專利名稱：農(nóng)藥精確對(duì)靶施用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種精確對(duì)靶施用農(nóng)藥的方法，其能夠基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)實(shí)時(shí)采集樹(shù)木目標(biāo)視頻圖像，通過(guò)目標(biāo)樹(shù)木圖像處理和特征識(shí)別，提取樹(shù)木目標(biāo)特征，識(shí)別樹(shù)木目標(biāo)區(qū)域及其分布，然后通過(guò)噴霧決策控制噴頭實(shí)現(xiàn)對(duì)靶施用農(nóng)藥。
背景技術(shù)：
化學(xué)農(nóng)藥已為全球范圍的綠色革命提供了強(qiáng)有力的保證，并在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，化學(xué)農(nóng)藥依然是害蟲(chóng)種群管理上最有力和最可靠的武器，能迅速有效地控制猖獗的害蟲(chóng)種群。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在病蟲(chóng)害防治工作中農(nóng)藥所起的作用達(dá)70～80％，而選用抗病蟲(chóng)品種、生物防治、物理防治等所挽回的損失只占20～30％。因此全球的農(nóng)藥銷售額迅速增長(zhǎng)，從1960年至1995年，殺蟲(chóng)劑增加了26倍，殺菌劑增加了17倍，除草劑增加了74倍，其他種類的農(nóng)藥(如植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑)增加了113倍，(劉舜堯.1996)，目前還在進(jìn)一步增加。
從生態(tài)學(xué)觀點(diǎn)來(lái)看，常規(guī)的農(nóng)藥使用方法，施用中噴撒出去的農(nóng)藥只有極少部分能達(dá)到要防治的靶標(biāo)上，大部分農(nóng)藥都是無(wú)效的，流失非常嚴(yán)重(袁會(huì)珠等，1998)，Metcalf做了個(gè)估算，采用普通方法噴施農(nóng)藥，只有25-50％的農(nóng)藥沉積在植物目標(biāo)上，直接降落在目標(biāo)害蟲(chóng)上的農(nóng)藥量?jī)H在1％以內(nèi)，只有不足0.03％的藥劑能起到殺蟲(chóng)作用，其余的50-70％的農(nóng)藥，則以揮發(fā)、漂移等形式而散失。顯然使用農(nóng)藥所造成的污染是除煙塵和廢水外的另一重要污染源，農(nóng)藥使用伴隨著生態(tài)平衡破壞、農(nóng)藥殘留、害物抗藥性、人畜中毒以及低效使用等一系列弊端。
因而，眾多學(xué)者都認(rèn)為“化學(xué)農(nóng)藥是高效的，但使用手段卻是低效率的”。英國(guó)學(xué)者Brown更是告誡農(nóng)藥使用者“使用農(nóng)藥要像武士手中的利劍，而不應(yīng)像農(nóng)夫手中良莠不分的鐮”。但是由于存在使用技術(shù)等問(wèn)題，加之人們?cè)谑褂棉r(nóng)藥的過(guò)程中只重視其有利的一面，而忽視其有害的一面，過(guò)量使用農(nóng)藥，不可避免地導(dǎo)致了“3R”(即殘留residue，害物再猖獗resurgence和害物的抗藥性resistance)，甚至影響整個(gè)農(nóng)林生態(tài)系統(tǒng)。1987年據(jù)世界衛(wèi)生組織和聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署的不完全統(tǒng)計(jì)，全世界每年發(fā)生300萬(wàn)起農(nóng)藥中毒事故。根據(jù)國(guó)際勞動(dòng)組織在其1994年“世界勞動(dòng)報(bào)告”中估計(jì)，每年農(nóng)藥中毒人數(shù)達(dá)500萬(wàn)，死亡人數(shù)4萬(wàn)，其中99％發(fā)生在發(fā)展中國(guó)家(龍惠珍，陸貽通.1997)。據(jù)“Pesticide Action Network”(農(nóng)藥行動(dòng)網(wǎng))1998年8月報(bào)道，尼日利亞的一個(gè)州因農(nóng)藥使用不當(dāng)造成六十萬(wàn)家庭受到農(nóng)藥的危險(xiǎn)。幾十年來(lái)，我國(guó)農(nóng)藥使用非常粗放，普遍人工控制農(nóng)藥使用，因而農(nóng)藥殘留、飲用水污染和農(nóng)藥?kù)F滴漂移已引起了公眾的普遍關(guān)注，環(huán)境保護(hù)是我國(guó)的基本國(guó)策，也是21世紀(jì)全球最為關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。
