圖像處理技術在智能化農業中的應用*

任震宇，屈江平，牟泳宇

（綿陽職業技術學院，四川 綿陽 621000）

隨著人工智能技術的突飛猛進，智能化已經開始普及，智能化的核心主要來自于各種各樣的傳感器技術，傳感器的出現讓我們生活、生產達到事半功倍的效果。眾所周知我國是一個人口大國，農業生產對我們來說是必要的，也是必須的，現如今將智能化的圖像處理技術加入到農業中，對于監測農作物的生長、監測農作物的蟲害問題以及環境保護都大有裨益。建立新型化、智能化農業勢必會帶動農業產業的新潮流。

1 圖像處理技術簡述

圖像處理技術誕生于20世紀50年代，借助計算機技術與數學模型，結合了理論知識與實踐兩個方面使其更加完善。圖像處理技術是將圖像信息轉換為數字信號，通過計算機的輔助更直觀地顯示在我們面前。圖像處理主要包括三個部分：圖像采集、圖像分析、圖像輸出。

圖像處理技術的特點主要表現在可靠性、真實性、準確性、便捷性等方面，該技術可以通過圖像信息，把龐大的、復雜的信息轉換成數字信號儲存，通過計算機隨時隨地調用，極大地保證了時效性。

圖像處理技術在生活、生產中得到了廣泛應用，其中包括醫學、航天、軍事、農業、文化等領域。隨著該技術的不斷進步，圖像處理和圖形學相結合，形成了新的科學領域。

2 智能化農業的發展趨勢

我國是農業大國，農民人口數量多，農業生產就成了我國經濟發展的重要支柱，通過數據調查顯示我國目前存在勞動力缺乏、人口老齡化嚴重、可種植耕地規模小、農產業價值比過低、農民收益緩慢、投入量與收益量不成比例等諸多問題。隨著近年來5G技術的出現，將互聯網、物聯網、傳感器技術運用于農業中，以此打造更智能化的農業系統。

在農業方面，我國正利用“智能化”優化產業鏈，建立價值結構體系，提高農產業的附加值等，讓原始農業轉變成科學生產，用機器代替人工，一些進口高端技術逐漸被國產技術所替代。目前我國5G網絡逐漸成熟，要將現代信息技術作為基礎使農業變革，我國與西方國家在農業智能化上還有很大的提升追趕空間，因此智能化農業在國內現階段存在著較好的發展勢頭，放眼未來，大數據、云計算、人工智能、物聯網等新技術有著廣闊的發展前景。這些新技術的出現不僅可以改變傳統農業的生產，還可以實時監控農產業從播種到銷售的各個重要環節，比傳統人工操作的效率更高，監控準確度更高，智能化農業在未來要做到科學種地，用有限的耕地資源，生產出優質的農產品，在保證農產品新鮮的情況下，利用大數據等新技術將農產品銷售到世界各地。

3 圖像處理技術在智能化農業中的應用

3.1 在農作物生長監測中的應用

農物生長會受到溫度、濕度、土壤pH值、病蟲害、管理等諸多因素影響，在播種早期主要體現在育苗的好壞，在農作物的中后期主要體現在植株的病害蟲情況及氣候、水量、光照時間等影響。大面積農作物在生長方面需要運用圖像處理技術，針對于惡劣天氣能夠及時了解農作物生態環境狀況，為生產提供精準數據，做到實時監測。通過紅外攝像機采集植株的實時信息，圖像處理技術結合計算機輔助，通過計算機處理生成實時變化曲線得到動態圖像。目前，視覺傳感理論、圖像與算法在農業實際運用中還有部分技術沒有得到突破，還需要完善。

在傳統觀念中，人們通過人工觀察法，從植株的外觀、顏色等特征判別農作物的生長情況，這是在農業生產中普遍運用的方法，生產者們通常憑借經驗去判斷農作物所遭遇的情況，通常情況下當農作物葉色呈現黃色，出現早熟、產量低下的情況，可預測農作物缺乏氨，蛋白質合成量變少，細胞分裂變慢，這些方法雖然可行，但是效率很慢，且需要有經驗且有理論知識的人士，一般只適用于小面積，通常準確度不高，不能及時對癥下藥。

