發(fā)布時(shí)間：所屬分類：農(nóng)業(yè)論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:水稻是我國(guó)最主要的糧食作物，在農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位。水稻種植環(huán)境多樣，高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)在很大程度上依賴于優(yōu)良品種。制種是雜交稻生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，種子質(zhì)量對(duì)產(chǎn)量有著決定性的影響。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)和計(jì)算機(jī)視覺(jué)等新技術(shù)在農(nóng)業(yè)中得
摘要:水稻是我國(guó)最主要的糧食作物，在農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位。水稻種植環(huán)境多樣，高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)在很大程度上依賴于優(yōu)良品種。制種是雜交稻生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，種子質(zhì)量對(duì)產(chǎn)量有著決定性的影響。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)和計(jì)算機(jī)視覺(jué)等新技術(shù)在農(nóng)業(yè)中得到了應(yīng)用，推動(dòng)了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程。為此，將計(jì)算機(jī)視覺(jué)用于水稻大面積制種，實(shí)現(xiàn)對(duì)田間的空行和雜草雜株的識(shí)別，以及對(duì)父母本抽穗期的監(jiān)測(cè)。試驗(yàn)表明:計(jì)算機(jī)視覺(jué)能夠有效識(shí)別水稻空行，對(duì)雜株雜草的識(shí)別較為準(zhǔn)確，沒(méi)有出現(xiàn)誤檢的情況。計(jì)算機(jī)視覺(jué)監(jiān)測(cè)的父母本抽穗期與實(shí)際接近，最大差異僅為1天，可以提高雜交種產(chǎn)量和純度，推動(dòng)水稻制種技術(shù)的發(fā)展。
關(guān)鍵詞:計(jì)算機(jī)視覺(jué),水稻,制種,圖像分析
水稻是我國(guó)最主要的糧食作物，超過(guò)8億的人口以水稻為主食。我國(guó)大部分省份都種植水稻，具有世界第二的種植面積和世界第一的總產(chǎn)量。因此，水稻在我國(guó)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)中占有極其重要的地位，在保障國(guó)家糧食安全中發(fā)揮的作用是不可替代的。水稻分布地域廣闊，種植環(huán)境類型多樣，其高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)在很大程度上依賴于選育出的適應(yīng)性品種。一直以來(lái)，優(yōu)良品種都是水稻高產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)，品種選育成為各農(nóng)業(yè)科研單位和育種企業(yè)的工作重點(diǎn)。
目前，水稻種植業(yè)呈現(xiàn)雜交稻和常規(guī)稻并存的格局，它們有各自的優(yōu)勢(shì)和不同的生態(tài)種植區(qū)。雜交稻的產(chǎn)量潛力大，耐肥性好，用種量少，單位面積上能產(chǎn)生更高的效益;但雜交稻種植的成本較大，制種過(guò)程相對(duì)繁瑣。常規(guī)稻的品質(zhì)普遍較高，制種簡(jiǎn)單，但產(chǎn)量和效益與雜交稻相比有差距。我國(guó)雜交水稻的研究位于世界前沿，雜交水稻推廣應(yīng)用是農(nóng)民增收的重要推動(dòng)力。