因此我國(guó)繼1982年頒布《農(nóng)藥登記規(guī)定》和《農(nóng)藥安全使用規(guī)定》后，1997年5月8日又頒布了《中華人民共和國(guó)農(nóng)藥管理?xiàng)l例》，對(duì)農(nóng)藥的登記、生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)、使用以及監(jiān)督管理、處罰都做了明確規(guī)定，特別是隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城鎮(zhèn)化的擴(kuò)大，農(nóng)林生產(chǎn)勞動(dòng)力的比重必然將明顯下降(1990年世界農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力占社會(huì)總勞動(dòng)力的比重由1970年的55％下降到46.6％，如美國(guó)由4.3％下降到2.3％，中國(guó)由80.8％下降到60.2％)。因此靠人工控制農(nóng)藥使用的方法存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、成本高和污染環(huán)境等問(wèn)題，高效率的精確農(nóng)藥使用方法是科技發(fā)展和人們生活提高的必然，也是全球農(nóng)藥使用技術(shù)研究發(fā)展的主要目標(biāo)。
定點(diǎn)雜草管理是基于IPM(Integrated Pest Management)的一種新的雜草控制技術(shù)(Lindquist，et al，1998)，要實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)雜草管理，需要開(kāi)發(fā)用于檢測(cè)和估計(jì)田間雜草分布的自動(dòng)化系統(tǒng)。這有兩種方法，一是基于實(shí)時(shí)傳感器的可變量或間歇式的除草劑使用系統(tǒng)，二是基于地理信息系統(tǒng)(GISGeographic Information Systems)的可變量除草劑使用系統(tǒng)。基于地理信息系統(tǒng)的方法為歷史的方法，需要包括雜草尺寸和位置數(shù)據(jù)庫(kù)的生成。這一數(shù)據(jù)庫(kù)將由GIS來(lái)管理并生成處理圖(MAP)而控制選擇性噴霧機(jī)。這一方法假設(shè)雜草尺寸是靜態(tài)而不是動(dòng)態(tài)的。此方法的優(yōu)點(diǎn)是允許識(shí)別雜草方法的方便性，象遙感或機(jī)載傳感器均可用于該數(shù)據(jù)庫(kù)的形成。這一方法的缺點(diǎn)有首先噴霧機(jī)只能在全球定位系統(tǒng)(Global PositioningSystem)接收器的準(zhǔn)確范圍內(nèi)才可以在田間準(zhǔn)確定位；第二，形成雜草圖的成本增加，包括專門(mén)為采集圖像而進(jìn)行遙感等以及形成雜草圖所必需的數(shù)據(jù)處理；第三，由于傳感器應(yīng)用是不同時(shí)的操作過(guò)程，這一方法假定雜草尺寸和位置是穩(wěn)定的，而實(shí)際上某些雜草在不同年份上確實(shí)是穩(wěn)定的，但有些雜草的尺寸和密度每年都在變化(Mortensen et al，1998)。因此美國(guó)伊利諾依大學(xué)(University of Illinois at Urbana-Champaign)農(nóng)業(yè)工程系針對(duì)雜草防治，提出基于實(shí)時(shí)傳感器的智能噴霧機(jī)概念，但仍在探索之中(Tian，Reid，Hummel，1999和Gopalapillai，Tian，Zheng，1999)。智能噴霧機(jī)應(yīng)用機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)來(lái)采集和計(jì)算雜草特征，根據(jù)這些特征來(lái)進(jìn)行應(yīng)用量決策，然后利用這些決策來(lái)使每個(gè)噴霧噴頭執(zhí)行開(kāi)或閉的動(dòng)作，或使每個(gè)噴頭改變應(yīng)用量。大量研究人員開(kāi)展了利用機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)在可控光條件下植物識(shí)別研究(Zhang and Chaisattapagon，1995和Guyer，et al，1993等等)，但對(duì)于進(jìn)行實(shí)時(shí)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)識(shí)別雜草的研究極少，更無(wú)人利用實(shí)時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行樹(shù)木特征圖像采集與處理和特征提取的。實(shí)時(shí)計(jì)算必須在一定的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生正確的結(jié)果。正確的計(jì)算不僅依賴于計(jì)算邏輯的正確性，同時(shí)也依賴于產(chǎn)生結(jié)果的時(shí)間的正確性，另外需要解決自然光條件下的樹(shù)木圖像采集和處理，即需要建立一套適應(yīng)環(huán)境變化的圖像分割算法。
