農(nóng)藥精準(zhǔn)使用

農(nóng)藥精準(zhǔn)使用第1頁(yè)/共38頁(yè)1.1農(nóng)藥精準(zhǔn)使用的定義一.農(nóng)藥精準(zhǔn)使用技術(shù)概述農(nóng)藥精準(zhǔn)使用（precisionpesticideapplication,PPA）：利用現(xiàn)代農(nóng)林生產(chǎn)工藝和先進(jìn)技術(shù)，設(shè)計(jì)在自然環(huán)境中基于實(shí)時(shí)視覺(jué)傳感或基于地圖的農(nóng)藥精準(zhǔn)施用方法。該方法涵蓋施藥過(guò)程中的目標(biāo)信息采集、目標(biāo)識(shí)別、施藥決策、可變量噴霧執(zhí)行等農(nóng)藥精確使用的主要技術(shù)要點(diǎn)，以節(jié)約農(nóng)藥、提高農(nóng)藥使用效率和減輕農(nóng)藥環(huán)境污染，改善農(nóng)林病蟲害防治中的施藥工藝和施藥器械，實(shí)現(xiàn)農(nóng)林病蟲草害防治的農(nóng)藥使用技術(shù)的智能化、精確化和自動(dòng)化，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和農(nóng)林生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。簡(jiǎn)而言之，農(nóng)藥精準(zhǔn)使用技術(shù)就是要實(shí)現(xiàn)定時(shí)、定量和定點(diǎn)施藥。第2頁(yè)/共38頁(yè)1.2農(nóng)藥精準(zhǔn)使用的意義傳統(tǒng)農(nóng)藥使用方法是對(duì)病蟲草害發(fā)生區(qū)域采用相同的施藥處理。這種忽視病蟲草害時(shí)空差異性的方法導(dǎo)致農(nóng)藥投入成本加大，污染環(huán)境。顯然，與傳統(tǒng)農(nóng)藥使用技術(shù)相比，采用可變量技術(shù)的農(nóng)藥精確技術(shù)可以準(zhǔn)確地根據(jù)農(nóng)林病蟲草害危害狀況和農(nóng)田狀況進(jìn)行精確處理。歸納起來(lái)，精確施用農(nóng)藥具有以下意義。一.農(nóng)藥精準(zhǔn)使用技術(shù)概述第3頁(yè)/共38頁(yè)精確施藥促進(jìn)人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展精確施藥技術(shù)的推廣可以帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展精確施藥技術(shù)的推廣可提高農(nóng)林生產(chǎn)效率一.農(nóng)藥精準(zhǔn)使用技術(shù)概述第4頁(yè)/共38頁(yè)農(nóng)藥精準(zhǔn)使用技術(shù)通常在確認(rèn)識(shí)別病蟲草害相關(guān)特征差異性基礎(chǔ)上，充分獲取目標(biāo)的時(shí)空差異性信息，采取技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上有效地農(nóng)藥使用方案，僅對(duì)病蟲草危害區(qū)域進(jìn)行按需定點(diǎn)噴霧。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外普遍采用的農(nóng)藥精準(zhǔn)使用系統(tǒng)，通常有兩種方式：基于實(shí)時(shí)傳感的農(nóng)藥精準(zhǔn)使用系統(tǒng)和基于地圖的農(nóng)藥精確使用系統(tǒng)。二.農(nóng)藥精準(zhǔn)使用原理2.1農(nóng)藥精確使用系統(tǒng)組成第5頁(yè)/共38頁(yè)全球定位系統(tǒng)田間定位系統(tǒng)地理信息系統(tǒng)計(jì)算機(jī)（控制器）遙感系統(tǒng)可變量施用設(shè)備機(jī)載傳感器2.1.1典型的基于地圖的農(nóng)藥精確使用框圖二.農(nóng)藥精準(zhǔn)使用原理第6頁(yè)/共38頁(yè)CCD及圖像采集卡目標(biāo)計(jì)算機(jī)（圖像處理系統(tǒng)）可變量噴霧控制器噴霧裝置地速傳感器二.