制種是雜交稻生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，種子生產(chǎn)質(zhì)量對(duì)雜交稻的推廣面積和產(chǎn)量有著決定性的影響，一般采用雜交種產(chǎn)量和純度來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)。雜交制種的產(chǎn)量通常由父母本開(kāi)花期相遇的程度及開(kāi)花授粉時(shí)期的天氣決定，純度問(wèn)題則由制種田中的水稻雜株引起。因此，對(duì)于雜交水稻制種的研究都是圍繞如何在保證純度的前提下，盡可能地提高制種產(chǎn)量，并減少人工和物資成本。周艷等針對(duì)水稻制種過(guò)程中化肥和農(nóng)藥用量大導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)效益不理想的問(wèn)題，提出了一種精準(zhǔn)輕簡(jiǎn)的高效制種技術(shù)，在大田示范中取得了良好的效果[1]。
張紹安等分析了影響水稻制種產(chǎn)量的因素，包括基地選擇與管理、親本播插期確定及栽培措施實(shí)施，提出了相應(yīng)的解決對(duì)策[2]。梅凱華等對(duì)比了水稻制種實(shí)踐中常用的花期預(yù)測(cè)方法效果，認(rèn)為其中的幼穗剝查預(yù)測(cè)法最為準(zhǔn)確[3]。隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化的推進(jìn)，各種農(nóng)用機(jī)械也應(yīng)用在水稻的制種中，大幅提高了生產(chǎn)作業(yè)效率。黃波等針對(duì)水稻機(jī)械化制種的特性，對(duì)育苗管理、大田栽培和激素使用這3個(gè)方面的技術(shù)進(jìn)行了解析[4]。
熊瑋等為解決雜交稻制種人工成本高的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種父母本同栽插秧機(jī)，田間試驗(yàn)結(jié)果表明其作業(yè)性能良好，可以滿足生產(chǎn)要求[5]。計(jì)算機(jī)視覺(jué)是對(duì)拍攝的圖像進(jìn)行理解和分析，通過(guò)圖像分割和特征提取，達(dá)到識(shí)別目標(biāo)的目的。計(jì)算機(jī)視覺(jué)在國(guó)民生產(chǎn)和科學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域都有應(yīng)用，目前在農(nóng)業(yè)中主要用于農(nóng)產(chǎn)品的分級(jí)、檢測(cè)和收獲[6-8]。在水稻的生產(chǎn)上，計(jì)算機(jī)視覺(jué)的用途也較廣泛，如對(duì)田間雜草、裂穎種子和葉部病害的識(shí)別[9-11]。
另外，龔紅菊等自制了計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)，利用分形理論分析水稻的圖像特征，在線性相關(guān)關(guān)系上計(jì)算水稻單位面積上的產(chǎn)量，取得了較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)結(jié)果[12]。陳誠(chéng)等利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)獲取水稻葉片的多種顏色指標(biāo)，建立葉綠素相對(duì)含量預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)葉綠素相對(duì)含量的準(zhǔn)確測(cè)定[13]。
水稻大面積制種基地的田塊平整，具有完善的設(shè)施和規(guī)范的栽培管理，可以作為各種新型技術(shù)試驗(yàn)應(yīng)用平臺(tái)。若將計(jì)算機(jī)視覺(jué)應(yīng)用于水稻大面積制種，有望顯著提高生產(chǎn)效率，降低人工和物資成本，但目前還沒(méi)有相關(guān)的報(bào)導(dǎo)。本文在水稻大面積制種過(guò)程中引入計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)，用以對(duì)田間的空行和雜草雜株進(jìn)行識(shí)別，對(duì)父母本的抽穗期進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以期提高雜交種產(chǎn)量和純度，并推動(dòng)水稻制種的技術(shù)發(fā)展。
1硬件和軟件
