計算機視覺技術在農機自動化上的應用與優勢分析

董美榮

摘 要： 農機自動化技術為農業生產的高效率運行提供了保障，為進一步提高農業機械對環境的感知能力，近年來對計算機視覺技術在農機自動化上的研究和應用逐漸增多。因此，結合計算機視覺技術的特點，分析了視覺技術在農業機械中的應用方向，并強調了在農機裝備上應用計算機視覺技術的顯著優勢。

關鍵詞： 計算機;視覺技術;農機自動化;應用;優勢

中圖分類號： S220? ? ? ? ?文獻標識碼： A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.10.014

0 引言

農業機械的自動化是農機技術發展的必經之路，近年來在傳統農機技術的基礎上，農業機械的自動化程度得到了顯著的提升，為很多新功能的研發與實施奠定了基礎。將計算機視覺技術與現代化的農機自動化技術進行結合，有利于進一步提升農業機械的自動化和智能化程度，使農業機械更好地代替人力進行生產勞動。隨著相關研究的深入，視覺技術結合計算機技術、圖形處理技術，能夠完成農田的作物采摘、分選等多種工作，并具備良好的可靠性和精準度特點。

1 計算機視覺技術簡介

計算機視覺技術是一種新興的技術，廣泛應用在自動制造和機器人領域，其結合了機械技術、計算機技術、圖像技術、光學技術、傳感器技術等眾多先進技術，并通過多種技術的結合實現替代人的視覺功能的效果。視覺技術工作時，首先通過傳感器接收透鏡獲得的影像信息，再經過成像技術對獲得的影像進行處理，將所需要的重要影像特點信息進行提取并將其輸出給處理器，實現對外界圖像信息的實時反饋。視覺技術的研究發展經歷了一維成像視覺技術、二維成像視覺技術和三維成像視覺技術三個階段，現階段的三維成像技術不僅能識別形狀、顏色等信息，還能實現位置關系的獲取，準確度更高。

視覺技術系統主要由光源照明、攝像機和圖像采集卡組成圖像的獲取功能部件，能夠實現對圖像信息的獲取和相關數據的轉化，然后通過對獲得數據的分析和對圖像進行邊緣銳化、平滑、分割、特征抽取等處理，實現對圖像的處理和進一步數據傳輸，以供機器執行后續動作。

2 視覺技術在農業機械中的應用

2.1 視覺技術在農機導航上的應用

計算機視覺技術在農業機械導航上的應用主要包括三大方面：一是對農業機械行駛路線的分析與狀態獲取。現階段，在傳統的衛星導航技術之上，為進一步提高農業機械自動作業時導航的準確性，常將計算機視覺技術與GPS導航技術進行結合應用。無論是農田還是果園，在機械化生產下衛星導航預設的行駛路線通常會受到農田實際生長條件的影響，視覺技術通過對輪廓、形狀、距離、顏色的感知，通過計算機技術賦予的算法進行運算處理，能夠輔助指導農機的行駛狀態。二是用于躲避農田間的障礙物。當視覺系統發現農機具行駛途徑上存在障礙物，會對控制系統發出警報，以避免在行駛過程中與障礙物發生碰撞。三是與控制系統合作完成相對復雜的行駛中控制功能。例如對于農業植保作業而言，在進行噴霧作業時通過行駛過程中獲取的農作物信息，能及時控制噴藥量的增減，實現更為精密的導航同步作業需求。

2.2 視覺技術在果蔬采摘工作的應用

傳統的果蔬采摘工作，只能依靠人力進行，不僅作業的成本高，而且工作效率低下，工作人員的勞動負擔很大。隨著計算機視覺技術的應用，其良好的識別能力能幫助農業機械快速的識別需要采摘的目標作物，進而實現高效率的無人化自動采摘工作。在進行果蔬自動采摘時，計算機系統對攝像頭所獲取的圖像進行分析，通過果蔬與枝葉等環境因素的明顯特征差別，快速篩選出目標果實，從而完成采摘工作。圖1為圣女果利用視覺技術自動采摘的過程，諸如此類的色彩分明、生長集中的果實更適合視覺技術的自動采摘工作。在實際應用中，自動采摘的精確度受到光照條件、遮擋物、自然風等多種因素影響，現階段采摘總體成功率僅在68%左右，但隨著計算機技術和圖像處理分析技術的進步，自動采摘的準確率還將不斷上升。