目前在樹(shù)木病蟲(chóng)害防治過(guò)程中，假定農(nóng)藥施用系統(tǒng)經(jīng)過(guò)的區(qū)域沒(méi)有個(gè)體區(qū)別，不管有無(wú)施藥目標(biāo)均采用均勻全面施藥。而實(shí)際情況是樹(shù)與樹(shù)之間具有一定的株距以及不同的樹(shù)種有不同的樹(shù)冠形態(tài)，如果采用恒定的使用量施藥就會(huì)造成非靶標(biāo)沉積。這不同于農(nóng)業(yè)病蟲(chóng)害防治，農(nóng)作物的行非常規(guī)則，大部分農(nóng)業(yè)上的株距小到可以認(rèn)為是連續(xù)的行。因此在雜草防治中，可以利用圖像處理簡(jiǎn)單地將作物行設(shè)定為非噴霧目標(biāo)，但對(duì)于林木化學(xué)保護(hù)則不能如此簡(jiǎn)單處理，而應(yīng)充分考慮樹(shù)間間隔和樹(shù)冠形態(tài)，因?yàn)闃?shù)間間隔較大且每一樹(shù)的樹(shù)冠個(gè)體差異較大。
本發(fā)明對(duì)于趕超發(fā)達(dá)國(guó)家先進(jìn)技術(shù)，對(duì)病蟲(chóng)害防治技術(shù)從靜態(tài)恒定向動(dòng)態(tài)變量發(fā)展、從全面單一均勻使用轉(zhuǎn)向?qū)Π羞x擇性使用農(nóng)藥具有非常積極的作用，可望減少農(nóng)藥使用量(特別對(duì)于如微膠囊劑等高成本農(nóng)藥和生物農(nóng)藥)、提高農(nóng)藥使用效果和減輕農(nóng)藥環(huán)境污染，促進(jìn)林業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化和實(shí)現(xiàn)森林資源的可持續(xù)發(fā)展。本發(fā)明的目的是提供一種農(nóng)藥精確對(duì)靶施用方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為在自然環(huán)境中基于實(shí)時(shí)視覺(jué)傳感技術(shù)的農(nóng)藥精確對(duì)靶施用方法，建立一套算法用于目標(biāo)樹(shù)木圖像采集、處理和特征識(shí)別，并以此為依據(jù)做出決策控制噴霧實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥的精確對(duì)靶施用。該方法涵蓋施藥過(guò)程中的目標(biāo)樹(shù)木圖像采集、圖像分割與特征識(shí)別、噴霧控制等主要技術(shù)要點(diǎn)，以此方法設(shè)計(jì)的農(nóng)藥精確對(duì)靶噴霧系統(tǒng)可應(yīng)用于城市和公路行道樹(shù)、防護(hù)林、風(fēng)景園林、觀賞植物、果園果樹(shù)、設(shè)施農(nóng)業(yè)和航空森林病蟲(chóng)害防治工作，提高農(nóng)藥使用效率，從而改善我國(guó)農(nóng)林病蟲(chóng)害防治中的施藥技術(shù)和施藥器械，實(shí)現(xiàn)我國(guó)農(nóng)林病蟲(chóng)害防治的農(nóng)藥使用技術(shù)的現(xiàn)代化和自動(dòng)化，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和農(nóng)林可持續(xù)發(fā)展。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種農(nóng)藥精確對(duì)靶施用方法中連續(xù)樹(shù)木目標(biāo)圖像采集方法，即從視頻流中提取特定的關(guān)鍵幀完成單幅圖像或連續(xù)圖像的采集的方法。
本發(fā)明的第二個(gè)目的是將所提供的單幀圖像或圖像序列進(jìn)行處理，經(jīng)圖像分割算法識(shí)別樹(shù)木目標(biāo)特征的方法。
本發(fā)明的第三個(gè)目的是就識(shí)別出的樹(shù)木目標(biāo)區(qū)域，確定施藥量閾值范圍，指導(dǎo)形成噴霧控制策略的方法。
