專利名稱：一種自動識別田間雜草的方法與噴藥裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備自動化控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種農(nóng)作物除草的智能化作業(yè)機(jī)具，尤其涉及一種田間雜草圖像自動識別與噴藥系統(tǒng)裝置。
背景技術(shù)：
常用機(jī)械化除草噴藥裝置在田間作業(yè)時一般不能進(jìn)行有針對性的噴藥，而且其噴藥量并不是動態(tài)調(diào)節(jié)的。若某一區(qū)域確定要除草，便采用通用的機(jī)動噴藥裝置，裝載大量的除草藥劑，對整塊田進(jìn)行全面地噴灑，一是消耗大量的除草劑，使得資源的利用不夠合理，再者是大量的藥物殘留在作物及耕地上，不利于環(huán)境保護(hù)。
除草劑是人類在與雜草危害斗爭中發(fā)明創(chuàng)造出來的一種強(qiáng)有力的法寶。上世紀(jì)后期發(fā)現(xiàn)無機(jī)化合物硫酸銅可殺死麥田某些闊葉雜草。本世紀(jì)40年代發(fā)明了2，4-D，使人類進(jìn)入了有機(jī)化學(xué)除草劑時代。幾十年來有機(jī)除草劑迅速發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于幾乎所有的農(nóng)作物田中，除草劑的產(chǎn)銷量國內(nèi)外都已超過殺蟲殺菌劑而躍居農(nóng)藥產(chǎn)銷量之首。據(jù)測算1999年我國化學(xué)除草面積已近6700萬公頃(10億畝)。
事物都是一分為二的，除草劑和其他農(nóng)藥及化學(xué)品類似都含有不同程度的毒性，環(huán)境會造成一定危害，這些影響最終將不同程度的危害人類本身生存的環(huán)境。有些國家已采取壓縮除草劑等農(nóng)藥的面積，限制某些除草劑等農(nóng)藥的施用，逐步全面禁止除草劑等農(nóng)藥的應(yīng)用。
中國的農(nóng)藥施用量偏高，已經(jīng)引起地下水的污染。除草劑通過過量的漫灌或雨水滲入地下，污染地下水。環(huán)境專家指出，污染不是一二十年或數(shù)十年能復(fù)原的，地下水在自然界的循環(huán)過程，常常是上百年。智能化的噴藥機(jī)械的研究將大大有利于該問題的解決。
隨著計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，圖像自動識別水平不斷得以提高，通過計算機(jī)視覺系統(tǒng)結(jié)合圖像處理技術(shù)，并將其應(yīng)用到田間雜草自動識別過程中，可以解決田間雜草自動識別問題，結(jié)合自動控制技術(shù)和變量噴藥機(jī)械的實施，設(shè)計智能化噴藥機(jī)械已成為可能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種自動識別田間雜草的方法與噴藥裝置，解決現(xiàn)有農(nóng)藥噴灑裝置不能對田間雜草進(jìn)行自動識別，浪費大量農(nóng)藥并且產(chǎn)生污染的技術(shù)問題。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種自動識別田間雜草的方法，其特點在于，包括如下步驟步驟一，利用裝備在農(nóng)機(jī)上的攝像機(jī)實時獲取田間待分析植物的圖像，并將所述待分析植物的圖像傳輸?shù)窖b備在所述農(nóng)機(jī)上的計算機(jī)；步驟二，所述計算機(jī)中存儲有應(yīng)用統(tǒng)計方法從大量農(nóng)作物和雜草的圖像中得到的圖像對比標(biāo)準(zhǔn)，所述計算機(jī)利用圖像識別方法將所述待分析植物的圖像與所述圖像對比標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果判定所述待分析植物為農(nóng)作物或雜草；步驟三，所述計算機(jī)根據(jù)判定結(jié)果控制安裝在所述農(nóng)機(jī)上的噴藥機(jī)對雜草進(jìn)行針對性的噴藥。