2.3 視覺技術在病蟲害防治中的應用

病蟲害防治工作是確保農業穩產高產的重要工作，在現代化的病蟲害防治工作中應用視覺技術進行輔助，通過利用存在病蟲害農作物與健康作物的生態特征差別進行辨別，能顯著提高病蟲害的防治效果。相關研究表明利用視覺技術判斷玉米的葉病斑、灰斑、銹病等病害的準確率可達80%以上;同時視覺技術能準確地識別作物上的蚜蟲等病蟲害，并能對病蟲害的嚴重性進行評估，為噴藥作業的方案提供參考依據。在實際應用過程中，由于農作物的病蟲害存在著多樣性特點，因此，視覺診斷技術也存在一定困難，尤其對于一些病癥或蟲害差異性特征不明顯的辨別環境，視覺技術的識別率仍不高，相關技術仍有待提升[1]。

2.4 視覺技術在農產品品質篩選中的應用

現階段，隨著信息技術和網絡技術的普及，農產品的銷售也逐漸傾向于電商化和網絡化，通過對農產品進行分級篩選，能實現產品的分級銷售，顯著提高經濟效益。利用視覺識別技術，通過專用計算機軟件對農產品進行圖像獲取預處理，能利用事先設定的標準控制機械實現準確快捷的篩選。這種形式能有效改善傳統的機械分選精確度不高的問題，使產品銷售的好評率進一步提高。近年來對應用視覺技術分選農產品的相關研究增多，例如劉建軍等研究了利用分析山核桃圖像的橫徑、果長、大小等特征實現對山核桃的分級;周竹等設計的按照馬鈴薯直徑尺寸參數對馬鈴薯外形特征進行大、中、小分級的視覺分級設備，都取得了良好的作業效果[2]。

2.5 視覺技術在農作物生長環境監測的應用

利用視覺技術獲得農作物生長環境狀態信息，能準確地掌握農田的水分含量、營養條件、光照條件，有利于對農業生產進行更科學的規劃與管理，通過對作物長勢、果蔬成熟度的檢測，能更精準的確定作物的采摘和收獲的時間，確保農作物品質的最佳化，圖2為對玉米生長狀態和環境變化的視覺檢測。通過視覺技術的應用獲取的圖像信息，能通過色彩分析對比出農田缺水問題、通過對葉片紋理分析獲得農作物營養狀態、通過對光照的檢測預判天氣對農作物生長狀態的影響。在現階段研究的基礎上，要進一步提高農作物生長環境監測的準確性，還必須在數據分析和計算機算法上加強研究，以提升監測工作的準確性。

3 視覺技術的應用優勢總結

（1）有利于提高農業機械的智能化程度。計算機視覺技術的應用使農業機械獲得了“雙眼”，為其感官能力的提升創造了良好的條件，在此基礎上，農業機械以計算機技術為頭腦、以機械技術為肢體、以視覺技術和傳感器技術為感知，形成了系統化的智能機械結構體系，其實際的工作能力必將得到大幅提升。

（2）有利于減少環境污染與資源浪費。在視覺技術的支持下，農業生產各個工序的實施過程都能進行智能化的思維邏輯分析，能避免傳統作業過程的刻板形式，更合理的利用燃料、水、農藥化肥等資源，并減輕對環境產生的危害和資源消耗負擔。

（3）有利于優化農業生產的模式。計算機視覺技術使農民不必到田間就能實時觀察農業生產的情況，其對勞動力的解放更為徹底，且在高技術模式下，會形成農業生產各個工序并行不悖的良好局面，有利于農業高度現代化的實現。

參考文獻：

[1]? 刁智華， 王會丹， 魏偉. 機器視覺在農業生產中的應用研究[J]. 農機化研究， 2014（3）：212-217.

[2] 陳兵旗， 吳召恒， 李紅業，等. 機器視覺技術的農業應用研究進展[J]. 科技導報， 36（11）：12.