圖像處理技術在精準農業系統中的應用研究

何秋磊 湖南科技大學

一、圖像處理技術概述

圖像處理技術是用計算機處理圖像的技術，主要包括圖像數字化、圖像增強和修復、復原、圖像數據編碼、圖像分割和圖像識別等技術。

（一）圖像處理的方法

圖像處理技術包括點處理、組處理、幾何處理和幀處理四種方法。點處理的對象是像素，是最基本的處理圖像的方法。圖像的組處理方法處理的范圍比點處理大，處理的對象是一組像素，因此又叫“區處理或塊處理”。幾何處理經過運算，改變圖像的像素位置和排列順序，從而實現圖像的放大與縮小、圖像旋轉、圖像鏡像、以及圖像平移等效果。幀處理將一幅以上的圖像以某種特定的形式合成在一起，形成新的圖像。

（二）圖像處理技術分類

圖像處理技術一般被分為兩大類。一類是模擬圖像處理技術，簡單來說就是直接用圖像存儲傳遞信息，包括光學處理和電子處理，特點是處理速度快，理論上講可以達到光速，在實際應用中可以說是實時處理。另一類是數字圖像處理，一般需要通過計算機或其他硬件進行處理，其優點是精確度高，處理內容豐富，靈活性強，但是相對地處理速度慢，處理的信息越多，圖像精度越高，所需的時間越長。

（三）圖像識別技術的應用領域

圖像是一種記錄信息和傳遞信息的媒介，因此圖像處理技術在人類生活中應用廣泛，包括航空航天技術、生物醫學工程、工農業生產、交通管理、通訊等方面。隨著人類社會的發展和計算技術水平的提高，圖像識別技術的應用領域也會逐漸擴大，在人類生活的方方面面發揮重要作用。

二、精準農業系統的內容及作用

（一）精準農業系統的內容

精準農業又稱為精確農業或精細農作，發源于美國。精準農業是一套以信息技術為支撐，根據空間變異，定位、定使、定量地實施現代化操作與管理的系統，是一種現代信息技術與農業生產相結合的新型農業。

精準農業的技術原理是根據土壤肥力和作物生長狀況的空間差異，調節對作物的投入，在對耕地和作物長勢進行定量的實時診斷并充分了解大田生產力的空間變異的基礎上，以平衡地力、提高產量為目標，實時定位、定量的精準田間管理，實現高效利用各類農業資源和改善環境這一可持續發展目標。

（二）精準農業系統的意義

1.有效提高了農作物產量。

從近代農業發展歷史可見，精準農業技術等技術的投入，能夠提高農業勞動生產率和農資利用率，還能夠同時降低農業能，減少農藥化肥等對環境的污染，達到經濟效益和生態效益的同步增長、可持續發展。我國是農業生產大國，對世界農作物產量做出了重要貢獻，僅用占地3%的耕地就解決了世界22%人口的溫飽問題。

2.促進了土地資源的可持續發展。

目前耕地資源不斷減少，只能從技術方面提高農作物單位產量。精準農業系統依靠現代化技術手段，對農作物生長整個生長過程進行監控，精細化的作業流程針對性地解決了農作物產量問題，避免了多余的施肥、灌溉，有效地降低了農業生產的資源消耗和對環境的破壞[1]。精準農業系統不僅實現了農作物產量、質量的提高，解決世界人民的溫飽而問題，而且能夠實現低耗能、少污染，穩步保持可持續發展。

三、圖像處理技術在精準農業系統中的應用現狀

精準農業系統是一套現代化的農業生產管理體系，圖像處理技術為精準農業系統提供了技術支持。圖像處理技術通過檢測農作物長勢，識別害蟲，檢測農產品質量和設計農業機器人高效作業等方式貫穿整個精準農業系統，對實現農作物高產低耗具有重大作用[2]。

