1、农机化研究 2018,03(40),208-211+216 计算机视觉技术在果园除草机上的应用研究 张雨滋 山东理工大学农业工程与食品科学学院 导出/参考文献 关注 分享 收藏 打印 摘 要： 果园杂草与树木竞争营养和水分, 还是病虫害滋生和栖息的场所, 导致果园减产 10%20%, 并降低果园产品的质量。化学除草方法的效率高、成本低, 有利于保持果园的土壤环境和微生物群落。传统的大面积喷洒带来药液的浪费和残留问题, 而变量喷药则根据杂草的位置和密度, 相应地调节除草剂的喷洒时机和剂量, 能够减少除草剂用量。变量喷药的前提是获得杂草的位置、分布和密度信息, 目前常用计算机视觉技术来实现。为此,
2、 利用计算机视觉技术识别获取果园杂草的分布和密度信息, 通过处理器控制执行装置进行变量喷药, 并设计了果园化学除草的机械。试验结果表明:视觉系统对苹果园和葡萄园单张图像的处理时间为 80ms, 机械的最佳作业速度为 0.3m/s 和 0.4m/s, 具有较高的除草效果和效率, 能在果园生产中应用推广。关键词： 计算机视觉; 果园; 除草机; 变量喷药; 作者简介：张雨滋 (1982-) , 男, 山东桓台人, 讲师, 硕士, (E-mail) 。收稿日期：2007-03-06基金：山东省社会科学规划研究项目 (13DJJJ13) Application of Computer Vision T
3、echnology in Orchard Weeding MachineZhang Yuzi School of Agricultural Engineering and Food Science, Shandong University of Technology; Abstract： Orchard weeds compete with trees for nutrition and moisture, or where pests and diseases grow and habitat, resulting in 10%-20% reduction in orchard and lo
4、wer quality of orchard products. Chemical herbicidal methods are highly efficient and low cost, and are also conducive to maintaining the soil environment and microbial communities of orchards. The traditional large area of spray brings the waste and residual problems of the liquid, while the variab
5、le spray is based on the location and density of weeds, the corresponding adjustment of herbicide spraying time and dose, can reduce the amount of herbicides. The premise of the variable spray is to obtain the location, distribution and density information of the weeds, which is commonly used in com
6、puter vision technology. In this paper, computer vision technology is used to identify the distribution and density information of orchard weeds. The chemical spraying of the orchard is designed by the processor control device. The results show that the processing time of the visual system for apple
7、 orchard and the single image of vineyard is 80 ms, the optimum operating speed of the machine is 0. 3m/s and 0. 4m/s, which has high herbicidal effect and efficiency, Production application promotion.Keyword： computer vision; orchard; weeding machine; variable spray; Received： 2007-03-060 引言果树是重要的经