上述的自動識別田間雜草的方法，其特點在于，所述圖像識別方法為分割植物與背景的距離聚類法；所述圖像對比標(biāo)準(zhǔn)為農(nóng)作物顏色中值點和雜草顏色中值點，在所述比較結(jié)果中，如果所述待分析植物的圖像與所述農(nóng)作物顏色中值點的色差小于一第一預(yù)定值，則判定所述待分析植物為農(nóng)作物；如果所述待分析植物的圖像與所述雜草顏色中值點的色差小于一第二預(yù)定值，則判定所述待分析植物為雜草。
上述的自動識別田間雜草的方法，其特點在于，所述圖像識別方法還包括采用色度和飽和度空間的“物草分割模型”方法；所述圖像對比標(biāo)準(zhǔn)為“物草分割線”，上述的自動識別田間雜草的方法，其特點在于，所述“物草分割線”的獲得方式包括從所述大量農(nóng)作物和雜草的像素點的色度H和飽和度S值分別畫于H-S圖中，將農(nóng)作物和雜草的點分別進(jìn)行多元線性回歸，求得農(nóng)作物的色度與飽和度關(guān)系模型，以及雜草的色度與飽和度關(guān)系模型，再通過加權(quán)運算方法求得所述“物草分割模型”。
上述的自動識別田間雜草的方法，其特點在于，所述多元線性回歸的i次方回歸模型公式包括植物回歸模型Fw(x)＝ai*xi+a(i-1)*x1-1+…+a1*x+a0；雜草回歸模型Fc(x)＝bi*xi+b(i-1)*x1-1+…+b1*x+b0；物草分割模型Fwc(x)＝p(x)*Fw(x)+q(x)*Fc(x)；公式中的p(x)和q(x)為加權(quán)因子，并且p(x)+q(x)＝1。
上述的自動識別田間雜草的方法，其特點在于，所述步驟三包括所述噴藥機(jī)的多個噴頭排列成與所述攝像機(jī)獲取的圖像寬度相匹配的寬度，每個噴頭聯(lián)接一個控制開啟的電磁閥，所述計算機(jī)通過控制所述電磁閥來針對圖像中對應(yīng)的雜草進(jìn)行噴藥；多個所述電磁閥聯(lián)接一個流量控制閥，所述計算機(jī)通過控制所述流量控制閥來實現(xiàn)變量噴藥。
為了更好的實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明還提供了一種自動識別田間雜草的噴藥裝置，其特點在于，包括農(nóng)機(jī)，安裝在所述農(nóng)機(jī)上的攝像機(jī)，安裝在所述農(nóng)機(jī)尾部的噴藥機(jī)，安裝在所述農(nóng)機(jī)上并連接所述攝像機(jī)和噴藥機(jī)的計算機(jī)；所述攝像機(jī)實時獲取田間待分析植物的圖像，并將所述待分析植物的圖像傳輸?shù)剿鲇嬎銠C(jī)；所述計算機(jī)中存儲有應(yīng)用統(tǒng)計方法從大量農(nóng)作物和雜草的圖像中得到的圖像對比標(biāo)準(zhǔn)，所述計算機(jī)利用圖像識別方法將所述待分析植物的圖像與所述圖像對比標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果判定所述待分析植物為農(nóng)作物或雜草；所述計算機(jī)根據(jù)判定結(jié)果控制所述噴藥機(jī)對雜草進(jìn)行針對性的噴藥。
上述的噴藥裝置，其特點在于，所述農(nóng)機(jī)設(shè)置有圖像采集機(jī)架，所述攝像機(jī)為多個且橫向分布在所述圖像采集機(jī)架上，所述攝像機(jī)，兩端開口的箱體套在所述多個攝像機(jī)周圍，所述箱體朝向地面的開口設(shè)置有橡膠防護(hù)罩，所述橡膠防護(hù)罩中設(shè)置有燈光照明。
上述的噴藥裝置，其特點在于，所述噴藥機(jī)具有多個噴頭，所述多個噴頭排列成與所述攝像機(jī)獲取的圖像寬度相匹配的寬度，每個噴頭聯(lián)接一個由所述計算機(jī)控制開啟的電磁閥；多個所述電磁閥聯(lián)接一個由所述計算機(jī)控制開啟的流量控制閥。