本發(fā)明的第四個(gè)目的是根據(jù)噴霧控制策略和噴霧機(jī)具運(yùn)行參數(shù)等控制噴頭實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥對(duì)靶噴霧的方法。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明將整個(gè)農(nóng)藥精確對(duì)靶施用系統(tǒng)分為三個(gè)子系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)又包括若干個(gè)模塊，每個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)特定的功能或任務(wù)，最后再將這些模塊通過(guò)特定的硬件和軟件接口連接起來(lái)，組成一個(gè)完整協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。本發(fā)明包括計(jì)算機(jī)控制的實(shí)時(shí)目標(biāo)圖像采集方法、目標(biāo)特征圖像處理方法、農(nóng)藥噴霧控制方法等。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的計(jì)算機(jī)控制的實(shí)時(shí)目標(biāo)圖像采集系統(tǒng)利用CCD攝像頭、圖像采集卡獲取目標(biāo)樹(shù)冠形態(tài)圖像，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)樹(shù)木圖像的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采集與傳輸，采集到的目標(biāo)樹(shù)木圖像經(jīng)圖像采集卡以視頻流(圖像序列)或單幀形式存儲(chǔ)。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明通過(guò)樹(shù)間和樹(shù)形特征提取，用設(shè)計(jì)的圖像處理程序獲得目標(biāo)樹(shù)木的幾何特征信息，完成圖像的特征識(shí)別功能。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明根據(jù)不同目標(biāo)樹(shù)種的生長(zhǎng)特征和栽植密度以及樹(shù)冠形態(tài)圖像處理結(jié)果，設(shè)計(jì)噴霧決策算法生成噴霧控制策略。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明通過(guò)特定的接口電路實(shí)現(xiàn)信息交換，以圖像處理的結(jié)果作為參數(shù)發(fā)出計(jì)算機(jī)指令，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換來(lái)控制噴頭實(shí)現(xiàn)智能噴霧和農(nóng)藥的精確對(duì)靶施用。


本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)、目的和特征將在下面的說(shuō)明中變得更加明顯。通過(guò)下面的詳細(xì)說(shuō)明和附圖可以更好地理解本發(fā)明，附圖只是用于說(shuō)明性目的，并不限制本發(fā)明的范圍。
圖1為均勻全面噴霧和農(nóng)藥精確對(duì)靶使用的效果對(duì)比情況。圖1(a)為不管目標(biāo)樹(shù)木與非目標(biāo)的分布狀況，采用均勻恒定的施藥量，這時(shí)對(duì)左邊高病蟲(chóng)危害分布的區(qū)域，則病蟲(chóng)得不到有效控制，而在右邊低病蟲(chóng)危害分布區(qū)域，則所施用的農(nóng)藥可能會(huì)引起潛在的非目標(biāo)損傷及環(huán)境污染，最終導(dǎo)致低水平的林木產(chǎn)出。對(duì)于與圖1(a)中同樣的病蟲(chóng)危害分布，如果根據(jù)危害分布特征，采用對(duì)靶噴霧技術(shù)，即在高危害分布區(qū)域加大施藥量，而在低危害分布區(qū)域減小施藥量，如圖1(b)所示，即根據(jù)可變量施藥曲線，重新調(diào)整農(nóng)藥的使用策略。與均勻恒定施藥相比較，精確對(duì)靶使用農(nóng)藥，可以有效控制病蟲(chóng)害，節(jié)約農(nóng)藥使用量，減小甚至杜絕潛在的非目標(biāo)損傷，從而減輕環(huán)境污染和提高林木產(chǎn)出水平。
