個，間距和噴灑范圍可根據果樹的行距調整。每個噴頭對應處方圖中的1列方格，1次噴灑最大可覆蓋以方格中心為圓心，半徑0.4m的圓形面積。每個噴頭由單個電磁閥單獨控制，ARM處理器采用脈沖寬度調制法，結合機械運行速度，控制噴頭的開閉時機和程度。通過0、25%、50%、75%、100%這5種占空比，來實現5個等級藥液劑量的噴灑。

3 田間試驗與結果

3.1 試驗設計

在蘋果園和葡萄園中驗證除草機的噴灑效果，選擇4個雜草生長密度相似的行間進行除草試驗，使用廣譜抗生型的除草劑草甘膦。兩種果園的行距為3m，長度為50m。除草劑行進速度分別設置為0.2、0.3、0.4、0.5m/s，通過藥液的噴灑量和精確率來評價變量噴藥的準確性。方格內的雜草葉表面75%以上被噴藥液定義為精確噴灑，其占所有方格的比例為噴灑的精確率。

(a) 蘋果園 (b) 葡萄園 圖5 果園雜草信息的處方圖Fig.5 Prescription map of weed in orchard

3.2 試驗結果和分析

蘋果園的雜草較為繁茂，密度大，因此藥液的噴灑量比葡萄園多，精確率較低。隨著除草機運行速度的增加，噴灑量和精確率均下降，這說明藥液的浪費和殘留減少，但除草效果受到影響。綜合考慮藥液的使用效率和除草效率，則蘋果園和葡萄園對應的最佳除草機運行速度分別為0.3m/s和0.4m/s。具體試驗結果如表1所示。

表1 除草系統的噴灑效果Table 1 Spray effect of the weeding system

4 結論

利用計算機視覺獲取果園雜草的分布和密度信息，通過處理器控制執行裝置進行變量噴藥，實現了果園機械除草和化學除草方式的結合。計算機視覺模塊對蘋果園和葡萄園單張圖像的處理時間為80ms，除草機最佳的作業速度為0.3m/s和0.4m/s，具有較高的除草效果和效率，在果園生產中有應用潛力。本文僅將除草機在蘋果園和葡萄園中進行了試驗，而在其它種類果園中對不同自然環境和雜草種類的適應性還須進一步驗證。

果園雜草種類復雜，生命力強，依靠單一的機械或化學除草方法難以達到理想的防治效果。因此，應該根據各種果園及其雜草的具體情況，選擇合適的除草方式，并適當地結合人工除草、生物天敵和以草控草等措施，實現對果園雜草的綜合治理。

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