上述的噴藥裝置，其特點在于，所述農(nóng)機(jī)為拖拉機(jī)牽引的農(nóng)機(jī)，所述拖拉機(jī)頂部設(shè)置有全球定位系統(tǒng)天線，所述天線連接所述計算機(jī)。
本發(fā)明的技術(shù)效果在于
本發(fā)明針對機(jī)械化除草作業(yè)，提出了一種基于計算機(jī)圖像自動識別方法及機(jī)電控制方法以及設(shè)計智能化精準(zhǔn)噴藥除草裝置，保證除草噴藥機(jī)在田間作業(yè)過程中能正確地辨識作物與雜草，并根據(jù)雜草的分布狀況，實時準(zhǔn)確地開啟相應(yīng)的噴頭，將除草劑灑向雜草，以實現(xiàn)節(jié)省農(nóng)藥和減少環(huán)境污染的目的。
下面結(jié)合附圖進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明的具體實施例。


圖1是本發(fā)明雜草自動識別方法的原理框圖；圖2是本發(fā)明的智能化噴藥系統(tǒng)原理框圖；圖3a是本發(fā)明的田間雜草圖像識別與噴藥系統(tǒng)側(cè)視圖；圖3b是本發(fā)明的田間雜草圖像識別與噴藥系統(tǒng)俯視圖。
其中，附圖標(biāo)記說明如下1——電磁閥2——流量控制閥3——壓力表4——調(diào)壓閥5——過濾器6——液泵 7——藥箱 8——連接機(jī)架9——機(jī)載計算機(jī)10——圖像采集機(jī)架11——攝像機(jī) 12——封閉箱體 13——差分GPS天線14——GPS 15——拖拉機(jī) 16——牽引架17——燈光照明 18——橡膠防護(hù)罩 19——綠色植物20——噴藥機(jī)架 21——管路 22——噴頭具體實施方式
本發(fā)明是針對機(jī)械化除草作業(yè)，提出一種基于計算機(jī)圖像自動識別方法及機(jī)電控制方法以及設(shè)計智能化精準(zhǔn)噴藥除草裝置，保證除草噴藥機(jī)在田間作業(yè)過程中能正確地辨識作物與雜草，并根據(jù)雜草的分布狀況，實時準(zhǔn)確地開啟相應(yīng)的噴頭，將除草劑灑向雜草，以節(jié)省農(nóng)藥和減少環(huán)境污染。
圖1是本發(fā)明雜草自動識別方法的原理框圖；本發(fā)明提出的自動識別田間雜草的方法，包括如下步驟步驟101裝備在拖拉機(jī)所牽引的智能化噴藥機(jī)前部的攝像機(jī)實時的獲取田間作物和雜草的圖像；
步驟102獲取的圖像信息通過模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換送入計算機(jī)；步驟103計算機(jī)對輸入的圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，即對圖像按不同顏色進(jìn)行中值濾波；步驟104應(yīng)用距離聚類法將植物與背景圖像進(jìn)行分割，并對植物象素點進(jìn)行標(biāo)記；步驟105對圖像進(jìn)行RGB空間到HIS空間的變換，用色度與飽和度來描述原圖像；步驟106在色度H和飽和度S空間，建立“物草分割線”，即由統(tǒng)計規(guī)律建立非線性植物與雜草的分割模型；由被標(biāo)記的植物象素點的H與S值，比較“物草分割線”，判斷該點是否為植物或雜草。從而實現(xiàn)雜草的自動識別。
其中，采用距離聚類法來分割植物與背景包括應(yīng)用統(tǒng)計方法從所采集到的大量植物和雜草的圖像中，分別提取植物顏色中值點W(RO，GO，BO)和雜草顏色中值點C(RO，GO，BO)，設(shè)定域值we和ce則根據(jù)公式，‖F(xiàn)(Ri，Gi，Bi)-W(RO，GO，BO)‖＜we or‖F(xiàn)(Ri，Gi，Bi)-W(RO，GO，BO)‖＜ce公式中“‖‖”表示求距離?！皁r”表示“或”。
