戴著口罩認出人 殘膜卷曲識得污

翟志強

新疆屬干旱地區(qū)，是我國農(nóng)田地膜覆蓋栽培重點區(qū)域，棉花、番茄、瓜類等幾乎全部覆膜種植，每年應用面積超過5500萬畝，地膜使用量超過25萬噸。大量地膜的使用，帶來農(nóng)田的“白色污染”。近年來，新疆通過殘膜回收、減量替代、使用全生物降解地膜等方式，從源頭上治理農(nóng)田“白色污染”，為土壤“清肺通絡”。而我，有幸成為其中一員，用自己的所學助力此役。

棉田殘膜采樣

從“打醬油”到“獨當一面”

本科時，我加入了石河子大學智能農(nóng)業(yè)傳感與裝備實驗室。從本科階段的“打醬油”到研究生階段的“獨當一面”，我深刻認識到本科生進行科研鍛煉的重要性，在導師的指導下我組建了“西北智能農(nóng)裝創(chuàng)新團隊”。團隊以“為學生搭建創(chuàng)新平臺，讓學生在科研中成長，為西北邊疆農(nóng)業(yè)機械助力”為宗旨，由研究生引導本科生加入實驗室進行學習、鍛煉。

團隊成立至今，已有研究生30人，本科生60余人，緊密圍繞新疆農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際開展創(chuàng)新研究，先后研發(fā)了“干癟核桃多通道檢測與分選裝置”“籽棉殘膜分離裝置”“采棉機配套殘膜防護裝置”“基于近紅外光譜的哈密瓜內(nèi)部品質(zhì)檢測裝置”“棉田蟲情遠程測報裝置”“農(nóng)田土壤污染快速采樣裝置”等。

在某次農(nóng)業(yè)調(diào)研過程中，我了解到核桃是南疆的主要經(jīng)濟作物，但在收獲中有干癟劣質(zhì)核桃混入優(yōu)質(zhì)核桃中，影響了核桃的價格，這造成了農(nóng)民豐產(chǎn)不豐收的現(xiàn)象。在導師的指導下，我經(jīng)過一學年的努力，設計出了“干癟核桃多通道檢測與分選裝置”，實現(xiàn)了干癟核桃的無損檢測和分選。

正常情況下，核桃尺寸越大，重量越重，但是當出現(xiàn)干癟時，核桃重量會變輕。本裝置通過融合核桃圖像和重量信息來判別干癟核桃，其工作原理是：首先，通過機器視覺預測核桃重量，接著在線稱量核桃實際重量，然后通過比較預測重量和實際重量，判別是否為干癟核桃。一旦判別為干癟，會觸發(fā)氣流分級噴嘴，將干癟核桃剔除。

分級后的核桃每公斤可提價約5元，如果新疆20%的核桃采用本設備進行分級加工，可帶給南疆農(nóng)民約89.6萬元的增收。2017年，我憑借這一發(fā)明獲得了“東方紅”杯智能農(nóng)業(yè)裝備創(chuàng)新大賽全國一等獎。

從“白色革命”到“白色污染”

2019年，我選擇繼續(xù)申請碩博連讀，最終以綜合考核第一的成績獲得碩博連讀資格。

同年，導師承擔了農(nóng)業(yè)農(nóng)村部的全國農(nóng)業(yè)面源污染監(jiān)測評價及相關技術服務（新疆地膜監(jiān)測）任務，導師指導我組織開展相關工作。

農(nóng)用地膜良好的增溫、保墑、抑制雜草功能，極好地破解了我國干旱地區(qū)和冷涼地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力脆弱——“產(chǎn)量極低”的問題。其應用規(guī)模和效益遠遠超出了預判，增產(chǎn)高達30%以上，是提高農(nóng)田作物水分利用率、緩解水資源短缺、防止病蟲害和促進植物生長的重要手段，被譽為農(nóng)業(yè)上的“白色革命”。

但農(nóng)用地膜以聚乙烯材料為主，降解期較長，過度使用農(nóng)用地膜且不及時回收的話，容易造成土壤中殘膜逐年積累，引發(fā)土壤水分運移受阻、作物產(chǎn)量下降、環(huán)境污染等問題，這就是殘膜的“白色污染”。

棉田蟲情遠程測報裝置

農(nóng)田土壤污染監(jiān)測工具箱

農(nóng)田殘膜污染航拍圖及深度學習識別結果

帶領團隊成員開展殘膜污染監(jiān)測工作

為了更好地掌握新疆農(nóng)田的殘膜污染程度，為農(nóng)田殘膜污染綜合防治提供數(shù)據(jù)支撐，我們綜合考慮了新疆地區(qū)的綠洲分布情況、棉花等作物種植覆蓋情況等因素，在整個新疆綠洲區(qū)共布設了60個農(nóng)田地膜殘留污染監(jiān)測點位，開展殘膜污染監(jiān)測工作。

