（农业机械化工程专业论文）基于模糊控制的变量施药系统的研究.pdf

摘要 农作物的病虫草害的防治是农业生产中最普遍的一项农事活动。有关资料表明， 如果农业生产中不使用农药，农作物收成将减少3 0 ，农副产品价格将至少上涨 5 0 一7 0 。总之发展农业就离不开农药的使用。但是在农药使用上存在着很多问题， 如施药过程中忽视了田间病虫草害发生的差异性和作物信息的差异性，从而使大量的 农药流失到非靶标环境中，造成严重的环境污染。要彻底地克服这些传统方法的弊端， 唯有实行精准施药技术，然而发达国家发展起来的精准施药技术是建立在“3 s ”等一 系列高科技基础上的。而我国现阶段国情使得精准施药技术难以推广和应用。所以我 国精准施药技术不应该是“3 s ”技术的简单照抄，应该是“变量施药技术思维”方式 指导下的农药施药设备与过程的革新，改造。基于这个思想，本文提出了一种适合我 国现状的新型模糊施药控制系统。本系统主要包括自动物体识别子系统和施药量模糊 控制子系统。 自动物体识别子系统中提出用归一颜色分量法处理了光照强度和阴影对图像的 影响，以及采用直方图均衡化来解决由此而产生的灰度值过度集中的问题；列举了 三种图像增强方法，通过实验我们选用了自适应邻域平均法：通过对比分析，选用 最小误差法来自适应地实现图像的二值化；运用形态滤波消除了二值图像中的一些 小空洞和孤立点：最后通过比较决定从二值化图像提取相对面积比这个特征信息。 实验结果表面这个特征可以准确地反映作物密度的变化。 本文根据专家知识和实践经验设计了模糊控制器。这其中包括，输入输出变量的 论域、模糊子集以及各子集隶属度函数的确定；模糊控制规则的设计；模糊推理系统 的设计等几个方面的内容。然后利用s i m i l l i i l l 【对所设计的模糊模型进行了仿真，并 分析了仿真结果，结果说明所设计的模糊控制器基本符合实践经验 此外本文在编程方面采用的是v c + + 与m a t l a b 混合编程的方法。主程序采用 v c + + 编写，而一些具体的算法采用m a t l a b 编写。结合两种软件的优点，从而保 证准确性，提高了编程效率。 综上所述，本文详细地阐述了这种新型精准施药控制系统的设计，并对设计出的 系统进行了大量试验，并通过仿真的方法评价了系统的准确性。 索缝笮者、导砰同赫 盒文公布 【关键词】数字图像处理模糊控制仿真混合编程 a b s t r a c t t h ec o n 仃o l l i n go f a g r i c u l t u r a lc r o p sp e s t si s也em o s tc o m r n o na g r i c u l t l l r a l a c t i v 时1 1 1 er c l 撕v ed a t as h o w s l a ti fw ed o n ta p p l yp e s t i c i d e ，山eh a n r e s to fa 鲥c u l t u m l p m d u c t sw i l ld e c r e a s eb y3 0 ，m ep r i c ew i l li n c r e 硒eb y5 0 7 0 a tl e 髂t haw o r d ，t o d e v e l o pa 鲥c u l m 心c o u l d n tl a c k 出ea p p l y i n go fp e s t i c i d e s b u tt h e ma r em a n yp r o b l e m s i np e s t i c i d ea p p l k a t i o 船f o fe x 锄p l e s ，t h ed i 舵r e n c eo fc m pp e s ta i l dc r o pi n f o n n a t i o ni s i 弘o r c dd u 血gm ep r o c e s so f p e s t i c i d ea p p l i c a t i o n ，i tm a k e sl a r g eq u 柚t i t i e s0 f p e s t i c i d ci s i o s ti n t on o n - t a 唱e te n v i m 砌e n t ，a n dc a u s e das e r i e se n v i r o n r n e mp m b l e m i no r d e rt o m o r o u g h l yo v e r c o m em ec o m l p tp r a c t i c eo f t l l o s e 协珂i t i o n a l 、v a y s ，w h a tw eo n l yc a nd oi s t 0a p p l yp 咒c i s i o na p p l y i n gp e s t i c i d e b u tm et e c 胁q u eo fp 咒c i s i o na p p l y i n gp e s t i c i d e d e v c l o p e di nt h ed e v