可以判定F(Ri，Gi，Bi)點為植物或雜草點，從而分割背景圖像。
采用色度H和飽和度S空間的“物草分割模型”來識別植物與雜草包括將所采集到的大量植物和雜草的像素點的H和S值分別畫于H-S圖中，應(yīng)用統(tǒng)計方法獲得非線性的“物草分割線”，即將植物和雜草的點分別進(jìn)行多元線性回歸，求得植物色度與飽和度關(guān)系模型，以及雜草色度與飽和度關(guān)系模型，再通過加權(quán)運算方法求得“物草分割模型”。以i次方回歸模型為例，其公式為，植物回歸模型Fw(x)＝ai*xi+a(i-1)*x1-1+…+a1*x+a0雜草回歸模型Fc(x)＝bi*xi+b(i-1)*x1-1+…+b1*x+b0則，物草分割模型Fwc(x)＝p(x)*Fw(x)+q(x)*Fc(x)其中，p(x)和q(x)為加權(quán)因子，p(x)+q(x)＝1。
圖2是本發(fā)明的智能化噴藥系統(tǒng)原理框圖；如圖，硬件系統(tǒng)原理包括拖拉機(jī)201通過發(fā)電機(jī)202給整個系統(tǒng)提供電力，攝像機(jī)組203、機(jī)載計算機(jī)系統(tǒng)204和控制接口205順序連接，計算機(jī)系統(tǒng)204根據(jù)攝像機(jī)組203提供的圖像進(jìn)行分析，并利用電磁閥和比例閥206控制調(diào)節(jié)噴頭207的噴灑，拖拉機(jī)201通過液泵208將農(nóng)藥從藥箱209輸出到噴頭207。
圖3a、3b是本發(fā)明的田間雜草圖像識別與噴藥系統(tǒng)側(cè)視圖和俯視圖；本發(fā)明提供的基于田間雜草圖像自動識別的噴藥系統(tǒng)裝置，它在結(jié)構(gòu)上包括兩個部分圖像識別裝置和噴藥裝置。圖像識別裝置由圖像采集機(jī)架10、攝像機(jī)11、封閉箱體12、燈光照明17、橡膠防護(hù)罩18等組成，其中攝像機(jī)11為橫向分布的多個攝像機(jī)，以滿足獲取整個橫斷面圖像的需要；噴藥裝置由電磁閥1、流量控制閥2、壓力表3、調(diào)壓閥4、過濾器5、液泵6、藥箱7、噴藥機(jī)架20、管路21以及噴頭22等組成，其中噴頭22與電磁閥1一一對應(yīng)相連，幾對形成一組，并接入一個流量控制閥2，最終形成多組并與攝像機(jī)獲取的圖像幅寬相匹配。圖像識別裝置與噴藥裝置通過連接機(jī)架8和牽引架16形成一個整體結(jié)構(gòu)，行走由拖拉機(jī)15驅(qū)動，雜草識別及噴藥控制由機(jī)載計算機(jī)9自動處理。
再參閱圖3a、3b，本發(fā)明實質(zhì)是在常用除草噴藥機(jī)基礎(chǔ)上安裝了一種田間雜草圖像識別裝置和可控流量的噴頭以及自動控制裝置，從而構(gòu)成智能化噴藥機(jī)械。當(dāng)拖拉機(jī)15牽引田間雜草圖像識別裝置與噴藥系統(tǒng)裝置在田間作業(yè)過程中，攝像機(jī)11不斷地攝取所經(jīng)過地面的綠色植物19的圖像，并迅速傳輸?shù)綑C(jī)載計算機(jī)9，機(jī)載計算機(jī)9根據(jù)田間作物的物理外形特征，利用圖像識別技術(shù)(采用色度H和飽和度S空間的“物草分割模型”分割法)，判斷出所經(jīng)過地面是否出現(xiàn)雜草，如有雜草，機(jī)載計算機(jī)9立即判定其雜草處于哪一個(或幾個)噴頭的下方，并視雜草分布面積的大小調(diào)整流量控制閥2，然后根據(jù)攝像機(jī)11與噴頭22的距離、以及拖拉機(jī)的行走速度(由機(jī)載計算機(jī)9實時采集的來自天線13和全球定位系統(tǒng)14的GPS定位信息而測定)，計算出準(zhǔn)確的延時時間，當(dāng)機(jī)組移動到噴頭22即將到達(dá)雜草區(qū)域的邊緣時，機(jī)載計算機(jī)9適時控制開啟雜草上方所對應(yīng)的電磁閥1，通過噴頭22將除草劑基本噴灑在雜草的分布區(qū)域。