在農(nóng)田殘膜污染監(jiān)測采樣過程中，我們發(fā)現(xiàn)通過人工采樣評估殘膜污染，勞動強度大、效率低，平均1個樣方點（長寬深為1m×1m×0.3m的耕層土壤）殘膜取樣，兩三個人同時作業(yè)約需一個半小時，難以適用于新疆大面積農(nóng)田的播前殘膜污染程度監(jiān)管。

于是，我們對無人機低空成像評估地表殘膜污染的可行性進行了初步探索，但在研究中發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田地表殘膜的自然卷曲，土塊和秸稈等對殘膜的遮擋等因素變化，均會對殘膜污染低空成像評估的準確性造成較大影響。

從“人臉識別”到“殘膜識別”

如何突破殘膜的遮擋和卷曲問題，是實現(xiàn)播前棉田地表殘膜污染程度評估的關鍵所在，這一問題困擾了我整整一個冬季，直至2020年冰雪消逝，春播農(nóng)忙。

2020年，新冠肺炎疫情全球蔓延，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)科學研究也帶來了嚴重影響。同時，由于新疆氣候情況特殊，4月中旬冬雪才能完全化盡，到5月初棉花春播完成，中間僅有半個月左右的時間，開展播前棉田殘膜監(jiān)測試驗。4DF45FE7-9B7C-4A77-B319-F09CE98043FA

時間緊，任務重。我們克服各種困難，帶著試驗設備在農(nóng)田里開始殘膜污染圖像采集試驗，從早到晚，一刻都不敢耽誤。

某天，在路過疫情檢查站進行人臉掃描時，我發(fā)現(xiàn)即便沒有摘掉口罩，機器也可以識別出人員身份。“口罩對人臉的遮擋和秸稈對殘膜的遮擋，是否是同一類問題？”“不同人的識別和不同卷曲程度的殘膜識別，是否又是同一類問題？”“人臉是規(guī)則對稱的，但殘膜形狀各異，識別難度是否更大？”……一系列問題在我腦海中不斷閃現(xiàn)。

回去后，我趕緊查閱文獻和相關資料，最終確定了通過深度學習算法實現(xiàn)遮擋殘膜的圖像修復和不同卷曲殘膜識別的研究思路。這就好比口罩遮擋下的人臉修復，先通過機器識別出遮擋人臉的口罩，然后剔除口罩，通過已有的人臉特征對缺失的部分人臉進行修復，遮擋殘膜的修復就是此種思路。同樣，提取不同圖像特征進行人臉識別，與不同卷曲程度的殘膜識別，也有異曲同工之妙。按照此研究思路，我們撰寫了國家自然科學基金項目“播前棉田地表殘膜污染無人機低空成像評估機理研究”，評審專家對我們的項目高度認可，項目順利獲批。

在自然科學基金項目的基礎上，我將博士研究課題定為“基于無人機低空成像的播前棉田地表殘膜識別及污染評估”。開題過程中，我有幸得到了陳學庚院士等專家的指導，專家們提出了不同航拍參數(shù)、天氣條件、覆膜年限等對評估結果的影響問題，并建議通過“先易后難最后修正”的策略深入開展研究，這讓我的思路更加明確。

采棉機配套殘膜防護裝置風速測試

“干癟核桃多通道檢測與分選裝置”獲全國大學生智能農(nóng)業(yè)裝備創(chuàng)新大賽一等獎

基于近紅外光譜的哈密瓜內(nèi)部品質(zhì)檢測裝置

目前，我們通過人工標記訓練深度學習模型，讓計算機能夠像人眼一樣自動識別出農(nóng)田地表殘膜，并初步開發(fā)了基于無人機低空成像的農(nóng)田殘膜污染快速評估系統(tǒng)。通過無人機低空成像、深度學習、5G技術等，能夠快速、準確、自動檢測農(nóng)田地表殘膜污染程度，每塊監(jiān)管農(nóng)田（約50畝）的檢測可控制在5分鐘內(nèi)完成，檢測準確率可達到95%以上，為新疆地區(qū)農(nóng)田殘膜污染監(jiān)管和防治，提供了一定的科學依據(jù)和技術支撐。

2021年12月，新疆生產(chǎn)建設兵團第八師石河子市農(nóng)業(yè)機械化技術推廣站一行人員來訪，就殘膜污染監(jiān)測相關工作表示了高度認可。目前，項目團隊已經(jīng)與該技術推廣站及德鑫農(nóng)機服務專業(yè)合作社建立合作伙伴關系，共同申報科技攻關項目“棉田殘膜污染監(jiān)測及回收質(zhì)量評估關鍵技術裝備研發(fā)”，計劃通過產(chǎn)學研合作關系，盡快讓項目研究成果落地應用。

“守祖國西北邊疆，書智能農(nóng)裝新篇”是團隊的口號，也是我想要為之奮斗一生的目標。自2013年起至今，我在美麗的新疆學習、生活已8年有余，忙忙碌碌，卻也總是踏踏實實……

責任編輯：丁莉莎4DF45FE7-9B7C-4A77-B319-F09CE98043FA