基于無(wú)人機(jī)技術(shù)的水稻精準(zhǔn)噴藥系統(tǒng)研究

許真珠，黃 鶯

(柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545616)

0 引言

水稻是我國(guó)最主要的糧食作物，也是1/2人口的主食。水稻種植面積超過(guò)作物總面積的30%，其高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)為國(guó)家的糧食安全提供了保障[1]。水稻生產(chǎn)受到很多生物和非生物逆境的影響，在部分年份會(huì)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。病蟲(chóng)害是水稻的主要生物逆境，我國(guó)水稻的病害和蟲(chóng)害分別多達(dá)61種和78種，對(duì)水稻生產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅[2]。病蟲(chóng)害每年給我國(guó)帶來(lái)約15%～40%的糧食減產(chǎn)，成為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的限制因素[3-4]。

水稻的病蟲(chóng)害大多通過(guò)噴灑農(nóng)藥來(lái)進(jìn)行防治，效果明顯，成本較低。目前，我國(guó)的農(nóng)藥噴灑方式有人工噴灑、地面機(jī)械噴灑和航空噴灑3種。人工噴灑為傳統(tǒng)方式，勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率不高，且對(duì)操作人員的健康有害；地面機(jī)械噴灑的效率較高，但成本也高，藥劑的利用率偏低，同時(shí)機(jī)械會(huì)對(duì)水稻和田間土壤結(jié)構(gòu)造成損傷[5-6]；航空噴灑的作業(yè)效率高，對(duì)操作人員、農(nóng)作物和田塊土壤都沒(méi)有附帶的損害。隨著近年來(lái)我國(guó)年無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，航空噴灑的成本優(yōu)勢(shì)也開(kāi)始體現(xiàn)，正在成為水稻病蟲(chóng)害防治的最佳方法[7]。

無(wú)人機(jī)在1914年首次出現(xiàn)，至今已成為一個(gè)包括飛行器、控制站、通訊設(shè)備和其它部件的系統(tǒng)，并且發(fā)展出了多種類型和功能[8]。因獨(dú)特的空中懸停、垂直升降和大幅度轉(zhuǎn)彎特性，無(wú)人機(jī)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的農(nóng)藥噴灑、信息監(jiān)測(cè)和農(nóng)業(yè)保險(xiǎn)勘察等方面，是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和智能化的重要組成部分。

植保無(wú)人機(jī)是農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)中最重要的類型，也是目前研究的熱點(diǎn)。在世界范圍內(nèi)，美國(guó)和日本的植保無(wú)人機(jī)技術(shù)成熟，型號(hào)眾多，處于領(lǐng)先的水平。我國(guó)在20世紀(jì)60年代開(kāi)始無(wú)人機(jī)的研制工作，在取得一定的技術(shù)成果基礎(chǔ)上才開(kāi)始應(yīng)用于農(nóng)業(yè)。近年來(lái)，植保無(wú)人機(jī)的研發(fā)步入新的階段，形成了上百家生產(chǎn)企業(yè)，機(jī)型數(shù)量、應(yīng)用范圍和推廣速度都呈現(xiàn)良好的局面[9-10]。在植保無(wú)人機(jī)蓬勃發(fā)展的同時(shí)，人們還對(duì)其噴藥相關(guān)技術(shù)和配套設(shè)備進(jìn)行了研究。例如，茹煜等設(shè)計(jì)了無(wú)人機(jī)靜電噴霧的整體系統(tǒng)，主要針對(duì)靜電噴頭結(jié)構(gòu)和高壓靜電供給。試驗(yàn)結(jié)果表明：與非靜電噴霧相比，靜電噴霧能夠改善霧滴的沉積效果[11]。