計(jì)算機(jī)視覺(jué)的硬件設(shè)備主要為數(shù)碼相機(jī)和計(jì)算機(jī)。其中，數(shù)碼相機(jī)為NikonDL24-500型，拍攝圖像時(shí)距離地面高度3m，拍攝角度與豎直方向夾角為60°，獲取的圖像為800萬(wàn)像素的JPEG格式，通過(guò)MXT2002型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的信號(hào)。計(jì)算機(jī)為聯(lián)想揚(yáng)天M4900型臺(tái)式電腦，配件包括Inteli7中央處理器、8GB的DDR3內(nèi)存和1TB硬盤(pán)。該機(jī)型的運(yùn)行快速穩(wěn)定，可以滿足圖像實(shí)時(shí)處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的要求。計(jì)算機(jī)安裝Windows10操作系統(tǒng)和MatLab7.0工具箱，用于圖像的視覺(jué)處理。
2圖像處理
2.1圖像的采集和預(yù)處理
圖像的組成部分包括水稻父母本、雜株雜草，背景為水田，本文基于顏色特征對(duì)它們進(jìn)行區(qū)分。另外，根據(jù)具體的分析目的，選擇在合適的水稻生長(zhǎng)期拍攝圖像，采集時(shí)刻為陰天的上午10時(shí)左右。俯視拍攝導(dǎo)致采集的圖像出現(xiàn)不同程度的畸變，因此參考紀(jì)壽文的方法對(duì)圖像進(jìn)行矯正[14];然后，利用低通濾波法進(jìn)行平滑處理，通過(guò)中值濾波去除相機(jī)抖動(dòng)產(chǎn)生的噪音干擾，從而提高圖像的質(zhì)量和后續(xù)分析的準(zhǔn)確性。
2.2圖像的灰度化
原始圖像中的水田背景為白色，水稻和雜草都是綠色，水稻父本、母本及雜草的顏色深淺存在差異。在水稻的抽穗開(kāi)花期，葉片為綠色，稻穗為黃色，區(qū)別較為明顯。因此，利用顏色的差異將各個(gè)部分從背景中分離出來(lái)。這里根據(jù)水稻田間圖像受光照強(qiáng)度影響的情況，選擇HSI模型的顏色空間，以色調(diào)H、飽和度S和亮度I作為分量處理圖像，在I分量下對(duì)圖像進(jìn)行灰度化。
2.3特征提取
圖像分割是提取目標(biāo)特征的必要步驟，這里根據(jù)圖像特點(diǎn)和分析目的，通過(guò)閾值分割法分割圖像。該方法的計(jì)算模型簡(jiǎn)單，運(yùn)行速度快，適合于水稻制種田的圖像處理。通過(guò)分析原始圖像的直方圖，獲得合適的閾值用于圖像分割。具體方法:將I分量效果圖和原圖像灰度圖做最大類間方差分析，再進(jìn)行二值化，即得到顏色特征的劃分閾值;分析圖像中每個(gè)像素點(diǎn)的顏色特征值，通過(guò)與閾值的比較結(jié)果做出判定，從而獲得目標(biāo)圖像。
3應(yīng)用功能
本文計(jì)算機(jī)視覺(jué)在水稻大面積制種的應(yīng)用功能為空行識(shí)別、雜草雜株識(shí)別和抽穗期監(jiān)測(cè)。空行識(shí)別的圖像在母本返青時(shí)拍攝，根據(jù)空行與水稻植株的顏色差異進(jìn)行區(qū)分。識(shí)別的內(nèi)容包括父本(黑色)、母本(灰色)和空行(白色)，可以根據(jù)空行規(guī)劃行走路徑，以便于機(jī)械進(jìn)行農(nóng)藥噴灑作業(yè)。雜株雜草識(shí)別的圖像在水稻分蘗盛期拍攝，根據(jù)植株顏色的深淺差異進(jìn)行區(qū)分。識(shí)別的內(nèi)容包括正常植株(白色)和雜株雜草(黑色)，用來(lái)引導(dǎo)植株人員進(jìn)行清除，以提高制種的純度。
抽穗期監(jiān)測(cè)的圖像在水稻父本和母本的抽穗期拍攝，根據(jù)葉片與稻穗的顏色差異進(jìn)行區(qū)分。識(shí)別的內(nèi)容包括葉片(白色)和稻穗(黑色)，根據(jù)稻穗密度評(píng)判父母本抽穗期，計(jì)算相差的天數(shù)。抽穗期監(jiān)測(cè)可以引導(dǎo)植株人員噴灑植物激素調(diào)節(jié)花期，以提高制種的產(chǎn)量。
4試驗(yàn)結(jié)果和分析
2017年，在本單位的試驗(yàn)基地對(duì)計(jì)算機(jī)視覺(jué)的上述3種功能進(jìn)行了測(cè)試。制種所用的水稻父本1個(gè)，母本4個(gè)，分別種植在4個(gè)田塊中，每塊面積約1hm2。水稻采用人工移栽，先移栽父本，后移栽母本，采用常規(guī)的水肥管理。對(duì)4個(gè)田塊分別用計(jì)算機(jī)視覺(jué)進(jìn)行空行識(shí)別、雜株雜草識(shí)別和抽穗期監(jiān)測(cè)，同時(shí)進(jìn)行人工觀察記載，最后比較兩組數(shù)據(jù)的差異。
