微小遷飛害蟲誘集智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研制技術(shù)探討

何金成 傅輝耀

1研究背景、目的與意義

長(zhǎng)期以來飛蝗、黏蟲、煙粉虱、草地螟、稻飛虱、稻縱卷葉螟、甜菜夜蛾、棉鈴蟲和小地老虎等一直都是我國(guó)農(nóng)作物主要遷飛害蟲，給我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和糧食安全帶來嚴(yán)重威脅，長(zhǎng)期被我國(guó)列為重大害蟲監(jiān)測(cè)和防治對(duì)象。以煙粉虱為例，煙粉虱屬半翅目，粉虱科，是一種個(gè)體小但危害大的多食性害蟲。其主要利用刺吸式口器刺破植物葉片吮吸汁液，可導(dǎo)致植物葉片枯黃萎蔫，直接影響經(jīng)濟(jì)作物的品質(zhì)，且其口器中分泌的蜜露也是多種植物病原體的傳播載體，可在侵染植物間傳播煤污病毒、雙生病毒等，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。并且煙粉虱具有寄主范圍廣（達(dá)600 種）、傳播途徑多、迭代速度快、抗藥性強(qiáng)等特點(diǎn)，綜合防治難度很大。

近年來，我國(guó)對(duì)于煙粉虱的研究與防治投入進(jìn)一步擴(kuò)大，對(duì)煙粉虱的生活習(xí)性、種群分化、生物學(xué)特性、化學(xué)藥劑抗藥性等方面都取得了較為豐碩的研究成果，但是對(duì)于煙粉虱蟲口密度監(jiān)測(cè)方面的研究卻比較滯后。準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)田間煙粉虱蟲口密度變化是煙粉虱蟲害防治的前提條件，目前的采樣方式還是以較為原始的人工采樣計(jì)數(shù)為主，由于煙粉虱個(gè)體微小，在田間爆發(fā)時(shí)數(shù)量又極其巨大，加之煙粉虱有遷飛能力，使得人工采樣調(diào)查的效率低、調(diào)查誤差大，調(diào)查數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性不高。隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，自動(dòng)化、智能化的農(nóng)業(yè)裝備的日益增多，在煙粉虱監(jiān)測(cè)領(lǐng)域也急需要應(yīng)用更多的新技術(shù)，新思維，使煙粉虱的誘集監(jiān)測(cè)更加科學(xué)化、自動(dòng)化和智能化。

在傳統(tǒng)的煙粉虱監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)工作中，常常是利用誘蟲板誘集害蟲，再通過人工途徑進(jìn)行計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)，既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力而且準(zhǔn)確性不高。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展，基于圖像識(shí)別的害蟲誘集監(jiān)測(cè)裝置越來越多，但是田間自然環(huán)境復(fù)雜、光源環(huán)境不穩(wěn)定、雜質(zhì)雜蟲的干擾等因素都或多或少的影響著監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性。

本研究針對(duì)現(xiàn)有問題，應(yīng)用計(jì)算機(jī)視覺、圖像處理和自動(dòng)控制技術(shù)將微小害蟲圖像自動(dòng)采集裝置和微小害蟲圖像識(shí)別、計(jì)數(shù)系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)田間黃色誘蟲板上微小害蟲圖像在均勻時(shí)間間隔下的自動(dòng)誘集、識(shí)別與計(jì)數(shù)，從而監(jiān)測(cè)微小害蟲在一段時(shí)間內(nèi)蟲口密度的變化情況和變遷規(guī)律，達(dá)到田間微小害蟲監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)的目的。本研究可以減少調(diào)查的人力投入，提高微小害蟲蟲口密度抽樣調(diào)查的效率和準(zhǔn)確率，而且調(diào)查數(shù)據(jù)采樣周期短，可以從不同角度分析微小害蟲田間種群變化規(guī)律，相對(duì)人工抽樣調(diào)查更加準(zhǔn)確、可靠，有較好的科研價(jià)值和應(yīng)用前景。

2 技術(shù)研究?jī)?nèi)容與技術(shù)路線的探討

2.1 技術(shù)研究?jī)?nèi)容

本研究專注煙粉虱、稻飛虱等微小害蟲，研究其誘集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。煙粉虱是一種世界性的蔬菜害蟲，自從進(jìn)入我國(guó)以來，在我國(guó)的很多地方都出現(xiàn)過爆發(fā)性的危害，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。煙粉虱蟲口的密度監(jiān)測(cè)一直是煙粉虱自動(dòng)監(jiān)測(cè)的瓶頸。傳統(tǒng)的煙粉虱監(jiān)測(cè)方式主要依賴于人工采樣和調(diào)查，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力并且準(zhǔn)確性和可靠性不高。隨著計(jì)算機(jī)視覺與圖像識(shí)別技術(shù)在農(nóng)業(yè)病蟲害領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，越來越多的害蟲監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。但對(duì)于煙粉虱這類微小害蟲來說，普通的害蟲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)很難奏效。本研究提出研制一種基于計(jì)算機(jī)視覺的煙粉虱等微小害蟲誘集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，針對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件微小害蟲圖像自動(dòng)采集裝置、微小害蟲圖像的識(shí)別與分割算法等進(jìn)行深入研究。具體研究?jī)?nèi)容如下：