圖像傳感器自問世以來時刻應用在人們生活中，1988年李少昆等人通過將圖像處理技術運用于玉米、稻谷等大型農作物提取生長監測，他們借助人工標記法，通過對玉米、稻谷植株信息提取，在圖像處理技術的特征參數下與傳統農業理論參數結合建立起聯系，可檢測莖葉角、葉片長度等幾十種特征參數。日本學者在1989年提出的SPA理論系統，采用圖像傳感，在不影響植株正常生長情況下，采集植株的生長信息，通過運用遺傳算法、專家系統、AI技術等方法，對溫室的植株采用智能化監測，取得了進一步的進展。2005年武聰玲等人在溫室條件下，利用圖像處理技術對黃瓜幼苗生長進行監測，通過計算機精準測量黃瓜葉冠投影面積，預測到莖葉干鮮重及真實植株葉面積。

近年來，在計算機圖像系統、各種傳感器的發展帶動下，CCD攝像機的運用更加強大，計算機圖像比人眼更精確，一些學者們將這一技術運用于農作物的生長監測，將植株區域安裝CCD攝像機隨時對植株進行監測，還可加入溫控傳感器對其周圍的溫度進行監測。

大面積種植需采用遠程監控，運用5G技術，通過搭建遠程服務，再通過CCD攝像機，將獲取到的圖像信息通過圖像傳回控制中心，控制中心通過對圖像進行加工處理提取植株的生長情況作為農業參考，還可通過安裝各種傳感器對其土壤值、溫濕度、光照度、pH進行監測，以便實時采取相對應的措施。

3.2 在農作物蟲害范圍監測中的應用

在農作物生長過程中，能否保證農產品高產豐收，蟲害問題是重要也是關鍵的一環，大規模的蟲害，會導致作物減產，在經濟上會帶來不可挽回的損失，傳統農業中最為常用的檢測蟲害的方法既費時又費力，且從業人員需要有較高的專業知識，即便如此但有些作物早期出現蟲害癥狀很相似，一些微小的細節很難通過肉眼觀察出來，從而錯過最佳預防時間。圖像處理技術與農業相結合為智能化農業帶來新的發展，該技術在農作物蟲害監測方面具有識別精度高、識別速度快等優點，可以協助農務管理人員及時對蟲害問題采取有效的防治措施。基于圖像處理技術下的蟲害識別技術，在新型農業推動下勢必將會代替人工識別（見圖1）。

圖1 圖像處理的流程簡圖

利用圖像處理技術提取植株上的蟲洞形態等信息只是第一步，也是關鍵的一步，它關系到云端數據庫的設計，所以為確保準確性，簡化數據，選用保留較好的植株進行圖像采集預處理，并對蟲害進行分類。目前，主要有BP神經網絡法、模糊聚類、向量機等通過多種不同植株的殘缺程度建立蟲害數據庫，當數據庫采集的蟲害信息足夠多時，就可以讓專業人士針對各種蟲害設計預防方案和應采取的措施。此類技術主要靠圖像處理技術對其蟲害的圖像采集。采集完畢后還可建立龐大的數據庫，用計算機生成圖片上傳云端計算機顯示防治方案。

3.3 在農作物熟度指標檢測中的應用

我國是一個地大物博的國家，許多地方自然產物豐富，好的農產品可以帶動農民的經濟收益，如山東的蘋果、吉林的人參、福建的龍眼、浙江的龍井花茶等一系列產品在全國都享有知名度。深層次加工能夠提高農產品品質且直接影響農產品經濟價值，現階段大部分采用人工檢驗，人工檢測存在效率低下、人工成本高、費時等諸多問題，對于不太熟練的工作人員效率大大降低，給后續加工帶來諸多影響，利用圖像處理技術檢測農產品具有效率高、無損害、節約人工成本等優點，因此受到人們關注。