圖2是表示本發(fā)明的總體系統(tǒng)方案，系統(tǒng)利用CCD攝像頭、圖像采集卡進(jìn)行視頻捕獲，獲取樹(shù)冠形態(tài)圖像，實(shí)現(xiàn)對(duì)樹(shù)木圖像的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采集與傳輸，采集到的樹(shù)木圖像經(jīng)圖像采集卡以視頻流(圖像序列)或單幀形式存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)主存供后續(xù)圖像處理用，經(jīng)圖像處理程序，通過(guò)樹(shù)間和樹(shù)形特征提取，獲得樹(shù)木的幾何特征(如邊緣、重心、周長(zhǎng)、高度比、深度等)信息，完成樹(shù)木圖像的特征識(shí)別功能，結(jié)合有關(guān)實(shí)時(shí)傳感信息和攝像機(jī)參數(shù)從目標(biāo)樹(shù)木的圖像信息中恢復(fù)出樹(shù)木的真實(shí)信息，并形成實(shí)時(shí)噴霧控制策略。本發(fā)明所設(shè)計(jì)農(nóng)藥噴霧控制系統(tǒng)通過(guò)特定的接口電路實(shí)現(xiàn)控制信息發(fā)送與接收模塊、控制信息解釋模塊和噴霧指令發(fā)送模塊等信息交換，引用其決策結(jié)果對(duì)噴霧系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，以圖像處理的結(jié)果作為參數(shù)發(fā)出計(jì)算機(jī)指令，通過(guò)A/D、D/A轉(zhuǎn)換電路來(lái)控制噴頭實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥的精確對(duì)靶噴霧。
圖3是表示根據(jù)本發(fā)明的樹(shù)木圖像采集與特征識(shí)別流程圖，本發(fā)明設(shè)計(jì)關(guān)鍵幀提取功能來(lái)完成單幅圖像或連續(xù)圖像的采集，并在采集過(guò)程中實(shí)時(shí)地從連續(xù)視頻中提取單幀圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。再將處理過(guò)的圖像中綠色(G)通道分離出來(lái)進(jìn)行圖像分割、邊緣提取、特征識(shí)別后，結(jié)合攝像機(jī)標(biāo)定參數(shù)，還原樹(shù)木目標(biāo)真實(shí)信息，進(jìn)而形成噴霧決策輸出信息。
(1)圖像預(yù)處理。由于在自然光條件下，有時(shí)光線照度不理想，進(jìn)行預(yù)處理的目的是使得圖像清晰。預(yù)處理包括對(duì)圖像進(jìn)行亮度、對(duì)比度調(diào)整和平滑濾波。亮度和對(duì)比度的調(diào)整可以使得圖像特征明顯，易于識(shí)別。采用平滑算法在假定加性噪聲是隨機(jī)獨(dú)立分布條件下，將原圖像的每一個(gè)像素都由其相鄰的3×3個(gè)像素的平均值來(lái)代替，去掉尖銳不連續(xù)的噪聲。
(2)RGB表示轉(zhuǎn)換為色度表示。采集得到的原始圖像的彩色信息是由RGB色彩空間表示的。RGB顏色系統(tǒng)中R、G、B三個(gè)分量共同包含了圖像的色度和明度成分，本發(fā)明用下式實(shí)現(xiàn)RGB圖像中色度和明度的分離，得到色度圖像，這樣可以去除因?yàn)榱炼茸兓瘜?duì)色彩分析造成的影響。
式中r，g，b表示色度。
(3)提取綠色(G)通道圖像。由于樹(shù)木的色彩大多為綠色基調(diào)，G分量相對(duì)較大，而R、B分量相對(duì)較小。本發(fā)明分析發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)上述處理的圖像中其綠色通道圖像的直方圖，具有明顯的雙峰特性，可以有效地進(jìn)行圖像分割。因此我們只將綠色通道的圖像提取出來(lái)，供后期處理。
(4)圖像分割。為了排除隨機(jī)噪聲的干擾，對(duì)經(jīng)過(guò)上述處理的圖像進(jìn)行中值濾波，即將圖像中3×3鄰域中的像素按灰度級(jí)排序，取其中間值為輸出像素，抑制隨機(jī)噪聲的同時(shí)不使邊緣模糊。本發(fā)明采用一種迭代求圖像最佳分割閾值的算法，將樹(shù)木和背景分離開(kāi)來(lái)成為兩類區(qū)域的二值圖像。其算法步驟如下1)求出樹(shù)木圖像中的最小和最大灰度值Z1和ZK，令閾值初值為T(mén)0=Z1+ZK2]]>2)根據(jù)閾值TK將圖像分割成樹(shù)木目標(biāo)和背景兩部分，求出兩部分的平均灰度值ZO和ZBZO=ΣZ(i,j)<TkZ(i,j)×N(i,j)ΣZ(i,j)<TkN(i,j)]]>ZB=ΣZ(i,j)>TkZ(i,j)×N(i,j)ΣZ(i,j)>TkN(i,j)]]>式中Z(i，j)是圖像上(i，j)點(diǎn)的灰度值，N(i，j)是(i，j)點(diǎn)的權(quán)重系數(shù)，通常N(i，j)＝1。
3)求出新的閾值Tk+1=ZO+ZB2]]>
4)如果TK＝TK+1，則結(jié)束迭代，否則K←K+1，轉(zhuǎn)到步驟2)。