雜草分布區(qū)域的大小決定了電磁閥1的開啟時間以及開啟的個數(shù)，而流量控制閥2又根據(jù)電磁閥1的開啟個數(shù)而決定流量的大小，最終以達(dá)到準(zhǔn)確高效的除草目的。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并非用來限定本發(fā)明的實施范圍；凡是依本發(fā)明所作的等效變化與修改，都被本發(fā)明的專利范圍所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種自動識別田間雜草的方法，其特征在于，包括如下步驟步驟一，利用裝備在農(nóng)機(jī)上的攝像機(jī)實時獲取田間待分析植物的圖像，并將所述待分析植物的圖像傳輸?shù)窖b備在所述農(nóng)機(jī)上的計算機(jī)；步驟二，所述計算機(jī)中存儲有應(yīng)用統(tǒng)計方法從大量農(nóng)作物和雜草的圖像中得到的圖像對比標(biāo)準(zhǔn)，所述計算機(jī)利用圖像識別方法將所述待分析植物的圖像與所述圖像對比標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果判定所述待分析植物為農(nóng)作物或雜草；步驟三，所述計算機(jī)根據(jù)判定結(jié)果控制安裝在所述農(nóng)機(jī)上的噴藥機(jī)對雜草進(jìn)行針對性的噴藥。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動識別田間雜草的方法，其特征在于，所述圖像識別方法為分割植物與背景的距離聚類法；所述圖像對比標(biāo)準(zhǔn)為農(nóng)作物顏色中值點和雜草顏色中值點，在所述比較結(jié)果中，如果所述待分析植物的圖像與所述農(nóng)作物顏色中值點的色差小于一第一預(yù)定值，則判定所述待分析植物為農(nóng)作物；如果所述待分析植物的圖像與所述雜草顏色中值點的色差小于一第二預(yù)定值，則判定所述待分析植物為雜草。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的自動識別田間雜草的方法，其特征在于，所述圖像識別方法還包括采用色度和飽和度空間的“物草分割模型”方法；所述圖像對比標(biāo)準(zhǔn)為“物草分割線”，
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的自動識別田間雜草的方法，其特征在于，所述“物草分割線”的獲得方式包括從所述大量農(nóng)作物和雜草的像素點的色度H和飽和度S值分別畫于H-S圖中，將農(nóng)作物和雜草的點分別進(jìn)行多元線性回歸，求得農(nóng)作物的色度與飽和度關(guān)系模型，以及雜草的色度與飽和度關(guān)系模型，再通過加權(quán)運算方法求得所述“物草分割模型”。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的自動識別田間雜草的方法，其特征在于，所述多元線性回歸的i次方回歸模型公式包括植物回歸模型Fw(x)＝ai*xi+a(i-1)*x1-1+…+a1*x+a0；雜草回歸模型Fc(x)＝bi*xi+b(i-1)*x1-1+…+b1*x+b0；物草分割模型Fwc(x)＝p(x)*Fw(x)+q(x)*Fc(x)；公式中的p(x)和q(x)為加權(quán)因子，并且p(x)+q(x)＝1。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任意一項權(quán)利要求所述的自動識別田間雜草的方法，其特征在于，所述步驟三包括所述噴藥機(jī)的多個噴頭排列成與所述攝像機(jī)獲取的圖像寬度相匹配的寬度，每個噴頭聯(lián)接一個控制開啟的電磁閥，所述計算機(jī)通過控制所述電磁閥來針對圖像中對應(yīng)的雜草進(jìn)行噴藥；多個所述電磁閥聯(lián)接一個流量控制閥，所述計算機(jī)通過控制所述流量控制閥來實現(xiàn)變量噴藥。