農(nóng)藥精準(zhǔn)使用原理2.1.2基于實(shí)時(shí)傳感的農(nóng)藥精確使用系統(tǒng)第7頁(yè)/共38頁(yè)如何實(shí)現(xiàn)定時(shí)、定量、定點(diǎn)噴灑農(nóng)藥的農(nóng)藥精確使用呢?圖2.5給出農(nóng)藥精確對(duì)靶使用方法的總體系統(tǒng)方案，整個(gè)農(nóng)藥精確對(duì)靶使用系統(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)。系統(tǒng)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。二.農(nóng)藥精準(zhǔn)使用原理2.1.3農(nóng)藥精準(zhǔn)使用方法第8頁(yè)/共38頁(yè)第9頁(yè)/共38頁(yè)

系統(tǒng)利用CCD攝像頭、圖像采集卡和VC++的VFW類庫(kù)進(jìn)行視頻捕獲，獲取目標(biāo)形態(tài)圖像，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)圖像的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采集與傳輸，采集到的目標(biāo)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，獲得目標(biāo)的幾何特征(如邊緣、重心、周長(zhǎng)、高度比、深度等)信息，完成目標(biāo)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)圖像信息中恢復(fù)出目標(biāo)真實(shí)信息，并形成實(shí)時(shí)噴霧控制策略。第10頁(yè)/共38頁(yè)其中農(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。該方案包括施藥過(guò)程中的目標(biāo)圖像采集、圖像分割與特征識(shí)別、噴霧控制等，以此方案設(shè)計(jì)的農(nóng)藥精確對(duì)靶噴霧系統(tǒng)可應(yīng)用于雜草防治，城市和公路行道樹、防護(hù)林、風(fēng)景園林、果園果樹、設(shè)施農(nóng)業(yè)和航空病蟲害防治工作。第11頁(yè)/共38頁(yè)2.1.4農(nóng)藥噴霧目標(biāo)圖像采集（1）綠色植物目標(biāo)反射光譜特性任何目標(biāo)都有輻射、反射或吸收外來(lái)紫外線、可見光、紅外線和微波等電磁波的性質(zhì)，少數(shù)地物目標(biāo)還具有透射電磁波的特勝。輻射能量入射到任何地面上，會(huì)出現(xiàn)三種情況:二.農(nóng)藥精準(zhǔn)使用原理部分能量被地物反射部分能量被地物吸收并成為地物本身內(nèi)能后再發(fā)射出來(lái)部分能量被地物透射第12頁(yè)/共38頁(yè)根據(jù)能量守恒定律有到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射能量=反射能量+吸收能量+透射能量綠色植物的光譜反射特性，明顯不同于土壤和水等的光譜特性。綠色植物的反射光譜(reflectancespectrum)曲線總是呈現(xiàn)明顯的“峰與谷“的特征。二.農(nóng)藥精準(zhǔn)使用原理第13頁(yè)/共38頁(yè)（2）

樹木目標(biāo)圖像采集圖像獲取也就是圖像的數(shù)字化過(guò)程，即將圖像采集到計(jì)算機(jī)中的過(guò)程，主要涉及成像及模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)。一幅圖像在用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理前必須先轉(zhuǎn)化為數(shù)字形式，圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字形式的方法是將物理圖像經(jīng)過(guò)采樣劃分為稱作圖像像素的小區(qū)域，即像素。最常見的劃分方案是方形采樣網(wǎng)格，圖像被分割成由相鄰圖像組成的許多水平線。二.農(nóng)藥精準(zhǔn)使用原理第14頁(yè)/共38頁(yè)二.農(nóng)藥精準(zhǔn)使用原理經(jīng)過(guò)采樣后的圖像還不是數(shù)字圖像，因?yàn)檫@些像素上的灰度值仍是一個(gè)連續(xù)量，必須進(jìn)行量化。