(5)邊緣提取。樹(shù)木邊緣是樹(shù)木圖像局部特征不連續(xù)性的反映，它能夠勾畫(huà)出樹(shù)木目標(biāo)，可能標(biāo)志著一棵樹(shù)木區(qū)域的結(jié)束另一棵樹(shù)木區(qū)域的開(kāi)始。采用邊緣檢測(cè)算子，提取出樹(shù)木的邊緣，以確定樹(shù)木的位置。
(6)特征提取。特征參數(shù)主要反映樹(shù)木目標(biāo)對(duì)象特征，本發(fā)明用樹(shù)冠形態(tài)作為特征參數(shù)，如周長(zhǎng)、面積、高寬比、重心、形狀復(fù)雜度和深度等。
(7)攝像機(jī)參數(shù)標(biāo)定。內(nèi)部參數(shù)由攝像機(jī)生產(chǎn)廠家提供，而通過(guò)位置空間已知的點(diǎn)進(jìn)行攝像，得出該點(diǎn)在所攝圖像中圖像坐標(biāo)，然后通過(guò)成像幾何關(guān)系就得到外部參數(shù)。
(8)還原樹(shù)木目標(biāo)真實(shí)信息。樹(shù)木目標(biāo)圖像和樹(shù)木目標(biāo)本身在形狀上相似，而在位置上存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，本發(fā)明利用樹(shù)木目標(biāo)圖像信息和目標(biāo)到攝像機(jī)的距離，利用成像幾何關(guān)系還原樹(shù)木真實(shí)信息，如目標(biāo)的投影周長(zhǎng)、面積、重心位置等，這些信息即為噴霧決策控制的依據(jù)。
圖4為噴頭控制原理圖。將噴霧決策結(jié)果解釋成噴頭控制信號(hào)后，將控制信號(hào)通過(guò)其I/O口發(fā)送出去。根據(jù)電平高低，控制對(duì)應(yīng)的電磁閥改變噴霧流量，噴頭按要求流量噴霧。
圖5是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，具體說(shuō)明見(jiàn)具體實(shí)施方式
。
具體實(shí)施例方式
在根據(jù)本發(fā)明的農(nóng)藥精確對(duì)靶施用系統(tǒng)中，根據(jù)實(shí)際農(nóng)藥噴霧目標(biāo)，利用本發(fā)明的方法實(shí)時(shí)地采集目標(biāo)圖像并經(jīng)過(guò)處理，識(shí)別樹(shù)木目標(biāo)控制噴頭實(shí)現(xiàn)對(duì)靶噴霧。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例為基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的林木病蟲(chóng)害防治農(nóng)藥自動(dòng)噴霧系統(tǒng)實(shí)施示例(圖5)。根據(jù)不同樹(shù)種的生長(zhǎng)特征和栽植密度以及樹(shù)冠形態(tài)圖像處理結(jié)果，由計(jì)算機(jī)控制進(jìn)行實(shí)時(shí)精確對(duì)靶施藥。系統(tǒng)包括實(shí)時(shí)樹(shù)木特征圖像采集系統(tǒng)、圖像處理和特征識(shí)別系統(tǒng)和農(nóng)藥噴霧控制系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)在自然光條件下的樹(shù)木圖像(農(nóng)藥施用系統(tǒng)實(shí)際作業(yè)時(shí))的采集和處理，采用適應(yīng)環(huán)境變化的樹(shù)木特征識(shí)別算法進(jìn)行樹(shù)形圖像分割、施藥量決策支持系統(tǒng)和農(nóng)藥噴頭噴霧策略，對(duì)噴頭的施藥量進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥實(shí)時(shí)精確對(duì)靶施用。由于樹(shù)木目標(biāo)圖像處理需要一定時(shí)間的運(yùn)算過(guò)程，而且由于目標(biāo)的不同，運(yùn)算時(shí)間的長(zhǎng)短也會(huì)有所區(qū)別。因此在利用本發(fā)明進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)噴霧機(jī)地面速度，通過(guò)協(xié)調(diào)運(yùn)行時(shí)間，來(lái)補(bǔ)償圖像處理運(yùn)算所消耗的時(shí)間，達(dá)到圖像處理和噴霧工作在系統(tǒng)中的集成與協(xié)同。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例為航空森林病蟲(chóng)害防治，可以通過(guò)紅外攝像機(jī)，采集大面積森林圖像，通過(guò)目標(biāo)圖像處理，根據(jù)發(fā)生病蟲(chóng)害后的目標(biāo)特征差異，分割受病蟲(chóng)害區(qū)域，然后形成噴霧策略，實(shí)施精確對(duì)靶噴霧。