計(jì)算機(jī)視覺(jué)在母本返青時(shí)期對(duì)空行的識(shí)別效果，可以為機(jī)械行走路徑的規(guī)劃提供依據(jù)。計(jì)算機(jī)視覺(jué)對(duì)雜株雜草的識(shí)別和抽穗期監(jiān)測(cè)效果。以人工觀察的數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算機(jī)視覺(jué)能夠較準(zhǔn)確地識(shí)別雜株和雜草，沒(méi)有出現(xiàn)誤檢的情況;存在個(gè)別漏檢的雜草，可能是由于植株太小造成的，不會(huì)影響制種的純度。計(jì)算機(jī)視覺(jué)監(jiān)測(cè)的父母本抽穗期與實(shí)際接近，最大的差異僅為1天。
5結(jié)論
本文在水稻大面積制種過(guò)程中引入計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)，用數(shù)碼相機(jī)拍攝田間圖像，然后用計(jì)算機(jī)依次進(jìn)行預(yù)處理、灰度化和特征提取，實(shí)現(xiàn)對(duì)田間的空行和雜草雜株的識(shí)別，以及對(duì)父母本抽穗期的監(jiān)測(cè)。試驗(yàn)表明:計(jì)算機(jī)視覺(jué)能夠有效識(shí)別水稻空行，對(duì)雜株雜草的識(shí)別也較為準(zhǔn)確，沒(méi)有出現(xiàn)誤檢的情況。計(jì)算機(jī)視覺(jué)監(jiān)測(cè)的父母本抽穗期與實(shí)際接近，最大的差異僅為1天，可以提高雜交種產(chǎn)量和純度，推動(dòng)水稻制種技術(shù)的發(fā)展。
參考文獻(xiàn):
[1]周艷，宋世文，譚放軍，等.精準(zhǔn)輕簡(jiǎn)高效水稻制種技術(shù)研究[J].湖南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2006(4):27-29.
[2]張紹安，余保生，謝保忠.雜交水稻制種高產(chǎn)的影響因素與對(duì)策[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2010(24):86.
[3]梅凱華，蔡正軍，陳蔚.水稻制種花期預(yù)測(cè)方法[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2016(20):44-45.
[4]黃波，羅傳浩，向薇薇，等.水稻全程機(jī)械化制種栽培技術(shù)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，43(34):49.
[5]熊瑋，朱德全，朱德文，等.雜交水稻制種父母本同栽插秧機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2016，28(4):699-706.
[6]李慶中，汪懋華.基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的水果實(shí)時(shí)分級(jí)技術(shù)發(fā)展與展望[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，1999，30(6):1-7.
[7]楊國(guó)彬，趙杰文，向忠平.利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)對(duì)自然背景下西紅柿進(jìn)行判別[J].農(nóng)機(jī)化研究，2003(1):60-62.
相關(guān)期刊推薦：《安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)》是由安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院主辦的綜合性農(nóng)業(yè)學(xué)術(shù)期刊，創(chuàng)刊于1961年。2007年由半月刊改為旬刊。主要刊登全國(guó)范圍的農(nóng)、林、牧、副、漁業(yè)基礎(chǔ)理論、應(yīng)用研究及農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)研究、農(nóng)史研究等與農(nóng)業(yè)有關(guān)的學(xué)術(shù)研究論文，追蹤報(bào)道各學(xué)科的最新實(shí)用的農(nóng)業(yè)科技成果。