所謂量化就是將每個(gè)像素的亮暗程度用一個(gè)整數(shù)值來(lái)表示，即像素的灰度離散化。完成上述轉(zhuǎn)化后，圖像被表示為一個(gè)整數(shù)矩陣。每個(gè)像素具有兩個(gè)屬性:位置和灰度。在采樣與量化處理后，產(chǎn)生一張數(shù)字化的圖像，然后就可用圖像處理軟件對(duì)圖像進(jìn)行處理。第15頁(yè)/共38頁(yè)包含樹木的自然景物動(dòng)態(tài)樹木圖像CCDA/D、D/A圖像采集卡計(jì)算機(jī)噴霧控制系統(tǒng)樹木的靜態(tài)圖像數(shù)碼相機(jī)PCI擴(kuò)展槽第16頁(yè)/共38頁(yè)3.1

定點(diǎn)雜草控制技術(shù)通常除草劑是均勻地用于整個(gè)田塊，需要考慮雜草在田間的空間分布。實(shí)際上雜草在田間的分布是不均勻的，這就造成了部分區(qū)域可能無(wú)法控制草害。定點(diǎn)雜草管理是一項(xiàng)重要的雜草控制技術(shù)，要實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)雜草管理，需要用于檢測(cè)和估計(jì)田間雜草分布的自動(dòng)化系統(tǒng)。三.典型精確施藥系統(tǒng)第17頁(yè)/共38頁(yè)3.1.1雜草識(shí)別技術(shù)定點(diǎn)雜草管理是一項(xiàng)重要的雜草控制技術(shù)，要實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)雜草管理，需要開發(fā)用于檢測(cè)和估計(jì)田間雜草分布的自動(dòng)化系統(tǒng)。三.典型精確施藥系統(tǒng)第18頁(yè)/共38頁(yè)三.典型精確施藥系統(tǒng)雜草圖像采集與處理的目的是將雜草目標(biāo)從土壤、秸稈和作物中分割出來(lái)。在大多數(shù)情況下，由于作物具有相對(duì)大的分布密度和覆蓋，作物與雜草就有不同的反射水平。對(duì)于每一幀圖像，作物行的位置和行間距是穩(wěn)定的。下圖給出一幀圖像的分割結(jié)果及作物和雜草分割示例。通過(guò)分割，雜草密度和覆蓋狀況就可以由計(jì)算機(jī)行間的像素?cái)?shù)量來(lái)決定。第19頁(yè)/共38頁(yè)3.1.2除草劑定點(diǎn)噴霧技術(shù)由CCD攝像頭、圖像采集卡、計(jì)算機(jī)、噴霧控制器、電磁閥與噴頭、地速傳感器等組成。智能噴霧機(jī)應(yīng)用機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)來(lái)采集和分析計(jì)算雜草特征，即采用CCD攝像頭和圖像采集卡實(shí)時(shí)采集田間雜草和作物圖像，通過(guò)計(jì)算機(jī)圖像處理獲取雜草分布特征，確定施藥噴霧決策，通過(guò)噴霧控制器分別控制噴桿的電磁閥和噴頭，使每個(gè)噴霧噴頭執(zhí)行開閉的動(dòng)作或使每個(gè)噴頭改變施藥量，從而實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)噴霧。三.典型精確施藥系統(tǒng)第20頁(yè)/共38頁(yè)三.典型精確施藥系統(tǒng)該系統(tǒng)能在3.7m×0.43m的范圍內(nèi)分辨出作物、雜草和土壤，并在0.37s內(nèi)做出噴霧決策。這樣，噴霧機(jī)就能以4.2km/h的速度行進(jìn)。其分辨土壤的準(zhǔn)確率為100%、分辨雜草的準(zhǔn)確率為75%、分辨作物的準(zhǔn)確率為47.8%。智能噴霧機(jī)（smartsprayer）：美國(guó)伊利諾依大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物工程系針對(duì)雜草防治，研究開發(fā)智能噴霧機(jī)。第21頁(yè)/共38頁(yè)第22頁(yè)/共38頁(yè)3.2精確側(cè)向噴霧系統(tǒng)精確側(cè)向噴霧系統(tǒng)應(yīng)用機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)和快速響應(yīng)間歇噴霧系統(tǒng)，向有雜草危害區(qū)域噴霧。根據(jù)雜草分布密度，相比傳統(tǒng)噴霧，最高可以節(jié)約97%的農(nóng)藥。