（一）農作物長勢自動監測

最農作物生長過程中，通過互聯網農業智能測控系統對其進行實時圖像監控，可以精準監測農作物的狀況。通過數字圖像處理技術對農作物圖像智能分析，不僅可以監測植物的生長狀況和成熟程度，還能夠判斷出農作物是否缺水，是否有營養缺失，以便工作人員根據農作物營養狀況灌溉和施肥。農業智能檢測系統可以借助光譜分析技術在夜間作業，其依據是不同生長狀況的農作物吸收電磁波后反射的波長是不同的，因此光譜分析技術通過制成農作物收到電磁輻射后反射的光形成的光譜圖，再通過分析這些波長得到農作物的長勢情況，并且做到對農作物無損傷、并且高效。除此之外，各類傳感器可以采集農作物生長環境中的信息，包括氣溫、空氣濕度、風速和土壤濕度等動態環境信息，以便工作人員了解農作物的生長環境，并對及時調整不利于農作物生長的因素，為農作物生長提供更好地環境。這種自動化的農作物長勢檢測系統不受時間限制，并且可以同時對農作物多種指標進行檢測，對提高農產品產量有重要作用。

（二）農作物害蟲識別

害蟲是影響農作物產量的一個重要因素，害蟲會降低農作物的產量和質量。從前國內外對農作物害蟲的識別實際采用的方法有近紅外、聲測、誘集等，不過由于需要人工操作，這種識別方法有效率低、易受環境干擾的缺點。而圖像處理技術輔助害蟲識別能夠有效避免這些問題。農作物害蟲識別診斷主要包括害蟲圖像分割、害蟲圖像特征提取和害蟲是別這三個方面。國外的害蟲識別研究已經取得了很好地效果，圖像識別系統結合圖像處理、學習和知識庫技術，能夠自動檢測害蟲數量，對常見的昆蟲圖像識別已經達到了很高地準確率。很多研究都證明了害蟲識別系統在一定環境下識別害蟲效果顯著，但是在復雜的自然環境中，容易受到環境因素影響，導致害蟲識別系統的使用效果距離理想狀態還有一定差距。

（三）農產品品質檢測

農產品質量直接關乎人們的飲食安全，因此農產品質量檢測有重要意義。計算機圖片視覺技術已經能夠超越人的視覺功能，在農產品質量檢測方面發揮出了極大作用。圖像處理技術代替人工進行農產品質量檢測，將人從重復性的低端勞動中解救了出。圖像處理技術檢測是根據既定的標準對農作物質量進行檢測，還能夠避免由于人的主觀性導致的檢查結果不同。最重要的是，借助圖像處理技術，不僅能夠從外觀上按照產品大小、顏色、損壞程度進行分類，還可以檢測產品營養狀況，這是人工檢測不能實現的功能，提升了農產品品質檢測水平，促進了農產品品質分類細化。

（四）農業機器人應用

農業機器人是一種應用在農業生產中的機器人，結合多種計算機技術而產生，能夠幫助甚至替代人類進行農業生產活動。隨著技術的發展，多種不同類型的農業機器人在農業生產中得到了廣泛應用。農業機器人依靠圖像處理技術能夠進行精準計算、智能識別、準確定位、快速判斷和高效工作，可以被大致分類為施肥機器人、除草機器人、采摘機器人和分揀機器人。施肥機器人可以分析土壤實際情況，精準計算需要的肥料量，再自動施肥，有效解決了肥料浪費或者不足的問題。除草機器人又分為大田除草機器人和菜田除草機器人，區別就是大田除草機器人識別出雜草的位置上，在通過自帶的GPS 接收器顯示定位圖，再由操作人員將這些位置信息傳遞給除草機器，除草機器來到對應的位置時會自動開始除草，而菜田除草機器人則通過攝像機和識別機器自動識別雜草并除草。采摘機器人依靠一臺攝像機、一套視覺分析系統和一個采摘裝置構成，識別出成熟的農作物，然后自動采摘。分揀機器人通過光電圖像識別裝置和分揀機械區分大小不同的果實并分揀，而且不會對果實造成損傷。

四、結束語

綜合上所述，圖像處理技術在人類社會中應用廣泛，在精準農業體系中與農業生產相結合，為提高農業生產率和環保節能發揮了重大作用。現階段的圖像處理技術雖然還存在不足，不過隨著科技水平的進步，將會逐漸提高技術水平，為提高農產品產量和保護土地資源提供更強的技術支持。