圖像處理技術在農業(yè)領域中的發(fā)展及應用研究

王 佳，馬德新

(青島農業(yè)大學，山東 青島 266109)

當前圖像處理技術的應用得到各界學者的廣泛關注，它與其他學科間的交叉融合也發(fā)展得如火如荼，并朝著愈佳的模式解析、高效地運轉速度以及優(yōu)質的畫面分辨率呈現等目標前進，以期實現圖像的智能化獲取、分析、識別及解讀。與此同時，圖像處理技術的研究和應用已經擴展到諸多方面，尤其在農業(yè)領域中，它的發(fā)展對于打造農業(yè)信息化成果具有重要意義。

1 相關理論概況

1.1 圖像處理技術基本概念

圖像是客觀對象的一種抽象闡述，其囊括了被描述對象的相關訊息，是我們用感官觀察世界存在的基石，也是我們接收、輸出和展現信息的必要方式。圖像處理是借助計算機為媒介對接收的數據訊息進行再處理和解讀，以實現人的感官或現實訴求的行為。圖像處理技術是指利用計算機或其他數字設備對獲取的圖像進行各式各樣的加工和處理，它主要應用在物體探測和定位、測量識別和驗證等方面。如若將圖像處理技術與農業(yè)機械技術相互結合，應用于農業(yè)的選種、播種、采摘、管理等環(huán)節(jié)，能有效提高勞動生產率，節(jié)省人力資源。

1.2 圖像處理技術發(fā)展歷程

在1920年初，圖像處理技術開始起步，那時圖像處理技術主要用以傳統(tǒng)紙質通信領域的信息傳輸；在1960年前后，首臺能實現圖像處理程序的計算機現世，這代表著圖像處理技術進入了新的發(fā)展階段；在1970年初期到1980年后期，圖像處理技術的應用領域不斷擴大，廣泛用于科學研究、工業(yè)監(jiān)測、遙感、航空航天、醫(yī)學圖像、天學文等多方面，并在其中發(fā)揮著越來越大的作用。從20世紀90年代到進入21世紀，借助欣欣向榮的計算機技術的東風以及相關學科基礎知識的不斷改進，圖像處理技術已經成功地應用在各個領域。

2 圖像處理技術在農業(yè)中的應用

2.1 病蟲害監(jiān)測

隨著科學技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的對作物的識別和診斷大多數情況是通過人工調查得到農作物病蟲害信息，然后依據決策者的經驗進行主觀的判斷，這樣低效率的做法已經滿足不了對作物病蟲害信息快速、可靠、實時的獲取需求。目前在國內，光譜成像技術已被廣泛應用到農業(yè)領域中，主要通過光譜分析技術、可見光成像技術、多光譜成像技術、高光譜成像技術等獲取農作物病蟲害情況。這幾種方法均利用圖像處理技術進行識別，具有快速、可靠、無損傷性、信息量大等優(yōu)勢，因此圖像處理對病蟲農害防治具有重大意義。

2.2 生長環(huán)境因子監(jiān)測

作物的生長發(fā)育和產量受水分、肥料影響很大，基于圖像處理技術的生長環(huán)境因子監(jiān)測系統(tǒng)，能對農作物生長進行監(jiān)測與診斷，農戶可以根據生長環(huán)境因子監(jiān)測系統(tǒng)給出的監(jiān)測與診斷結果，及時地補充水分和肥料。另外，通過采集清晰的圖像可以快速地對農作物生長發(fā)育的時令性變化進行評價和估量，同時也能達到實時快捷、有效精確、智能無損地提供農作物生長信息及營養(yǎng)成分狀態(tài)診斷的效果，還可以提高農戶的農藝水平(水肥管理、移栽、采摘以及病害防治等)，從而提高農作物產量與品質。

在作物生長發(fā)育周期中，不同的作物都有對應的噴藥時期，以玉米為例，一旦錯過了合適的噴藥時期，不但不能有效清除雜草，而且還會給玉米幼苗造成傷害；另外，作物生長后期雜草繁殖迅速，這增加了雜草識別與藥物除草的難度，不利于保證作物的產量與質量。而基于圖像處理技術的生長環(huán)境因子可以對不同雜草尤其是針對部分破壞性較大、耐藥性較強的惡性雜草，進行圖像分類，針對不同的雜草實施靶向施藥，方便農民對雜草進行治理。

2.3 農業(yè)種植管理

圖像處理技術在作物生產種植管理中開始較晚,借助計算機技術轉型升級的東風，使得在農業(yè)種植管理過程中農業(yè)機器人發(fā)揮了不可替代的作用，尤其是在種子分揀、果實采摘、噴灑農藥、幼苗移栽等方面有著廣泛的應用。

2.3.1 種子分揀機器人。①種子分揀機器人先進行定位識別種子，主要利用圖像處理技術對種子在工作區(qū)域內的位置進行定位以及判斷物體是否為種子；②進行缺陷檢測，提取目標種子的特征值，然后與存入數據庫的已知的優(yōu)質的種子特征值進行比對；③在比對完成后，傳送種子坐標，將優(yōu)質種子、劣質種子坐標分批傳送到機器人的管理控制中心，進行分揀操作，達到優(yōu)劣種子分類的效果。