8、济作物, 其果实具有很高的营养及保健价值。果园杂草是影响果树正常生长的非栽培草本植物或灌木, 它们与果树竞争营养和水分, 还是一些病虫害滋生和栖息的场所, 并为其提供传播条件, 能够加重病虫危害的程度。例如, 1 个刺儿菜的植株在生长过程中会从土壤中吸收 9.8kg 氮、8kg 钾和2.6kg 磷。1 株野燕麦的根系总长可以达到 2m, 其形成 1kg 干物质所消耗的水为 400500kg。由此可见, 果园杂草对营养和水分的消耗是惊人的1。大多数的统计显示, 杂草可以导致果园减产 10%20%, 同时降低果园产品的质量。研究表明, 果园的早衰退化有 90%是由杂草引起2。果园的种植环境和方式与
9、农田不同, 地表裸露面积所占的比例较大, 因多为旱地, 所以生态环境和生物群落相对稳定。园中的果树植株高大, 株行距也很宽阔。在这样的条件下, 果园杂草的数量和种类多, 生长旺盛, 生物量极大, 是果园生态的重要组成部分。果园杂草以禾本科、莎草科和菊科为主, 以禾本科杂草的数量最多, 莎草科的生长最快, 菊科的覆盖面积最广。另外, 随着时间推移和果园条件的改变, 杂草的优势种群还会不断演替3。因此, 杂草的防治是果园管理中的重点和难点。果园杂草的防治以晚春型和夏型为主, 其中的 6-8 月间杂草生长旺盛, 生物量最大, 且种子即将成熟, 是防治的关键时期。果园除草的方法主要有人工除草、机械除草
10、和化学除草4。不同果园除草方式的效率和成本存在差异, 且对果园土壤肥力的影响也不同, 因此要根据果园的土壤条件、果树年龄和杂草危害程度选择合适的除草方法5。人工除草是借助传统的简单工具, 通过人力铲除杂草。该方法操作简单, 对技术含量的要求低, 杂草去除彻底。但是, 随着社会的发展和农业技术的进步, 这一方法人工成本高和作业效率低的问题日益凸显, 已经不能作为未来的除草方式。机械除草是在农业机械化进程中发展起来的除草方式, 可以细分为机械中耕和机械割草6-9。中耕除草是利用机械翻耕浅层土壤, 从而破坏杂草根系并压埋杂草, 以达到除草的目的。该方法操作简单, 是农田和果园常用的除草方式;但会伤及
11、果树的根系, 破坏表层土壤, 造成水土流失。机械割草是用机械上高速旋转的镰刀等部件将杂草的地上部分割除, 其操作简单, 效率也较高;但杂草的去除程度不彻底。果园的地势一般都有起伏, 地形条件比农田复杂, 限制了上述两种机械除草方法的使用范围。同时, 山地果园中还存在砾石等坚硬物体, 可能会对除草机械的作业部件造成损坏。化学除草是喷洒化学除草剂以杀灭杂草, 其效率高, 成本较低, 有利于保持果园的土壤环境和微生物群落。目前, 最常用的两种除草剂是草甘膦和百草枯, 都是广谱性的除草剂。但是, 该方法也面临着一些问题和挑战, 如长期大量地使用化学除草剂会改变果园的杂草群落和生物多样性, 甚至诱发产生
12、超级杂草。另外, 广谱性的除草剂对果园树木有毒性, 粗放大面积的喷洒还会带来药液的浪费, 以及残留引起的环境和食品安全问题10。变量喷药就是针对上述问题发展起来的概念, 并进行了大量相关的研究11。变量喷药的本质是根据杂草的位置和密度, 相应地调节除草剂的喷洒时机和剂量。这是一种基于精准农业的技术, 能够提高除草效果, 同时减少除草剂用量。变量喷药的前提是识别杂草的位置、分布和密度信息, 目前常用的方法有人工识别、遥感识别和计算机视觉识别12。果园的机械除草和化学除草方法都取得了长足的进步, 但是之前关于二者结合应用的报导还较少, 主要是受到机械自主导航和杂草快速准确识别问题的限制。本文利用计
13、算机视觉技术实时识别果园杂草, 控制除草机上的喷药装置实现变量喷药, 并在不同果园中进行除草试验, 旨在为果园智能化除草提供技术支撑。1 设计原理及结构1.1 总体设计计算机视觉以计算机为核心, 通过视觉传感器采集目标图像后进行信号转换, 然后用分析软件处理各种特征量, 对处理结果做出定性分析和定量解释, 最终提取所需的目标特征信息, 并做出相应的决策。本文中视觉传感器摄取的果园图像为模拟信号, 经过转换成为数码信号后由计算机上的专业图像处理软件进行分析。每 1 帧图像覆盖的区域面积根据实际情况进行设定, 划分为 5 行6列的方格。计算机根据设定的杂草特征阈值输出各方格内的杂草密度处方图, 通
14、过处理器控制喷头在行进过程中的开闭时机和程度以实现变量喷药。1.2 设计原理除草机以经过改装的玛特斯 1YWG-13 型机械为平台, 装载的变量喷药除草系统包括计算机视觉模块和喷药控制执行模块。该机械为履带式, 尺寸为1.3m0.9m0.7m, 动力 11k W, 行进速度 1.55.6km/h。行走方式为自走式, 通过操纵遥控导航, 遥控距离 150m, 特别适合用于果园的喷药等各种农艺作业。计算机视觉模块由数码相机、A/D 转换器、核心计算机及图像分析软件组成, 喷药控制执行模块由 ARM 处理器、速度感应器、药液箱、溢流阀、调压阀、电磁阀和喷头组成, 由除草机的蓄电池提供电源。变量喷药除
15、草系统的组成如图 1 所示。图 1 变量喷药除草系统的组成 Fig.1 The structure chart of variable weed spraying system 下载原图2 系统组成2.1 图像采集处理模块计算机视觉模块中的拍摄设备为佳能 750D 型相机, 安装在机械的前部顶端, 离地高度 1.5m, 俯视角 30。相机具有光学防抖动性能, 可以拍摄最大面积为5m5m 的果园地面图像, 形成 2 420 万像素的 JEPG 格式图像。拍摄指令由计算机发出, 频率由机械的行进速度决定。A/D 转换器为 2400 型, 将 JEPG 格式图像转化为 BMP 格式后导入计算机。计算