e l o p e dc o u n t r yi sb a s e do n “3 s ”a tp r e s e n to u rc o 岫时s i t u a t i o n m a k ei td i 岱c u l tt o p o p u l a r i z ea n da p p l yt h et e c h l l i q u e s ow es h o u l d r i tf o l l o w “3 s b l i n d l y o nt i ec o n n 翻了w es h o u l df o l l o w “l r i a b l ea p p l y i n gp e s t i c i d e ”t or e f o m 也e e q u i p m e n ta n dm ep r o c e s s b a s e do nm e 血o u g h t ，t h ep a p e ra d v a n c ean e wp r e c i s i o n 印p l y i n gp e s t i c i d ec o n t r o l l e rs y s t e m t h es y s t c mi sc o m p o s e do fa u t o m a t i cr e c o g n j t i o n s u b s y s 搬na n dp e s t i c i d er a t ef u z 巧c o n 廿o ls u b s y s t e m i n 山ea m o m 砒i cr e c o g n i t i o ns u b s y s t e m ，i ta p p l i e st h en o 咖a l i z a t i o nc o l o rc o 唧o n e n t m e 廿1 0 dt or e c t i 母t l l ei m p a c to ni r i l a g ec a 璐e db yl i g h tv a d e 呵a n ds h a d e ；a p p l yt l l e t c c h n o l o g yo fh i s t o g r a me q m l i z a t i o nt o r e s o l v eg r a yl e le x c e s s i v ec o n c e n 廿a 蛀o n ； e n m 玳粕t em r e ei m a g ee m l a n c e m e mm e 也o d s 卸ds e l e c tm ec o l l a t i v ea d j a c e n t 陀g i o n a v e r a g em e t l l o d ；也r o u g he x p e m e mw es e l e c tm em i n i r n u me r r o rm e m o dt oa p p r o a c h i i n a g eb i n a r y z 撕o n b yc o n 慨ta l l a l y s i sa p p l yt l l ec o m p o s i t em o r p h o l o g i c a lt i l t e r i n gt o e l i 蚵n 撕也cl 甜eh o k - f i l l i n ga n di s o l a t e dp o i n ti nt l l eb i n a r yi m a g e ，e x 咄t 也e 毗血v e a 勰豫垃。勰s i 掣l a t u 糟i n f o r m a t i o n 啦e ra n a l y s i s t h ee x p e r i m e n tr e 刚t ss h o wt h a tt 1 1 e s i g n 舳哪n e c cm ev 撕e t ) ro fc r o p sd e n s i t yp r e c i l y t h ep a p e rd e s i 驴a 如z z yc o m r o l l e rb 勰e d0 nc x p e n sl 【i l o w l c d g e 孤dp 嬲i c e e x p e r i m e n t w l l i c hi n c l u d c sm ec h o i c eo fi n p u t - o 岫? u tv a r i a b l ed o m a i n 、m z 巧s e 协a n d m e m b e r s l l i pf i l n c t i o n ，t h ed e s i g no fm z z yc o n 缸d l l e rm l e sa n dm z z yl o g i c a l a f t e ri t 、v a s d e s i g i l e dw eu s e d 恤s i m u l d t os i m u l a t e 也ed e s i g n e dc o “咖l l e r t h es i m m 撕o n s u l ti n d i