盡管已經(jīng)出于例示性目的說(shuō)明了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解在不偏離所附權(quán)利要求中提出本發(fā)明的范圍和精神的情況下，可以有各種修改添加和替換。
權(quán)利要求
1.為了在城市和公路行道樹(shù)、防護(hù)林、風(fēng)景園林、觀賞植物、果園果樹(shù)、設(shè)施農(nóng)業(yè)和航空森林病蟲(chóng)害防治工作中，提高農(nóng)藥使用效率，促進(jìn)農(nóng)林病蟲(chóng)害防治的農(nóng)藥使用技術(shù)現(xiàn)代化和自動(dòng)化，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和農(nóng)林可持續(xù)發(fā)展，需要設(shè)計(jì)農(nóng)藥精確對(duì)靶噴霧系統(tǒng)的方法，就是要在自然環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)基于實(shí)時(shí)視覺(jué)傳感技術(shù)的目標(biāo)樹(shù)木圖像采集、圖像分割與特征識(shí)別方法，并以此為依據(jù)做出噴霧控制決策實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥精確對(duì)靶施用的方法。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中農(nóng)藥精確對(duì)靶噴霧系統(tǒng)的總體方案包括計(jì)算機(jī)控制的實(shí)時(shí)目標(biāo)圖像采集系統(tǒng)、目標(biāo)特征圖像處理系統(tǒng)、農(nóng)藥噴霧控制系統(tǒng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其中實(shí)時(shí)目標(biāo)圖像采集系統(tǒng)包括CCD攝像頭、圖像采集卡等，設(shè)計(jì)關(guān)鍵幀提取功能進(jìn)行視頻捕獲，獲取樹(shù)冠形態(tài)圖像，實(shí)現(xiàn)對(duì)樹(shù)木圖像的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采集與傳輸，采集到的樹(shù)木圖像經(jīng)圖像采集卡以視頻流(圖像序列)或單幀形式存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)主存供后續(xù)圖像處理用。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其中樹(shù)木目標(biāo)特征圖像處理包括以下步驟圖像預(yù)處理；RGB表示轉(zhuǎn)換為色度表示；提取綠色(G)通道圖像；圖像分割；邊緣提??；特征提??；攝像機(jī)參數(shù)標(biāo)定；還原樹(shù)木目標(biāo)真實(shí)信息。
5.根據(jù)權(quán)利要求4，在自然光條件下，樹(shù)木圖像預(yù)處理包括對(duì)圖像進(jìn)行亮度和對(duì)比度的調(diào)整以使圖像特征明顯，易于識(shí)別；采用平滑算法在假定加性噪聲是隨機(jī)獨(dú)立分布條件下，將原圖像的每一個(gè)像素都由其相鄰的3×3個(gè)像素的平均值來(lái)代替，去掉尖銳不連續(xù)的噪聲。
6.根據(jù)權(quán)利要求4，利用綠色目標(biāo)樹(shù)木圖像的G分量相對(duì)較大，而R、B分量相對(duì)較小，以及樹(shù)木圖像中綠色通道圖像直方圖的雙峰特性，將綠色通道的圖像提取出來(lái)，供后期處理。
7.根據(jù)權(quán)利要求4，對(duì)經(jīng)過(guò)上述處理的圖像進(jìn)行中值濾波，即將圖像中3×3鄰域中的像素按灰度級(jí)排序，取其中間值為輸出像素，抑制隨機(jī)噪聲的同時(shí)不使邊緣模糊。本發(fā)明采用一種迭代求圖像最佳分割閾值的算法，將樹(shù)木和背景分離開(kāi)來(lái)成為兩類區(qū)域的二值圖像。其算法步驟如下1)求出樹(shù)木圖像中的最小和最大灰度值Z1和ZK，令閾值初值為T(mén)0=Z1+ZK2]]>2)根據(jù)閾值TK將圖像分割成樹(shù)木目標(biāo)和背景兩部分，求出兩部分的平均灰度值ZO和ZBZO=ΣZ(i,j)<TkZ(i,j)×N(i,j)ΣZ(i,j)<TkN(i,j)]]>ZB=ΣZ(i,j)>TkZ(i,j)×N(i,j)ΣZ(i,j)>TkN(i,j)]]>式中Z(i，j)是圖像上(i，j)點(diǎn)的灰度值，N(i，j)是(i，j)點(diǎn)的權(quán)重系數(shù)，通常N(i，j)＝1。3)求出新的閾值Tk+1=ZO+ZB2]]>4)如果TK＝TK+1，則結(jié)束迭代，否則K←K+1，轉(zhuǎn)到步驟2)。