16、机为戴尔 3900-R5938C 型台式电脑, 配置 Intel i5 中央处理器和 4G 内存, 安装的图像处理软件为 Mat Lab 工具箱, 运行速度快, 可以对图像进行快速处理。本文将对苹果园和葡萄园代表性图像的分析处理过程进行介绍。果园原始图像如图 2 所示。果园中的苗木一般成行种植, 行间距较大, 是滋生杂草的主要区域。杂草一般占据底层的生态空间, 其颜色与土壤和苗木树干的区别明显, 因此可以直接利用果树行间的颜色特征来反映杂草的分布和密度。杂草大多为绿色, 本研究选用了超绿 (2G-R-B) 模型的颜色空间来对图像进行灰度化和网格化处理。灰度化和网格化处理后的图片如图 3 所示。
17、图 2 果园原始图像 Fig.2 Original image of orchard 下载原图图 3 果园图像的灰度化和网格化 Fig.3 Graying and grid of orchard image 下载原图不同果园的光照强度各异, 因此将超绿模型变换为 HIS 模型, 对灰度图中的R、G、B 分量分别用最大类间方差法进行动态阈值分割从而消除土壤等背景, 获得杂草的二值图像;然后, 通过面积滤波法消除图像中的离散小区域, 得到果园杂草特征的二值化图像。特征提取图片如图 4 所示。图 4 果园杂草的特征提取 Fig.4 Feature extraction of orchard weed
18、 下载原图将每张图像划分为 5 行6 列的处方图, 利用各杂草绿色区域的外缘坐标计算其质新坐标, 再通过函数得到各区域内的杂草图像面积。根据所得的杂草面积, 将各区域的药液喷洒剂量设定为 5 个等级, 杂草面积的占比为010%、11%30%、31%50%、51%70%和 71%100%的区域分别对应0、1、2、3、4 级剂量, 最后生成的处方图, 如图 5 所示。计算机视觉模块获取和处理单张图片的平均耗时为 80ms, 能满足机械快速作业的要求。2.2 变量喷药控制执行模块喷药控制执行模块的速度感应器为 YS188 型霍尔元件, 安装在机械的地轮上检测运行速度, 并传给处理器。喷头安装在机械的
19、前端, 离地高度 0.4m, 共 6 个, 间距和喷洒范围可根据果树的行距调整。每个喷头对应处方图中的 1 列方格, 1 次喷洒最大可覆盖以方格中心为圆心, 半径 0.4m 的圆形面积。每个喷头由单个电磁阀单独控制, ARM 处理器采用脉冲宽度调制法, 结合机械运行速度, 控制喷头的开闭时机和程度。通过 0、25%、50%、75%、100%这 5 种占空比, 来实现 5 个等级药液剂量的喷洒。3 田间试验与结果3.1 试验设计在苹果园和葡萄园中验证除草机的喷洒效果, 选择 4 个杂草生长密度相似的行间进行除草试验, 使用广谱抗生型的除草剂草甘膦。两种果园的行距为 3m, 长度为 50m。除草剂
20、行进速度分别设置为 0.2、0.3、0.4、0.5m/s, 通过药液的喷洒量和精确率来评价变量喷药的准确性。方格内的杂草叶表面 75%以上被喷药液定义为精确喷洒, 其占所有方格的比例为喷洒的精确率。图 5 果园杂草信息的处方图 Fig.5 Prescription map of weed in orchard 下载原图3.2 试验结果和分析苹果园的杂草较为繁茂, 密度大, 因此药液的喷洒量比葡萄园多, 精确率较低。随着除草机运行速度的增加, 喷洒量和精确率均下降, 这说明药液的浪费和残留减少, 但除草效果受到影响。综合考虑药液的使用效率和除草效率, 则苹果园和葡萄园对应的最佳除草机运行速度分别
21、为 0.3m/s 和 0.4m/s。具体试验结果如表 1 所示。表 1 除草系统的喷洒效果 Table 1 Spray effect of the weeding system 下载原表 4 结论利用计算机视觉获取果园杂草的分布和密度信息, 通过处理器控制执行装置进行变量喷药, 实现了果园机械除草和化学除草方式的结合。计算机视觉模块对苹果园和葡萄园单张图像的处理时间为 80ms, 除草机最佳的作业速度为 0.3m/s和 0.4m/s, 具有较高的除草效果和效率, 在果园生产中有应用潜力。本文仅将除草机在苹果园和葡萄园中进行了试验, 而在其它种类果园中对不同自然环境和杂草种类的适应性还须进一步验
22、证。果园杂草种类复杂, 生命力强, 依靠单一的机械或化学除草方法难以达到理想的防治效果。因此, 应该根据各种果园及其杂草的具体情况, 选择合适的除草方式, 并适当地结合人工除草、生物天敌和以草控草等措施, 实现对果园杂草的综合治理。参考文献1崔萍.果园杂草防治技术J.宁夏农林科技, 2010 (6) :160. 2姚和金.浙西南丘陵地柑桔园杂草种群消长动态及化学防治技术研究D.杭州:浙江大学, 2007. 3赵彦杰.北方果园常见杂草种类及其防除对策J.安徽农业科学, 2006, 34 (7) :1915-1916. 4张改运.果园不同控草除草方法及其利弊分析J.西北园艺, 2014 (1) :
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