c a t em a ti tf i t st 1 1 ep m c t i c ee x p e r i m e n t f m t l l 锄o r e ，t i l ep 印e ra p p l y 埔c o m b i n a t i o np r o g r a mm e m o do fv c + a n d m a t l a b 1 1 1 em a i np r o 鲫r ni sw l ：i n c n 、i t l lv c + + 1 1 1 ea p p l i c a t i o na l g o r i t l l i r l si s p r o g r a m m e d 州t 1 1m a t l a b t h em 劬o dc o m b i n e st l l ea d v 锄诅g eo ft l l et w os o 脚鹕s o a c c u m c yi s 即删r e d 锄dt l l ep m g r a m m i n ge m c i e n c yi sg r e a t l yi m p r o v e d s l l i nu p ，t h ep a p e re x p a t i a t et h ed e s i g no ft h en e ws y s t c mmd c t a i l m a n y e x 锄i n a t i o l l sh a v e b e e nd o n eo ni t t h es i m u l a t i o nr _ e s u l ts h o w si ti su s e 彻 【k e y w o r d 】 d i g i 诅l i m a g ep r o c e s s ，f h z 巧c o n t r o l ，s i n l m 砒i o n ，c o m b i n ep r o 婴a m 独创性声明 y6 0 7 3 2 3 本人卢【! i ；1 所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得安徽农业大学或其它教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 研究牛签名 懿：暨蚴：鹭 时间：川年年f 月沁日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解安徽农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。同意安徽农业大学可以用不同方式在不同媒体上 发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 导师签名 聋碴毒 时间：) 一阳牛年f 月p 日 时间：弘，年f 月汐日 1 1 研究的背景和意义 第一章绪论 农作物病虫草害的防治是人类农业生产中最普遍的一项农事活动，而农药的使 用则是病虫革害防治中最为快速、最为经济的有效手段。根据世界粮农组织( f a o ) ， 1 9 0 乳1 9 5 0 年闻，世界粮食增产每年为1 5 k 跏n 2 i1 9 5 肛1 9 8 0 年间。世界粮食增产每 年为4 2 k 咖n 2 ，是前5 0 年的2 8 倍。f ：a o 在评价5 0 年代以后粮食增产时认为农药的 投入贡献率为3 0 【”。有关资料表明，如果农业生产上不使用杀虫剂，而采用非化学 防治方法来代替，估计由害虫引起的作物损失还要增加5 ；停止使用杀菌剂作物 的损失估计增加3 5 ；如果限制使用除草剂，作物损失将增加1 。根据美国1 9 8 4 年估计，如果不使用农药，作物损失将达1 0 0 亿美圆，而使用农药的费用大约是2 5 亿 美圆，即投入l 美圆，可回收4 美圆。若不使用农药，农作物的收成将减少3 0 ，农 副产品价格至少要上涨5 0 一7 0 。我国粮食作物由于使用了化学农药，每年挽回的 粮食损失占总产量的7 ，以1 9 6 7 年粮食总产量4 0 1 9 亿k g 计算，其中2 8 l 亿k g 是 农药的贡献。使用农药挽回棉花损失约占总产量的1 8 ，以1 9 8 7 年产量4 0 8 万吨计 算，挽回棉花损失7 3 万吨。我国是个具有1 3 亿人口的农业大国，并且每年的人口 增长为1 5 0 0 万，而我国耕地面积还在日趋减少，因此人均耕地面积也日益减少。1 9 5 3 年我国人均耕地面积为2 8 亩，到7 0 年代为1 5 亩，目前仅为1 2 亩，估计到2 0 l o 年。人均耕地面积可减少到o 7 亩。由此可见，要解决粮食问题，主要靠提高单位砸 积产量。这除了要迸步改进栽培技术和改良品种之外。使用农药自然是一个主要的 手段。总之，在当今世界必须发展农业，丽发展农业则更离不开农药的情况下可以 预见农药将会得到更为广泛的使用【2 】。 但是人们在使用农药过程中存在着很多问题，归纳起来有很多方面，比如施药 过程中忽视田间病虫草害发生差异性和作物信息的差异性阻及使用手段落后等。这些 问题在全世界都普遍。由于上述的问题而使大量的农药流失到非靶标环境中，造成人 畜中毒、严重的环境污染。