我國(guó)水稻的種植面積大，田塊比較平整，特別適合無(wú)人機(jī)進(jìn)行噴藥作業(yè)。吳水祥等針對(duì)水稻的3種病蟲(chóng)害開(kāi)展噴霧試驗(yàn)，結(jié)果表明：無(wú)人機(jī)噴霧的防治效果明顯高于常規(guī)噴霧器[12]。陳盛德等比較了無(wú)人機(jī)噴藥和人工噴藥在水稻上的效果，發(fā)現(xiàn)無(wú)人機(jī)噴藥的均勻性、穿透性和沉積效果都好于人工噴藥，且作業(yè)效率是后者的10倍，實(shí)現(xiàn)了低成本、高效益[13]。

水稻種植過(guò)程中，人為和自然因素引起的農(nóng)田作物空缺現(xiàn)象普遍存在，如播種或發(fā)芽不均勻、病蟲(chóng)害和臺(tái)風(fēng)水災(zāi)侵襲等。目前，無(wú)人機(jī)噴藥方式為大面積的粗放噴灑，對(duì)作物空缺沒(méi)有識(shí)別和選擇能力。農(nóng)田作物空缺區(qū)域噴藥及重復(fù)噴藥不利于節(jié)約成本，還會(huì)污染環(huán)境。針對(duì)農(nóng)藥粗放噴灑引起的問(wèn)題，人們開(kāi)發(fā)了精準(zhǔn)噴藥技術(shù)，即根據(jù)作物的位置和密度調(diào)整農(nóng)藥的噴灑時(shí)機(jī)和劑量。精準(zhǔn)噴藥能夠保證防治效果，同時(shí)減少農(nóng)藥用量，符合綠色農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)[14]。

對(duì)田間作物和空缺的識(shí)別是精準(zhǔn)噴藥的前提條件，目前常用的方法有人工識(shí)別、遙感識(shí)別和計(jì)算機(jī)視覺(jué)識(shí)別。計(jì)算機(jī)視覺(jué)通過(guò)拍攝田間圖像進(jìn)行視覺(jué)分析，可以識(shí)別出作物和空缺區(qū)域。計(jì)算機(jī)視覺(jué)對(duì)信息的獲取和處理快速準(zhǔn)確，已經(jīng)開(kāi)始與無(wú)人機(jī)結(jié)合運(yùn)用。王林惠等研制了基于圖像識(shí)別的無(wú)人機(jī)精準(zhǔn)噴霧系統(tǒng)，根據(jù)17個(gè)特征參數(shù)識(shí)別非作物區(qū)域，根據(jù)識(shí)別結(jié)果控制噴頭精準(zhǔn)噴霧，取得明顯的減藥效果[15]。本文基于無(wú)人機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)了針對(duì)水稻病蟲(chóng)害的精準(zhǔn)噴藥系統(tǒng)。工作時(shí)，無(wú)人機(jī)拍攝稻田圖像，發(fā)送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行視覺(jué)分析，識(shí)別作物區(qū)域和空缺區(qū)域；依據(jù)分析結(jié)果形成處方圖發(fā)回?zé)o人機(jī)，根據(jù)處方圖控制噴頭，對(duì)拍攝的田塊實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)噴藥。

1 系統(tǒng)的工作原理及組成

1.1 工作原理

水稻精準(zhǔn)噴藥系統(tǒng)由圖像獲取設(shè)備、圖像傳輸設(shè)備、圖像處理設(shè)備和精準(zhǔn)噴藥設(shè)備4個(gè)部分組成，如圖1所示。

圖1 精準(zhǔn)噴藥系統(tǒng)的組成

安裝在無(wú)人機(jī)平臺(tái)上的數(shù)碼相機(jī)拍攝獲得水稻田間的圖像，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后通過(guò)無(wú)線傳輸方式發(fā)送給地面的控制中心；控制中心的核心計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行視覺(jué)分析，依次經(jīng)過(guò)預(yù)處理、灰度化、二值化后提取圖像特征，獲得圖像中的作物區(qū)域和空缺區(qū)域；然后，對(duì)特征圖像進(jìn)行網(wǎng)格化，每幅圖像劃分為4行×4列的網(wǎng)格；計(jì)算機(jī)根據(jù)每個(gè)方格內(nèi)的作物區(qū)域面積形成處方圖，發(fā)回?zé)o人機(jī)上的精準(zhǔn)噴藥設(shè)備中，控制噴頭在飛行過(guò)程中的開(kāi)啟時(shí)機(jī)和程度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)格內(nèi)水稻的精準(zhǔn)噴藥。