2.1.1微小害蟲誘集監(jiān)測(cè)裝置的研究探討

設(shè)計(jì)一種自動(dòng)化程度較高、抗干擾能力較強(qiáng)，適合推廣的野外微小害蟲誘集及圖像自動(dòng)采集裝置，可以更好的解放勞動(dòng)力，提高微小害蟲圖像采集的穩(wěn)定性和圖片質(zhì)量。本裝置主要涉及了微小害蟲誘集設(shè)備的優(yōu)選、微小害蟲圖像采集設(shè)備的優(yōu)選、裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)四部分內(nèi)容。

微小害蟲誘集監(jiān)測(cè)裝置一般被安裝在田邊或者壟間，空間相對(duì)較小，需要長(zhǎng)時(shí)間暴露在野外，所以在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)該盡可能的減小裝置體積，降低裝置能耗，保證裝置的穩(wěn)定性。最終實(shí)現(xiàn)體積小，容易安裝，工作時(shí)間長(zhǎng)，便于維修的目的。

圖像獲取設(shè)備是整個(gè)微小害蟲誘集監(jiān)測(cè)裝置的核心部件，其一方面是決定最后采集到的煙粉虱圖像質(zhì)量的重要因素，其另一方面關(guān)系著整體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)匹配的問題。所以選擇合適的圖像采集工具尤為重要。在科學(xué)研究中，數(shù)字圖像的獲取工具常見的有數(shù)碼相機(jī)、掃描儀、圖像采集卡等，同時(shí)，由于煙粉虱蟲體過小，成蟲體長(zhǎng)都不足1mm，所以也會(huì)選擇顯微鏡來擴(kuò)大分辨率，獲得煙粉虱更多的細(xì)節(jié)信息。

在針對(duì)微小目標(biāo)的圖像獲取方面，顯微鏡與圖像采集卡結(jié)合使用也是常用的圖像采集方式。選擇合適的圖像采集卡與CCD攝像頭，將CCD攝像頭通過轉(zhuǎn)換接口與顯微鏡相連，再將圖像采集卡與計(jì)算機(jī)相連，就可以將顯微鏡中的圖像直接獲取保存在計(jì)算機(jī)中。通過這樣的多器件的配合可以更好的觀測(cè)微小目標(biāo)。微小害蟲圖像自動(dòng)采集箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

2.1.2微小害蟲圖像分割與識(shí)別方法的研究探討

這部分內(nèi)容是監(jiān)測(cè)研究的核心內(nèi)容，只有識(shí)別出害蟲并計(jì)數(shù)才能完成監(jiān)測(cè)。研究?jī)?nèi)容主要包括：

①目標(biāo)分割：通過對(duì)目標(biāo)害蟲特征進(jìn)行深入研究，選擇合適的閾值點(diǎn)，獲得最佳的微小害蟲與背景分割效果。

②微小害蟲粘連目標(biāo)分割算法研究：采集的煙粉虱圖像中存在大量粘連目標(biāo)的情況，嚴(yán)重影像后期煙粉虱計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確性，針對(duì)這一問題，利用改進(jìn)后的分水嶺算法、K均值聚類分割算法和基于邊界曲率的鏈碼分割法對(duì)粘連目標(biāo)進(jìn)行分割嘗試，通過分割效果比較，篩選出適合煙粉虱圖像的最優(yōu)分割算法。

③圖像中大面積遮擋物對(duì)于煙粉虱計(jì)數(shù)結(jié)果的影響研究：針對(duì)如樹葉、樹枝以及大型昆蟲對(duì)于微小害蟲圖像的遮擋問題，研究相應(yīng)算法，進(jìn)一步提升微小害蟲監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。

2.2 技術(shù)路線

本研究從微小害蟲誘集自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)和微小害蟲圖像處理與分割算法研究?jī)蓚€(gè)方面入手對(duì)微小害蟲誘集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了全面的設(shè)計(jì)。

（作者單位：1. 350002 福建農(nóng)林大學(xué);2.362300 南安市永順民農(nóng)機(jī)專業(yè)合作社）