其主要原因是喷洒出去的农药只有很少的部分达到要防治 的靶标上，m 曲c a l f 做了估算，从施药机械喷洒出去的农药只有2 5 一5 0 能沉积到作 物叶片上，只有不足o 0 3 的药剂能起到杀虫作用。因而众多学者认为：“化学农药 是高效的，但使用手段却是低效的”。这个问题在我国显的更加突出，目前我国化学 防治面积已达2 8 7 亿h m 2 ，并且还在以每年o 1 3 亿h m 2 的速度的增长，每年我国都 有1 0 0 万吨的农药制剂、l 亿吨药液喷洒到农田中。但是农药的使用上仍处于比较落 后的水平上；喷雾器仍是6 0 年代的“老三样”，其社会保有量达5 0 0 0 万台6 0 0 0 万台，而且每年手动喷雾器年市场供应量一直稳定在1 0 0 0 万台左右。据有关方面预 测，在“十五”期间还将发展到1 5 0 0 万台。所以我国绝大部分农药都是用常规方法 投放到田间，用药量过大，没有考虑生物靶标的“特殊性”，不论植株高低，不论瘸 虫草害种类，不论植株的稠密，一种喷药量包打天下，违背了“生物最佳粒径原理” 和“靶标适用性原则”。由于以上原因，我国农药有效利用率只有l o 一3 0 ，远低于 发达国家5 0 的平均水平1 3 l 。 由于长期以来不科学使用农药造成了严重的危害。i 、对人体健康的危害：农 作物除本身直接接受至q 的农药外，又从壤中通过根部的吸收作用使残留在土壤中的 农药再次进入农产品。被污染的农产品导致各种疾病的出现，对人体健康生存带来长 期、潜在的危害，从而对人类生存和发展构成潜在的威胁。如美国人体脂肪“六六六” 含量是o 4 p p m ，印度是1 7p p m ，中国北京为5 6 7p p m 【2 】。全世界因环境污染每年 的死亡人数高达1 7 0 0 万人之多i 引。i i 、对环境的污染：大量的药剂进入自然环境， 导致土壤、水体和大气受到严重污染。建国以来，全国累计施用“六六六”农药4 0 0 万吨，“d d t ”农药5 0 万吨。根据农业部1 9 8 5 年的调查，农田土壤耕层中“六六六” 总体残留水平为o 2 5 4 2 m g l 【g ，d d t 为0 2 2 2 4 o 2 7 m g ，k g ，北京最高达1 0 0 7 6 m 非9 1 4 j ； 福建土壤中d d t 最高达1 0 4 0 m g ，l ( g ，河南土壤d d t 最高达1 4 9 8 h 蚺g 。农药微粒 和蒸汽散发到空气中，随风漂移，造成严重的大气污染。世界卫生组织曾报告，伦敦 市上空1 t 空气中约会有1 0ug d d t 。北极地区的格陵兰，估计在1 5 0 0 万平方公里的 水域里每年可能会沉积2 9 5 吨d d t 。i i i 、导致食品污染：由于农药的使用而导致的 农产品农药残留超标。除了对人体产生危害，还对我国农产品的出口带来很大影响。 据统计我国农产品出口因农药超标而被退回的事件每年都有五六百起，由此造成的损 失超过7 0 亿人民币如茶叶出口大省浙江，近年来因为农药超标而在国际市场上频 遇红灯：再如陕西某公司因收购不到合格的苹果，其中主要是农药超标，只能看着到 手的定单又飞走了嗍。i v 、导致生态失衡【6 】：长期过量使用农药，有可能杀死某些害 虫的天敌，而造成这些害虫的大量发生。此外由于某些害虫被杀死，而使以此害虫为 食物的天敌由于得不到足够的食物而大量减少，或绝迹，这样就导致生态失衡 随着农业机械化的发展，作业面积越来越大，这种施药方式的弊端日趋严重。 要彻底克服这些传统施药方法的弊端，唯有实行精准施药技术。即针对病虫草害发生 情况不同而采用不同的农药投入量和投入方式，才能达到高产、优质、环保、经济之 目的。 1 2 精准施药技术7 1 2 1 2 1 精准施药技术与持续农业 世界农业发展的趋势一“精准农业”，是近年来国际上农业科学研究的热点领 域，为现代农业的更高层次。它是集现代高新技术、生物技术与农业生产措施紧密结 合，利用现代化手段，精准地调整和控制农作物生产的各项环节，最大限度地优化使 用各项农业投入，以获得最高产量和最大经济效益，同时保护农业生态环境，保护土 地等农业自然资源。所谓“精准施药”是精准农业在植物保护方面应用的领域之一。 根据田间病虫发生、发展变化规律，选择最佳时期防治和最佳有效药剂，精细确定农 药投入量，通过高新施药技术，使尽可能多的农药击中防治对象，最大限度地减少浪 费和降低对农业环境质量的影响。糟准施药技术是当今世界农业生产在今后相当长的 一段时间内还摆脱不了化学防治，既要考虑对农业生态环境的保护，又要考虑经济、 社会效益和环境效益，还要考虑子孙后代对资源需求，以保证农业生产持续发展的必 然选择。持续农业( s u s t a j n a b l ea 醉c u l t u r e ) 美国农业家协会1 9 8 8 年写道：持续农业 是一种能长期地提高农业所依赖的环境质量和资源基础，为人类提供必需的食物和纤 维的农业生产体系。这个体系在经济上是可能的，而且能改善农民和整个社会的生活 质量。它的含义是，既能满足目前需要，又具有适用长期发展的能力。由此说，它是 建立在自然资源合理利用，在保证经济效益，社会需求的同时尽可能保护环境，使农 业生产所依赖的主要资源如可耕地、森林、草原、水资源等可持续发展的一种思路和 追求目标。