1.2 系統(tǒng)組成

圖像獲取設(shè)備包括無(wú)人機(jī)平臺(tái)和數(shù)碼相機(jī)。無(wú)人機(jī)平臺(tái)為極飛農(nóng)業(yè)P20型植保無(wú)人機(jī)，最大藥容量8L，最大作業(yè)速度6m/s，續(xù)航時(shí)間25min，單次作業(yè)面積1.3hm2。無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)自行研發(fā)，手持終端為A2智能式，采用RTK系統(tǒng)定位。尼康COOLPIX P60型相機(jī)安裝在無(wú)人機(jī)前端下方，拍攝角度與豎直方向夾角30°，像素點(diǎn)數(shù)3264×2448，形成JPEG格式圖像。相機(jī)配屬天創(chuàng)UB570型圖像采集卡，用于把JPEG格式圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以便于計(jì)算機(jī)分析。

圖像傳輸設(shè)備的核心為CC2530型芯片，用于無(wú)人機(jī)平臺(tái)與地面控制中心之間的無(wú)線連接。無(wú)線連接采用WiFi技術(shù)，無(wú)線通訊帶寬大，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸能力強(qiáng)。接收裝置與控制中心之間通過(guò)UART接口有線連接，發(fā)送采集的圖像，并接收形成的處方圖，同時(shí)傳輸無(wú)人機(jī)飛行控制信號(hào)。

圖像處理設(shè)備的核心是聯(lián)想揚(yáng)天M4700型臺(tái)式計(jì)算機(jī)，所含的硬件包括Intel i6中央處理器和10GB的DDR4內(nèi)存。安裝的軟件為Windows10操作系統(tǒng)和MatLab圖像分析工具箱，可以滿足系統(tǒng)對(duì)圖像實(shí)時(shí)處理和分析的要求。

精準(zhǔn)噴藥設(shè)備包括藥箱、微型隔膜泵、電動(dòng)離心噴頭和噴藥控制器。微型隔膜泵負(fù)責(zé)將藥箱中的藥液輸送到噴頭中，每個(gè)噴頭由1個(gè)電磁閥單獨(dú)控制，采用脈沖寬度調(diào)制開(kāi)啟。每套噴藥設(shè)備帶有4個(gè)噴頭，安裝在相機(jī)前方，噴頭間距0.15m。每個(gè)噴頭對(duì)應(yīng)處方圖中的1列方格，1次噴灑可以覆蓋半徑0.3m的圓形田塊。通過(guò)施藥控制器控制噴頭的開(kāi)啟時(shí)機(jī)和程度，實(shí)現(xiàn)對(duì)1個(gè)方格的精準(zhǔn)噴藥。

2 圖像處理和精準(zhǔn)噴藥

2.1 圖像處理

水稻田的圖像由作物區(qū)域和空缺區(qū)域組成，其中的空缺區(qū)域包括空缺田塊、工作行和田埂，一般為白色或黑色。作物區(qū)域?yàn)榫G色或黃色，與空缺區(qū)域的區(qū)別明顯，因此利用二者之間的顏色差異來(lái)進(jìn)行識(shí)別區(qū)分。圖像首先經(jīng)過(guò)預(yù)處理去除噪音，校正畸變，以提高后續(xù)處理的質(zhì)量，如圖2(a)所示。然后，根據(jù)上述的區(qū)別，選用超綠(2G-R-B)模型顏色空間進(jìn)行灰度化，如圖2(b)所示。田間的光照強(qiáng)度差異較大，因此將超綠模型轉(zhuǎn)換成HIS模型，針對(duì)R、G、B分量進(jìn)行閾值分割，然后經(jīng)過(guò)面積濾波處理后提取作物區(qū)域和空缺區(qū)域的特征，獲得目標(biāo)輪廓，如圖2(c)所示。其中，黑色為作物區(qū)域，白色為空缺區(qū)域。