2.3.2 采摘機器人。采摘機器人是圖像處理技術的典型應用，以中國特色茶產業(yè)為例，圖像處理技術在茶隴道路識別與采摘機器人導航中的應用，給中國茶產業(yè)帶來了新機遇。利用圖像處理技術判定茶樹新苗并實現自動定位的采摘機器人，可以保證葉片的完整性和整齊度。茶場主使用采摘機器人作業(yè)替代人力，不僅可以減少人力雇傭的資金投入，而且能夠改善采茶質量和提高生產效率。當然采摘機器人的識別的準確率還需要再進行改造升級，解決受外在環(huán)境干擾影響準確率的問題。

2.3.3 噴灑農藥機器人。噴灑農藥機器人可以分為地面機器人和空中機器人，地面噴藥機器人主要針對小范圍作物精細噴灑，通過攝像頭采集數據，將采集到的農作物圖像傳送圖像處理中心，通過計算機分析植物葉片的病變程度，遠程自動噴藥機器人向有病害的農作物噴灑適量的農藥；空中噴灑農藥機器人主要代表為無人機，它適用于大范圍作物的農藥噴灑。

2.3.4 移栽機器人。移栽幼苗的全自動培育主要有自動育苗、供苗、嫁接、嫁接苗自動移栽以及溫室自動管理等環(huán)節(jié)，為了降低移栽幼苗培育整個過程的工作強度、提高移栽苗存活率以及生長質量，移栽幼苗的自動培育是以后研究的重點課題。其中，移栽機器人的移栽過程就是先從嫁接機上摘取移栽幼苗，然后再到目標穴盤上進行定植幼苗。移栽的成功率主要由移栽穴孔定位的精準程度、穩(wěn)定程度和完成執(zhí)行任務的機械手臂的設計決定。圖像處理技術主要針對移栽過程中移載機器人對移栽的目標穴孔位置的探測和定位。

2.4 精細化養(yǎng)殖管理

在現代農業(yè)的精細化養(yǎng)殖中，圖像處理技術主要應用在異常行為監(jiān)測，如發(fā)情、爬跨、疾病預警、體型判斷、飼喂量預測等方面。通過對動物特征的圖像分析和識別方法及其相關數據的收集，可以進一步研發(fā)能自動管理養(yǎng)殖的智能機器人?，F在隨著機器學習、物聯網、大數據、云技術的發(fā)展，在不久的將來結合這些技術和圖像處理技術會應用于智能養(yǎng)殖的各個環(huán)節(jié)，那時將會實現真正的無人參與的全自動化智能管理。

3 圖像處理技術在農業(yè)信息化條件下的展望

雖然圖像處理技術在農業(yè)中的應用前景廣闊，但也存在著一些限制性因素影響了圖像處理技術的發(fā)展。在農業(yè)領域中圖像處理技術起步較晚，且在整個農業(yè)生產體系中的投入占比較小，無法得到深層的優(yōu)化推動，圖像處理技術與農業(yè)的結合屬于專業(yè)性較強的工程，需要政府、科研人才、企業(yè)及使用者從基礎設施、技術供給、產業(yè)需求等各方面共同努力，如若將圖像處理技術與農業(yè)機械技術相互結合，可大范圍用于農業(yè)生產過程中的選種、播種、采摘、管理各個環(huán)節(jié)，提升農業(yè)生產效率，節(jié)省人力資源。

3.1 拓寬多元化應用范圍

隨著農業(yè)信息化程度的提高，在農業(yè)生產的每個環(huán)節(jié)都離不開圖像處理技術，從種子分揀、精準播種、生長環(huán)境監(jiān)測、病蟲害防治管理、采摘收割乃至存儲，無論是大田作物還是大棚作物，無論是養(yǎng)殖還是種植，圖像處理技術的應用將無處不在。

3.2 推動高水平智能管理

圖像處理技術與物聯網技術、大數據、云計算等強強聯合，它的使用方向多元化，研究程度深入化，農業(yè)發(fā)展將會更加現代化，農業(yè)機械智能化程度更高，推動高水平智能管理的進程。

3.3 降低設施和開發(fā)成本

隨著硬件的發(fā)展，一些精細器械成本降低，硬件開發(fā)更快，大部分場所使用人工智能，開發(fā)成本降低，無論是溫室種植還是大田種植，無論是科學研究還是農民種植，都可以充分利用圖像處理技術，這時精細化農業(yè)的程度將會更進一個層次。

4 結束語

現階段，加快推進農業(yè)信息化進程是我國農業(yè)發(fā)展中一個極為重要的環(huán)節(jié)，加之現階段我國處于經濟發(fā)展方式轉變的特殊時期，可以看出推動中國農業(yè)可持續(xù)發(fā)展任務的艱巨性，而隨著科學技術的發(fā)展，圖像處理技術起著關鍵的作用。從科學研究、領域實踐甚至大到對未知宇宙的探索，圖像處理技術應用頗為廣泛，具有其他技術無法比擬的優(yōu)越性，尤其是在農業(yè)進行信息化的過程中，圖像處理技術是不可或缺的一環(huán)。在圖像處理技術的探索之路，我們任重道遠，也希望各界能夠深入挖掘圖像處理技術的適用空間，以期它能夠在未來農業(yè)生產中大放異彩。