体现经济、社会效益与生态效益的完美统一，以保证人类社会长期生存与 发展。精准施药与可持续农业是对立的统一，向农业生产环境投放农药，无论多少都 对环境产生一定影响，对持续发展是不利的。但精准施药，既满足经济效益和社会效 益，又使其影响降到最低限度，这是可持续农业所要求的。 1 2 2 国外精准施药技术研究应用现状 世界各国对精准施药技术的发展潜力及应用前景有着广泛共识，并将其作为发 展农业高新技术应用的重要内容。1 9 9 5 年美国明尼苏达州、华盛顿州开发了商品性 变量投入技术( v r t ) 应用设备，其中有按不同位置喷洒不同量的杀虫剂喷洒设备。 1 9 9 6 年，北美约1 9 的3 0 0 公顷以上的规模化农场已经利用g p s 实行飞机旌药作业。 澳大利亚新近研制出一种能识别杂草的喷雾器。它在田间移动时，能借助专门的电子 传感器，来区分作物和杂草，当发现有杂草时，才喷出除草剂。这样投入的除草剂只 有常规量的l 1 0 甚至更低。美国f m c 公司将计算机控制系统用于果园喷雾器，该系 统通过超声波传感器确定果树形状，计算机控制系统使农药喷雾特性始终根据果树形 状的交化而自动调节。 印第安纳州中部地区是美国较早采用精准施药技术的地区。这里地势起伏，田 间病虫草害情况和生态条件有着很大的不同，由于这里8 0 的农民采用了精准施药技 术，除草剂、杀虫剂的精准施药使所需的农药投入量减少至原来的9 0 ，每公顷利润 增加5 0 美圆。实践证明精准施药所带来的额外利润，足以补偿精准施药前期的启动 成本。 根据信息应用技术水平与集成程度，西方精准施药技术的发展可划分为三个阶 段：l 、无任何信息技术( i t ) 组成的传统方式( 准备和初级阶段) ，欧美发达国家是 于上世纪5 0 0 年代完成了这一以农业机械化为特征的发展阶段：2 、管理信息系统 0 幢i s ) 、专家咨询系统( m i s ) 和简单机械化为主的类型( 初步阶段) ，即目前正处于 的农业信息化初建阶段；3 、空间信息技术的充分应用和全面自动化处理类型( 基本 实现阶段) ，包括自动数据收集、集成m i s d s s ( 决策支持系统) 等技术支持系统。 随着有关专用硬件和设施系统的进一步开发与完善，在本世纪将率先进入计算机辅助 管理的精准施药时代。 1 2 3 我国精准施药技术发展现状及相应对策 我国从上世纪8 0 年代便开展r s 和g i s ，以及水稻、小麦、棉花、玉米等主要 农作物生产管理的农业专家系统的应用研究，9 0 年代部分成果已达到实践应用水平。 我国于“七五”、“八五”期间，国家科委，农业部先后组织了一些农业专家系统( 实 质上是信息管理、数据库管理、计算机技术和农业专家技术综合运用的集合) 及其工 具开发研究，其中就包括作物瘸虫草害防治专家系统。上海为跟踪国际农业技术前沿 领域，在国内率先建设精准农业的试验示范基地，开展精准施药技术的相关研究。1 9 9 2 年，北京市植保站与中科院、北航大、清华大学、北工大等8 家科研院校协作，开展 卫星导航飞机防治小麦蚜虫技术的应用，经历3 年获得成功，并在小麦蚜虫防治上大 面积应用。开创了我国g p s 应用到农业领域进行精准施药实践的先河。实践表明， 卫星导航飞机防治小麦蚜虫不会发生漏喷、重喷的现象，农药雾喷均匀，飞幅交汇处 完全符合生产要求，灭蚜效果在9 0 以上。1 9 9 7 年，北京市植保站和农业技术推广 站开始进行卫星遥感预测预报农作物产量、病虫害的研究，可以及时对农作物产量以 及病虫害的发生情况进行预测预报，其准确性要比人工预测预报大大提高，而且反应 迅速。 从形式上看，发达国家发展起来的精准施药技术，是在大面积、机械化生产条 件下发生、发展起来的新技术，而且精准施药的边际效益与农场的规模成正比，而且 是建立在一系列高科技成果基础上的。这样看来，在我国以家庭联产承包责任制为主 经济形式的分散经营的大部分农村，经济实力弱、田块分散、农民受教育水平及农业 专业化程度低，精准施药难以推广与应用。但我们也应该清楚地看到，精准施药追求 降低生产成本与避免污染的思路同样适合中国国情。“3 s ”技术只是为实现精准施药 技术某一特定目标所采用的技术手段之一，并非生产要素本身。我国精准施药技术的 研发不应是“3 s ”技术的简单照搬，而应该是在“变量施药”思维方式指导下的农药 施药设备及过程的革新、改造。为精准施药提供全面的技术支持是一个渐进的过程， 在此过程中，精准旖药的先期投入成本将随着更多的g p s 、g i s 、电子信息、农机等 企业进入这个市场而下降。 1 3 本论文研究的目标和内容 研究目标： 通过建立水稻田间作物信息( 密度信息、病虫草害种类信息、病虫草害发生等 级信息，作物生长状态信息等) 的自动检测系统，根据实验确定作物信息与喷雾控制 量之间的关系，从而建立起自适用喷雾控制系统，实现农药使用过程中自动调节喷雾 参数，即实现“变量施药”。这样就可以使尽可能多的农药击中要防治对象，最大限 度地减少浪费和降低农药对环境质量的影响，减少农产品的农药残留，从而提高经济 效益、社会效益和环境效益。 