20世紀，就有國外學者利用掃描模擬攝像機檢測過蘋果內部損傷，該實驗證明利用圖像處理技術對蘋果損傷程度檢測能達到人工檢測結果的精度。應義斌等人在1999年利用傅立葉變換和反變換對果形進行描述，在經過大量實驗開發了果形識別APP。通過綠、紅色彩在損傷處與損傷交界處的突變，計算出可疑點，通過受損面，果形識別精度可達90%。

智能化農業在農作物熟度指標上的研究和運用已經成為了關注熱點，許多研究人員在各種農作物的成果上采用圖像處理技術，利用植株的形態、顏色研究此類變化特征。隨著5G技術的發展，近年來通過將圖像處理與AI相結合，通過AI技術觀察農田農作物生長情況，它可以幫助政府統計當地農田面積、預估產值、農作物受災情況，利用紅外攝像儀在黑夜也能看清楚，不受環境影響，目前阿里達摩院已在農業遙感影像技術上獲得兩項冠軍。

3.4 在環境保護與治理中的應用

隨著生活、生產的不斷提高，人們生活方式的改變，也給周圍環境帶來了影響，近年來經濟快速發展的同時，周圍環境也受到了很大污染，如化學污染、空氣污染、電磁污染、水質污染、噪音污染等方面隨時影響著我們的身體健康。1987年，我們國家就已經頒布《大氣污染防治法》。在當時我國就意識到環境保護問題，但由于科技要進步，社會要進步，對于一些細小問題，做不到完善的整改，如今21世紀環境保護已成為全世界共同關注的話題（見圖2）。

圖2 工業污染真實還原圖

目前，我國工業污染排放量大，遠高于環境自身凈化力，工業治理任務嚴重，經過治理的地方出現反復，城鎮生活污染比重明顯增加，不少地區水質問題、土質問題得不到改善，農產品的有害化學殘留物超標，隨時影響著人體健康，部分地區出現水土流失、荒漠化加劇等諸多環境問題。部分地區已經意識到了這些問題的嚴重性，在整改中已經初步取得了一部分成果，但環境保護治理問題是個長久的問題，也是我們必須要面對的問題。現如今已經將圖像處理技術運用到環境保護治理中。運用在AI圖像智能垃圾分類，這項技術通過手機小程序掃一掃就可以顯示出是哪一類垃圾，還可通過無人機對環境監測，其原理就是在無人駕駛飛行器上搭載數字遙感設備，飛抵任務地點進行拍攝，然后通過遙感數據處理技術，將影像同步傳輸到中央指揮部，從而進行實時調查和監控，無人機搭載多光譜儀可以生成多光譜圖像，對于監測水域有很大作用，還可搭載熱成像儀對一些森林大火進行圖傳數據分析。由此可見，這些圖像處理技術在對于環境治理方面也具有很大潛能。

4 圖像處理技術在智能化農業應用中的不足

目前，我國已經開始嘗試將視覺技術應用在農業生產中，但由于缺乏大量數據支撐，虛擬農業的發展止步不前，因此該項技術還有待進一步的研究開發。現在各個國家都出現了水資源短缺的情況，我國有很多地區由于地形原因的限制，農業用水十分困難。因此，我國農業生產依然要開展節約用水的發展戰略。應用自動灌溉技術既可以維持農業生產的正常用水量，還能夠極大地避免農業用水的浪費，現代化的灌溉技術都是用傳感器與計算機相連，利用網絡信息的數據處理功能對農業生產各個環節用水量進行定量分析，這樣就能準確地計算出農作物生長各個階段的用水量，從而進行精準灌溉。

5 結束語

圖像處理技術在農業生產中的應用對我國的農業現代化建設起到了非常大的助力作用，但其發展還處在起步階段，需要更多的人力財力物力，才能夠將技術融合得更成熟。目前，該技術在農作物的生長監控、病蟲害的預防、作物指標及環境保護等方面起到了很好的作用，讓我們的農業生產變得不再那么勞累，減少了人力成本的消耗，未來隨著數學、物理、AI技術的深入發展，智能化農業的圖像處理技術還將進一步更新，為農業生產解放勞力帶來促進作用，提升我國的現代化建設水平，同時為智能化農業發展帶來新的機遇。