成像技术让农业更加环保

一个配备Allied Vision Technologies数码相机的创新系统可扫描田间杂草,最大程度减少除草剂的使用

数码成像技术在工业检测、产品质检、自动化监控以及工艺优化等领域广泛应用。然而,机器视觉技术在农业中也能同样帮助提高生产力,减少成本并保护环境。为此,荷兰瓦赫宁根大学的研究人员开发了一套新型系统,用于自动识别并清除田间杂草。

剔除杂草:杀鸡用牛刀
就像很难管理普通花园里的杂草一样,农场上的杂草也同样让人头疼。一个典型的例子就是长在甜菜地里的野生土豆。这是当轮种甜菜时,以前残存下来的土豆苗已在几年内变成野生土豆。土豆杂草会带来线虫,同时也会在田间传播疾病,如晚疫病菌。在面积达数亩的农田中,人工拔除所有野生土豆是不可能的,故而化学手段成为了唯一的解决方案:因此,为了铲除少数杂草,整块田需要喷洒农药。当然,这些农药也会不可避免地洒到栽种的作物上。

荷兰以其先进的高产农业而知名,在世界农学界占据着一席领先地位。因此,荷兰研究者理所当然地想到了杂草剔除问题。瓦赫宁根大学农业组的这个长达五年的项目是专题论文研究的一部分,并由乌德勒支的STW科技基金会赞助支持。

巨型农田扫描仪

这个项目的目标是在不污染整块农田,尤其是甜菜作物的情况下,辨识并准确铲除土豆杂草。很快,研究人员就意识到要分辨田间的作物和杂草并选择性喷洒农药,一套成像系统是不可或缺的。
凭借Allied Vision Technologies在荷卢经济联盟国家的销售合作伙伴——荷兰成像专家Data Vision公司的支持,研究人员开发了一套能用拖拉机拖动的可移动系统。巨型扫描仪拍摄地面图像并辨识野生土豆苗。这些土豆苗被区别出来后,就用微型除草喷雾剂铲除。

辨识并铲除杂草
整个系统安装在一个能在整块田上移动的拖车上。

在第一阶段,杂草须被检测出来。为此,采用了两台Allied Vision Technologies 的Marlin F-201数码相机。两台相机都配有200万像素的传感器;其中一个是彩色相机,另一个则是红外敏感单色相机,配有一个780纳米的红外滤镜。相机有两个功能:首先,它们确认植物在土里的位置;然后,它们辨别植物是杂草还是农作物。

在大小为150 x 18毫米的拍摄地面区域内,分辨率只有1像素/毫米多一点(1.08像素/毫米)。为了得到最好的图像,相机安装在一个只从下方打开的箱子里,允许五盏氙气灯提供照明。此外,一个测距仪安装在拖车的一个轮子上,记录图像在田地里的精确位置。

为了控制图像拍摄及分析,荷兰研究者决定使用美国国家仪器公司硬件(带Virtex-5 FPGA的NI PXI系统)和软件(NI LabView)

智能图像分析调解自然产生的像差

图像分析的首要任务就是辨别杂草。为了完成任务,系统是自适应的。Ard Nieuwenhuizen博士解释道:“在机械种植的农田上,每道犁沟都经过精确地划分:只有犁沟之间才有杂草。”当然,杂草也可能生长在作物之间的犁沟中。因此,系统首先要集中分析犁沟的颜色和红外属性。软件熟习了野生土豆的特征后,即使土豆夹杂在甜菜间,也能辨别犁沟上的植物类型,从而将杂草分辨出来。

“成像系统在农业应用中的另外一个挑战是土壤属性。由于水分和氮含量等在自然中不是同质的,这会使得植物的颜色属性产生变化,”Nieuwenhuizen说道。为了避开这个问题,系统每十米进行一次重新校准,这样系统只比较邻近彼此的植物。

一旦发现多余的植物,只要用微型喷雾剂就可将其处理。这个喷雾仪器,在农业领域还是件新产品。它能以每滴5微升的递增量将除草剂小剂量喷射到野生土豆的叶片上。它的喷射速度是3千米/小时,可精确到±15毫米。

Marlin:灵巧坚固的工业相机
当考虑选择相机时,他们很快做出了决定使用Allied Vision Technologies的Marlin 相机。这款经过实践证明的工业相机仿佛是天生为这个任务而制造的,能在艰难的条件下可靠地使用。Ard Nieuwenhuizen解释说:“此外,AVT相机根据个别需求可以轻易进行配置,如感兴趣区域,阴影校正或触发校正。”

高效除草监控增加收成并保护环境
在实践中部署原型设备证明是一大成功。自动化解决方案是首次用来除野生土豆。这一方案既有经济效益和生态效益:由于喷雾只喷射杂草,这就避免了大量除草剂的使用并降低了成本。

同样,对于环境的影响也从两方面减小了。其一,用于除野生土豆的有毒化学药剂大大减少了。其二,由于作为疾病传播媒介的杂草在早期就被高效地铲除,这又大大降低了作物生长周期中对甜菜本身的化学处理。

一些工业公司已对营销这套系统产生兴趣。然而,要让系统能除去野生土豆以外的入侵植物还需要进一步开发研究,这样才能对农民们有更大的吸引力。此外,瓦赫宁根大学研究中心的另一个研究分队正在研究另一个配备AVT相机的自动杂草辨识系统。这个系统也适用于有机农业。它并不向杂草喷射除草剂,而是以机械方式除去它们。

在农业领域,运用数码成像技术还处于萌芽期。尽管如此,通过除草这个例子,我们不难看出此项技术将对解决当代两个农业上相互矛盾的难题带来极大帮助。那就是:更经济同时更环保的生产。