研究内容： 1 利用数字摄像头摄取田间作物的数字图像信息，通过自带的软件，完成数字化， 并传输到计算机中。 2 利用计算机对所获得的数字图像进行处理，提取相关的信息( 作物密度信息、 病虫草害等级信息、作物生长状况信息等) 。 3 根据专家经验和试验结果设计合理的模糊规则和隶属度函数，把处理所获得的 信息代入所设计的模糊控制系统进行检验并进行修正。 4 编写处理的程序以及系统操作界面，其中处理的程序采用的是m a t l a b 6 5 编程。 主界面采用的是v c6 0 编写。 1 4 本实验控制系统的硬件方案 图卜1 系统的硬件方案圈 f j g 卜1t h ef i g u r eo ft h eh 8 r d w a r e ；nt h es y s t e m 1 ，5 本实验控制系统的软件方案 圉l _ 2 系统的软件方案图 f i g l 2t h ef i g u mo f t h cs o f h v a r ei n 出es y s t e m 6 第二章图像处理及特征提取 本章主要研究内容是数字图像的获取、图像预处理、图像分析、特征提取等四 个方面问题。 2 1 数字图像获取 2 1 1 系统硬件设计 本控制系统的硬件包括数字图像摄取系统、图像处理系统、自动控制系统等几个 部分，其总体组成如图2 1 所示。 图2 1 系统硬件组成 f i 9 2 - 1t h ec 咖p o s i n go ft h eh a r 抽r ei nt h es v s t e m 2 1 2 图像摄取系统设计 数字图像获取的途径有很多，如图像扫描仪扫描获取、数字相机摄像、数字摄像 机获取等。但是以上提到的各种方法都有自己不足之处，扫描仪不能够直接对景物进 行摄像，数字相机和数字摄像机的成本太离。考虑到本系统对适时性和低成本的要求， 所以本系统采用了视频头来摄取数字图像。 视频头采用的奥美嘉摄像头，图像的传输速度为l 肛1 5 f p s ，可实现摄像头到计 算机内存的可靠实时传送。由于连续图像是互相重叠的，我们可以根据机器的行进速 度、摄像头的取景范围和计算机处理一幅图像所需的时间之间的关系，来决定图像的 采样周期，从而保证不漏喷、不重喷。 2 1 3 图像处理系统设计 图像处理系统设计，就是指采用什么软件和采用那种方法进行图像处理，在软件 上采用s u a lc + + 6 o 和m a t l a b 6 1 混合编程的方式，充分发挥两种软件的优点，便于 用户编程。主机的基本配置如下：2 5 6 m 内存、8 0 硬盘，2 6 gc p u 。由于该系统图 像处理的信息量较大( 每幅图像为6 4 0 + 4 8 0 像素) ，且实时性要求较高，因此对处理 速度要求也较高。图像处理识别算法在主机内存进行，有利于提高处理速度，充分发 挥c p u 的潜力。 2 2 图像预处理 图像处理被广泛地应用于生物医学、遥感航天、军事公安、工农业等众多领域。 它研究内容也很广泛，如图像增强、图像恢复、图像分析、图像编码、图像重建等， 本文主要对图像增强和图像分析中的一些算法的应用做了深入的研究。 从视频头得到的图像不仅包括作物，而且还有背景以及一些杂草。为了只得到作 物的信息，因此必须要去除背景以及杂草的影响，提取出作物目标，这就需要对图像 进行分割。进而才有可能提取作物的各种特征进行分析。但是在实际应用中，由于本 系统是田间工作的，所以存在着光照、阴影等影响，而且由于摄像过程是在运动的以 及工作中机器所产生的震动，图像传送过程产生的噪音，所有的这些因素造成获得的 图像有时不令人十分满意，因此必要时需要对图像进行消除光照以及阴影、图像增强 等工作，才能够对图像进行分割。所有的这些工作都叫预处理，其目的都是为了更好 地提取作物的信息。 2 2 1 、光照变化和阴影对图像影响的消除 8 】 根据三基色学理论，任意一种色彩都可以由红( r ) 、绿( g ) 、蓝( b ) 三种颜色按照 一定比例混合得到。一个物体反射光所形成的彩色图像经彩色摄像机输入到计算机 后，可分解成r 、b 、g 三副图像。本研究中所采集的秧苗图像为2 4 b i t 真色彩图像， 设r 、g 、b 分别表示秧苗图像的三个归一化颜色分量，则有 f 刚( r + o 国) g = g ，( r + g + b ) b - 1 r _ g 由于反射光的成分是由物体的表面性质所决定的，因此，在光源只发生强度变化 时，即对一个性质均匀的表面，若其明亮部分的光强为y i ，阴影部分的光强为y 2 ， 则有 y 1 = c y 2 式中c l 。为一常数 现在假设秧苗的同一颜色区域在两次摄像时，由于光照的变化，引起了光强的变 化r 、g 、b ，则这时所得到两副图像的归一化颜色分量为r 、g ，、b ，和r 2 、g ：、 b ：，分别计算如下 f r l ；r ，( r + g + b ) g l ig 僻+ g + b ) 【b l = b ，( r + g + b ) fr 2 = ( r + r ) ( r 十g + b + r + g + b ) 簖= ( g + g ) ，( r 十g + b + r + - a g 十b ) lb 2 = + a b ) ，( r 旧+ b + r + g + a b ) 由于当光照发生变化时，有 r r = g g = b b = k k 为常数，从而 8 ir 2 = r ( 1 + k ) ，( r + g + b ) ( 1 + k ) = r i 口；g ( 1 + k ) ，( r + g + b x i + k ) = g i b 2 聋b ( 1 + ky ( r + g + b ) ( 1 + k ) = b l 因此，采用归一化颜色分量，可以克服光照变化及阴影的影响。 