三.典型精確施藥系統(tǒng)第23頁(yè)/共38頁(yè)三.典型精確施藥系統(tǒng)與其他常規(guī)噴桿式噴霧機(jī)不同，該系統(tǒng)的傳感器、噴頭或其他零件均未伸出噴霧機(jī)車輛之外。由于雜草分布會(huì)在一個(gè)很大的范圍內(nèi)發(fā)生突然變化，因此啟動(dòng)噴霧的噴頭數(shù)量和噴霧流量能夠迅速改變來(lái)適應(yīng)這種變化。第24頁(yè)/共38頁(yè)第25頁(yè)/共38頁(yè)3.3樹木對(duì)靶施藥技術(shù)基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的林木病蟲害防治農(nóng)藥自動(dòng)噴霧系統(tǒng)，根據(jù)不同樹種的生長(zhǎng)特征和栽植密度以及樹冠形態(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)包括樹木特征圖像采集系統(tǒng)、圖像處理單元和農(nóng)藥使用系統(tǒng)（包括流量控制系統(tǒng)和噴霧系統(tǒng)等）。三.典型精確施藥系統(tǒng)第26頁(yè)/共38頁(yè)實(shí)時(shí)計(jì)算必須在一定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生正確的噴霧控制策略，著不僅依賴于計(jì)算邏輯的正確性，同時(shí)依賴于產(chǎn)生結(jié)果的時(shí)間的準(zhǔn)確性，需要解決在自然光照條件下的樹木圖像采集處理系統(tǒng)，將連續(xù)運(yùn)動(dòng)圖像進(jìn)行采集和處理。需要一套適應(yīng)環(huán)境變化的樹木特征識(shí)別算法進(jìn)行樹形圖像分割、施藥量決策支持系統(tǒng)和農(nóng)藥噴頭噴霧策略，對(duì)每個(gè)噴頭的施藥量進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥實(shí)時(shí)精準(zhǔn)對(duì)靶施用。三.典型精確施藥系統(tǒng)第27頁(yè)/共38頁(yè)3.3.1

彩圖23給出基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的農(nóng)藥自動(dòng)對(duì)靶噴霧系統(tǒng)總體示意圖，實(shí)時(shí)圖采集系統(tǒng)通過(guò)CCD和圖像采集卡實(shí)時(shí)采集目標(biāo)樹木圖像，通過(guò)計(jì)算機(jī)圖像統(tǒng)提取樹木目標(biāo)特征，并形成和發(fā)送噴霧控制策略，經(jīng)農(nóng)藥噴霧可變量控制控制噴頭實(shí)現(xiàn)對(duì)靶噴霧。第28頁(yè)/共38頁(yè)3.3.2樹形識(shí)別系統(tǒng)樹形是由樹冠和樹干組成，樹冠由主枝、側(cè)枝、葉幕及一部分主干組成。不同的樹種各有其獨(dú)特的樹形，這主要由樹種的遺傳性決定，但也受外界環(huán)境因子的影響，如園林管理、自然界的風(fēng)、光等多種因素的影響。在農(nóng)藥精確對(duì)靶噴霧中，樹形是實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格意義上對(duì)靶噴霧的基礎(chǔ)。三.典型精確施藥系統(tǒng)第29頁(yè)/共38頁(yè)樹種的樹形并非永遠(yuǎn)不變，它隨著生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程而呈現(xiàn)出規(guī)律性的變化。一般所謂某種樹有什么樣的樹形，大抵指在正常的生長(zhǎng)環(huán)境下，其成年樹的外貌而言。根據(jù)樹及樹葉的種類不同，樹木的樹形具有不同的分類方法，通常將樹形分為下列七類：三.典型精確施藥系統(tǒng)第30頁(yè)/共38頁(yè)第31頁(yè)/共38頁(yè)第32頁(yè)/共38頁(yè)第33頁(yè)/共38頁(yè)3.3.3樹木農(nóng)藥精確對(duì)靶使用系統(tǒng)較為龐大，實(shí)現(xiàn)的功能也很多，因此將整個(gè)分為若干個(gè)子單元。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖5.16所示。包括上位機(jī)單元、下位