8.根據(jù)權(quán)利要求4，采用邊緣檢測(cè)算子，提取出樹(shù)木的邊緣，以確定樹(shù)木的位置。
9.根據(jù)權(quán)利要求4，本發(fā)明用樹(shù)冠形態(tài)作為特征參數(shù)反映樹(shù)木目標(biāo)對(duì)象特征，如周長(zhǎng)、面積、高寬比、重心、形狀復(fù)雜度和深度等。
10.根據(jù)權(quán)利要求4，通過(guò)位置空間已知的點(diǎn)進(jìn)行攝像，得出該點(diǎn)在所攝圖像中圖像坐標(biāo)，然后通過(guò)成像幾何關(guān)系就得到外部參數(shù)，而內(nèi)部參數(shù)由攝像機(jī)生產(chǎn)廠家提供。
11.根據(jù)權(quán)利要求4，本發(fā)明利用樹(shù)木目標(biāo)圖像信息和目標(biāo)到攝像機(jī)的距離，利用成像幾何關(guān)系還原樹(shù)木真實(shí)信息，如目標(biāo)的投影周長(zhǎng)、面積、重心位置等，這些信息即為噴霧決策控制的依據(jù)。
12.根據(jù)權(quán)利要求2的系統(tǒng)，結(jié)合有關(guān)實(shí)時(shí)傳感器信息和樹(shù)木的真實(shí)信息，形成實(shí)時(shí)噴霧控制策略。
13.根據(jù)權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其中農(nóng)藥噴霧控制系統(tǒng)通過(guò)接口電路實(shí)現(xiàn)控制信息發(fā)送與接收模塊、控制信息解釋模塊和噴霧指令發(fā)送模塊等信息交換，引用其決策結(jié)果對(duì)噴霧系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，以樹(shù)木圖像處理的結(jié)果作為參數(shù)發(fā)出指令，通過(guò)A/D、D/A轉(zhuǎn)換電路控制噴頭實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥的精確對(duì)靶噴霧。
14.根據(jù)權(quán)利要求2的系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)噴霧機(jī)地面速度，通過(guò)協(xié)調(diào)運(yùn)行時(shí)間，補(bǔ)償圖像處理運(yùn)算所消耗的時(shí)間，達(dá)到樹(shù)木圖像處理和噴霧工作在系統(tǒng)中的集成與協(xié)同。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)采用樹(shù)木圖像特征實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥精確對(duì)靶施用的農(nóng)藥精確對(duì)靶施用方法，包括樹(shù)木圖像采集、圖像處理與特征識(shí)別和噴霧控制系統(tǒng)，利用CCD、圖像采集卡捕獲樹(shù)木形態(tài)視頻流，通過(guò)圖像處理程序獲取樹(shù)間和樹(shù)形特征，結(jié)合實(shí)時(shí)傳感信息和攝像機(jī)參數(shù)從樹(shù)木圖像信息中恢復(fù)樹(shù)木真實(shí)信息，并形成實(shí)時(shí)噴霧控制策略，通過(guò)特定接口電路實(shí)現(xiàn)信息交換，對(duì)噴霧系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，通過(guò)A/D、D/A轉(zhuǎn)換電路來(lái)控制噴頭實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥的精確對(duì)靶噴霧。該方法涵蓋精確施藥主要技術(shù)，以此方法設(shè)計(jì)農(nóng)藥精確對(duì)靶噴霧系統(tǒng)可應(yīng)用于城市和公路行道樹(shù)、防護(hù)林、風(fēng)景園林、果樹(shù)、設(shè)施農(nóng)業(yè)和航空森林病蟲(chóng)害防治，以改善病蟲(chóng)害防治施藥技術(shù)和器械，促進(jìn)農(nóng)林可持續(xù)發(fā)展。
文檔編號(hào)B05B15/00GK1628513SQ20031011266
公開(kāi)日2005年6月22日 申請(qǐng)日期2003年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月18日
發(fā)明者鄭加強(qiáng), 周宏平, 向海濤, 葛玉峰 申請(qǐng)人:南京林業(yè)大學(xué)