通过在大量实验图片的上的应用，可以发现这种方法能够较好地克服光照变化和 阴影对景物的影响。但是这种方法也会产生一定的不利影响，图2 2 是对两幅图像经 过光度修正后的灰度直方图。从这两张图我们可以看出，修正光照以后会使处理后的 图像灰度过度地集中在7 肛1 4 0 范围之间，这样会对以后的处理带来一定的困难。但 是鉴于本系统在工作过程中光照变化是不可避免的，为了改善此方法的不利影响，可 以采用直方图均衡化方法来使灰度按照一定的变换，使之演变成一幅具有均匀灰度概 率分布的新图像。 2 2 2 、直方图均衡【9 l 】 圈2 - 2 修正光照后舸获虞直方豳 f i 9 2 _ 2t hg r a yh i 3 t o 耵舯a f t e rr e c t j f i e d 9 概括地说，直方图均衡就是把一已知灰度概率分布的图像，经过一种变换，使之 演变成一幅具有均匀灰度概率分布的新图像。 设r ，s 分别表示被变换图像和变换后图像的灰度。为了简单。在下面的讨论中。 我们假定所有象索的灰度，已被归一化了。就是说，当r = s ；0 时，表示黑色：r ：s = l 时，表示白色：而r ，s o ，1 表示象素灰度在黑白之间变化。 现在我们取一十? ：烹变换 s = t ( r ) 它满足如下两个条件： ( i ) 在0 s r l 区间中，t ( r ) 是单调增加的单值函数 ( 2 ) 对于o r s l ，有o t ( r ) l 。 满足上述条件的变换函数如图2 3 所示。 s l r k l 圈2 3 灰度变换s = t ( r ) f j e 2 叼t h eg r a yt r a n 8 f o r m a t i o ns = t ( r ) 相应的反变换为 r = r 。1 ( j ) 0 s s l 也满足以上的两个条件。 可以认为，在一图像中，灰度值是一个在 o ，l 】之间取值的随机变量，我们记为 r ，因此，能够用概率分布来详细地描述其统计性质。设工( j ) 和f ( r ) 分别表示新、 旧图像中灰度的概率分布密度。我们现在的任务是，如何选取一个变换t ( r ) ，使得图 像经此变换处理后，其概率分布密度z ( ，) 在新图中演变成z ( s ) 。 在概率论课程中我们知道，任何一个随机变量，其概率分布函数都是在【0 ，1 】之 间变化的单调增加的单值函数，即刚好满足变换要求的两个条件。因此，我们取 铲t ( r ) = l ：f ( w ) 咖 o r 1 ( 2 一1 ) 等式右端即为随机变量r 之分布函数。作为r 之随机变量函数的s ，其概率分布 函数为 f ( s ) = p ( s m a ) 【( f ，n ) ( 2 - 4 ) 其他 1 j 1 j 其中，s 为预先设定的邻域，一般选以该像素为中心的一个正方形区域，其像素 总数为n ，以、0 、分别代表s 内的灰度值大于、等于、小于均值m 的像素数； m 见式2 5 所示为灰度平均值；m 。、啊为灰度上偏差和下偏差。计算分别见式2 6 、 式2 7 ；盯2 为邻域s 的灰度方差，计算如式2 - 8 。 m = 专，( 惫，z )( 2 5 ) 。= 专厂( 七，d m ( 七，d s ，m ，) 小 埘，= 所一古厂( 后，) ( 后，驰s ，厂似，脉肌 盯= 专( ( 七，) 一，1 ) 2 ( i ，) e ( 2 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) 从式2 4 可见该方法是通过给邻域均值加一个随图像局部细节变化的修正项来克 服边缘模糊的。在灰度均匀的区域内，或者直线边缘恰好通过邻域中心时。以将近 似等于m ，修正项为o 当川 以或者菩 m 且相差很大时，盯2 也较大，修正项也 随着增加，从而起到既平滑又锐化边缘的作用。该方法和传统的邻域平均法和中值滤 波法的处理效果如图2 6 所示 ( a ) 原始图像 ( a ) t h eo r i e i n a ii m a g o 4 ( b ) 自适应滤波后的圈像 ( b ) t h ei m a g ea f t o rf ii t o r e db yc o il a t iv ea d j a c e n tr e g i o na v e r a 叠em e t h 。