7.一種自動識別田間雜草的噴藥裝置，其特征在于，包括農(nóng)機(jī)，安裝在所述農(nóng)機(jī)上的攝像機(jī)，安裝在所述農(nóng)機(jī)尾部的噴藥機(jī)，安裝在所述農(nóng)機(jī)上并連接所述攝像機(jī)和噴藥機(jī)的計算機(jī)；所述攝像機(jī)實時獲取田間待分析植物的圖像，并將所述待分析植物的圖像傳輸?shù)剿鲇嬎銠C(jī)；所述計算機(jī)中存儲有應(yīng)用統(tǒng)計方法從大量農(nóng)作物和雜草的圖像中得到的圖像對比標(biāo)準(zhǔn)，所述計算機(jī)利用圖像識別方法將所述待分析植物的圖像與所述圖像對比標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果判定所述待分析植物為農(nóng)作物或雜草；所述計算機(jī)根據(jù)判定結(jié)果控制所述噴藥機(jī)對雜草進(jìn)行針對性的噴藥。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的噴藥裝置，其特征在于，所述農(nóng)機(jī)設(shè)置有圖像采集機(jī)架，所述攝像機(jī)為多個且橫向分布在所述圖像采集機(jī)架上，所述攝像機(jī)，兩端開口的箱體套在所述多個攝像機(jī)周圍，所述箱體朝向地面的開口設(shè)置有橡膠防護(hù)罩，所述橡膠防護(hù)罩中設(shè)置有燈光照明。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的噴藥裝置，其特征在于，所述噴藥機(jī)具有多個噴頭，所述多個噴頭排列成與所述攝像機(jī)獲取的圖像寬度相匹配的寬度，每個噴頭聯(lián)接一個由所述計算機(jī)控制開啟的電磁閥；多個所述電磁閥聯(lián)接一個由所述計算機(jī)控制開啟的流量控制閥。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的噴藥裝置，其特征在于，所述農(nóng)機(jī)為拖拉機(jī)牽引的農(nóng)機(jī)，所述拖拉機(jī)頂部設(shè)置有全球定位系統(tǒng)天線，所述天線連接所述計算機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種自動識別田間雜草的方法，包括利用裝備在農(nóng)機(jī)上的攝像機(jī)實時獲取田間待分析植物的圖像，并將所述待分析植物的圖像傳輸?shù)窖b備在所述農(nóng)機(jī)上的計算機(jī)；所述計算機(jī)中存儲有應(yīng)用統(tǒng)計方法從大量農(nóng)作物和雜草的圖像中得到的圖像對比標(biāo)準(zhǔn)，所述計算機(jī)利用圖像識別方法將所述待分析植物的圖像與所述圖像對比標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果判定所述待分析植物為農(nóng)作物或雜草；所述計算機(jī)根據(jù)判定結(jié)果控制安裝在所述農(nóng)機(jī)上的噴藥機(jī)對雜草進(jìn)行針對性的噴藥。本發(fā)明能正確地辨識作物與雜草，并根據(jù)雜草的分布狀況，實時準(zhǔn)確地開啟相應(yīng)的噴頭，將除草劑灑向雜草，能節(jié)省農(nóng)藥和減少環(huán)境污染。
文檔編號A01M21/00GK1945601SQ200510086569
公開日2007年4月11日 申請日期2005年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月8日
發(fā)明者張小超, 胡小安, 毛文華 申請人:中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院