圖2 圖像的計(jì)算機(jī)視覺(jué)分析

2.2 精準(zhǔn)噴藥

按照精準(zhǔn)噴藥設(shè)備一次噴灑所覆蓋的范圍，將圖像劃分為4行×4列的網(wǎng)格，每個(gè)噴頭對(duì)應(yīng)1列，每次噴灑對(duì)應(yīng)1行，如圖3(a)所示。計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)黑色的作物區(qū)域面積所占的比例，按照0～5%、6%～10%、11%～20%、21%～40%和41%～100%將各網(wǎng)格劃分為1～5共5個(gè)等級(jí)，用由淺至深的5種顏色進(jìn)行標(biāo)記，形成處方圖，如圖3(b)所示。精準(zhǔn)噴藥設(shè)備依照處方圖控制各網(wǎng)格對(duì)應(yīng)噴頭的開(kāi)啟程度，從而實(shí)現(xiàn)5個(gè)等級(jí)藥液劑量的精準(zhǔn)噴灑。

圖3 精準(zhǔn)噴藥的圖像處理

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2017年，在水稻田中對(duì)系統(tǒng)的作業(yè)質(zhì)量進(jìn)行了檢驗(yàn)。無(wú)人機(jī)距離水稻植株頂端高度為2.5m，設(shè)置2、4、6m/s共3個(gè)飛行速度。在每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)放置1塊霧滴采集卡，噴藥作業(yè)完成后測(cè)定采集卡上的霧滴沉積量，并且分析噴藥的準(zhǔn)確性和不同作業(yè)速度下的作業(yè)質(zhì)量。

單張圖片從拍攝到形成處方圖的過(guò)程耗時(shí)50ms，能夠滿足無(wú)人機(jī)最快飛行速度下作業(yè)的要求。作業(yè)的質(zhì)量如表1所示。在3個(gè)速度下，系統(tǒng)都能識(shí)別不同的網(wǎng)格，并且隨著作物區(qū)域面積所占比例的增加，噴灑的藥液劑量也逐漸變大，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)噴藥。飛行速度為2m/s時(shí)，霧滴沉積量與處方圖劑量的線性關(guān)系較好，具有較高的作業(yè)質(zhì)量，作業(yè)效率達(dá)到1.73hm2/h。隨著飛行速度的增加，霧滴在下降過(guò)程受到干擾，沉積量與處方圖劑量的線性關(guān)系減弱，噴藥的精準(zhǔn)性有所降低。

表1 不同速度下的霧滴沉積量

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了基于無(wú)人機(jī)的水稻精準(zhǔn)噴藥系統(tǒng)，由圖像獲取設(shè)備、圖像傳輸設(shè)備、圖像處理設(shè)備和精準(zhǔn)噴藥設(shè)備4個(gè)部分組成。無(wú)人機(jī)拍攝稻田圖像，由計(jì)算機(jī)識(shí)別后形成處方圖；噴藥設(shè)備根據(jù)處方圖控制噴頭，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)噴藥。單張圖片的處理過(guò)程耗時(shí)50ms，能夠滿足快速作業(yè)的要求。系統(tǒng)在不同個(gè)速度下都能識(shí)別作物區(qū)域，噴灑的藥液劑量隨著作物區(qū)域面積比例增加而逐漸變大。飛行速度為2m/s時(shí)的霧滴沉積量與處方圖劑量的線性關(guān)系較好，具有較高的作業(yè)質(zhì)量，可以實(shí)現(xiàn)1.73hm2/h的作業(yè)效率。隨著飛行速度的增加，霧滴在下降過(guò)程受到干擾，噴藥的精準(zhǔn)性有所降低。