d ( c ) 邻域均值滤波后圈像 ( c ) t h ei m a 窖ea f t e rf ii t e r e db ya d j a c e n tr e g i o na v e r a g em e t h o d ( o ) 中值滤波后的图像 ( d ) t h ei m 8 9 ea f t e rf | t e r e db y 啪d f i i t e r 围2 6 各种滤波后的图像对比 f 1 9 2 - 6t h c p a r is o no ft h ei m a 5 ef ii t e r e db ye a c hm t h o d 根据实际的滤波效果，我们可以看出自适用邻域均值滤波的效果最好，所以本 系统中采用了此方法，经过滤波后的图像就可以进行图像的分割处理了。 2 2 4 图像分割【1 2 1 3 1 4 5 2 0 】 图像分割是图像处理中最基本和最重要的技术，是任何理解系统和自动物体识别 系统必不可少的一个重要环节。它是按照某种特征( 灰度、频谱、纹理、色彩特征等) 将一幅图像分成些有意义的互不相交的区域并提取出感兴趣目标的过程。这些区域 内往往具有相同或者相近的某些特性。从本质上说，图像分割是将图像中像素按照特 征的不同而进行分类的过程。通常可以依据两种原则进行分割。一是依据各个像素点 的灰度不连续性进行分割：一是依据同一区域具有相似的灰度( 或者组织特性) 这一 特征，寻求不同区域之边界。前者称为基于点相关的分割技术，后者称为基于区域相 关的分割技术。本文采用的是基于区域相关的分割技术中的阈值分割。 对于我们研究的这个系统来说，目标只有一个就是作物，其他的均为背景。进行 图像分割就是把原来图像分为两个区域( 目标和背景) ，即把作物从背景中提取出来。 故这种分割技术也称为图像二值化。通过对大量图像的研究发现作物和土地背景在灰 度级上相差较大，所以我们选用灰度特征进行分割。图像分割是本系统图像预处理的 一个很关键的环节，其结果直接影响到后续特征提取和判断的准确性。 阈值分割是一种最常见的直接检测区域的分割方法【1 5 7 9 1 。所谓的阈值分割 简单地说就是把所有灰度值大于或等于某阉值的像素都判属于物体( 或背景) ，两所 有灰度值小于该阈僮的像素则被排除在物体之外( 或背景) 。目前，阈值的选取方法 很多，基本归纳为1 0 类。本文研究了四种自动阈值分割方法来实现作物与背景的分 离，即图像的二值化。这四种方法分别是矩量保持法、最小误差法、模糊集法和k a p u r 最大熵法。 2 2 4 1 矩量保持法i ”“习“1 矩量保持法是1 k a i 于1 9 8 5 年提出的，其基本思想是使阈值分割前后图像的矩保 持不变。对于有l 个灰度级，直方图函数为h 的图像厂o ，y ) ，定义第k 阶矩为： i = 1 1 = 赤莓莩广( 剐口= 古篓硝矿= 筹a r l j y i 。o，o 对于二值化，意味着前三阶矩保持不变，即存在如下矩量保持方程： 1 6 惕 | | = = 1 1 0 爿彳彳 a a a 研 + + + + 露矗露露岛风风 ，。j、，l 如和毛表示二值化后每个类别的扶度值。求解方程组可得 = 一c 。一( c 一4 c 。) 5 铲 1 + ( c ? 一4 c 0 ) 风= 导 ( 一4 勺) 2 其中： c o = 篙睾 。一啊忱一 o l i 二丁 从灰度直方图中选取最为接近的风一分位数的灰度级作为最佳阈值r 。 2 2 4 2 最小误差法2 5 2 6 ”2 e 】 图像的灰度直方图可视为组合目标和背景像素灰度混合分布的概率密度函数， 通常假定混合分布的两个分量即目标和背景都是正态分布，因此直方图是对下式的一 种近似 p ( g ) = 赤8 恤棚卅+ 去p 扣珈霹 其中q ，盯2 ，“，段分别为两分量的标准偏差和均值。对等式两边取对数，整理后得 到一个二次方程： 半+ l n 盯i 一2 l np l = 孚+ l n 盯2 2l np 2 解这个方程即可找到最佳阈值。但是混合分布p ( g ) 的参数盯，p 与待分割的图 像有关，且通常未知，这给求解带来困难。 为了克服这个问题， 鼬m e r & i l l i n g 、 ，o r t l l ( 1 9 8 6 ) 根据使分类错误率极小，提出了 一个简单的规则： ，( f ) = 1 + 2 a 0 ) l i l q o ) + 仍o ) mc r 2 p ) 一2 p i ( f ) hp l ( f ) + p 2 9 ) l i l p 2 ( f ) 其中： ， p 。( f ) = ( g ) 譬= 0 上一1 扔( f ) = 矗( g ) g = h - l g ( 塞) “( ，) = 钉 l - 1 g a ( g 2 ( f ) 2 鼍莉一 ( g g 一乒l ( ，) ) 2 砰( f ) = 盟1 矿 ( 2 g 啦( f ) ) 2 豸o ) = 型l 一雨r 一 为图像的灰度直方图函数，三为灰度等级。 函数j ( ，) 为一个准则函数，可以描述整个图像上平均的正确分类性能。对一个 已知的阈值r ，准则函数间接地反应了目标和背景分布高斯模型间的交叠量。使，准 则函数最小的灰度值f 就是最佳阈值f ，即： f = 一增f e f 卿_ l ，( f ) 。 2 2 4 3 模糊集法【2 9 3 0 3 13 2 】 利用模糊集合理论进行图像分割的方法很多，这里采用的是h u 趾g & w a l l g ( 1 9 9