微小迁飞害虫诱集智能监测系统研制技术探讨

何金成 傅辉耀

1研究背景、目的与意义

长期以来飞蝗、黏虫、烟粉虱、草地螟、稻飞虱、稻纵卷叶螟、甜菜夜蛾、棉铃虫和小地老虎等一直都是我国农作物主要迁飞害虫，给我国农业生产和粮食安全带来严重威胁，长期被我国列为重大害虫监测和防治对象。以烟粉虱为例，烟粉虱属半翅目，粉虱科，是一种个体小但危害大的多食性害虫。其主要利用刺吸式口器刺破植物叶片吮吸汁液，可导致植物叶片枯黄萎蔫，直接影响经济作物的品质，且其口器中分泌的蜜露也是多种植物病原体的传播载体，可在侵染植物间传播煤污病毒、双生病毒等，给农业生产造成巨大的经济损失。并且烟粉虱具有寄主范围广（达600 种）、传播途径多、迭代速度快、抗药性强等特点，综合防治难度很大。

近年来，我国对于烟粉虱的研究与防治投入进一步扩大，对烟粉虱的生活习性、种群分化、生物学特性、化学药剂抗药性等方面都取得了较为丰碩的研究成果，但是对于烟粉虱虫口密度监测方面的研究却比较滞后。准确的监测田间烟粉虱虫口密度变化是烟粉虱虫害防治的前提条件，目前的采样方式还是以较为原始的人工采样计数为主，由于烟粉虱个体微小，在田间爆发时数量又极其巨大，加之烟粉虱有迁飞能力，使得人工采样调查的效率低、调查误差大，调查数据的准确性和稳定性不高。随着科学技术的日益发展，自动化、智能化的农业装备的日益增多，在烟粉虱监测领域也急需要应用更多的新技术，新思维，使烟粉虱的诱集监测更加科学化、自动化和智能化。

在传统的烟粉虱监测预报工作中，常常是利用诱虫板诱集害虫，再通过人工途径进行计数统计，既费时又费力而且准确性不高。随着计算机技术和数字图像处理技术的发展，基于图像识别的害虫诱集监测装置越来越多，但是田间自然环境复杂、光源环境不稳定、杂质杂虫的干扰等因素都或多或少的影响着监测的准确性和可靠性。

本研究针对现有问题，应用计算机视觉、图像处理和自动控制技术将微小害虫图像自动采集装置和微小害虫图像识别、计数系统相结合，实现田间黄色诱虫板上微小害虫图像在均匀时间间隔下的自动诱集、识别与计数，从而监测微小害虫在一段时间内虫口密度的变化情况和变迁规律，达到田间微小害虫监测预报的目的。本研究可以减少调查的人力投入，提高微小害虫虫口密度抽样调查的效率和准确率，而且调查数据采样周期短，可以从不同角度分析微小害虫田间种群变化规律，相对人工抽样调查更加准确、可靠，有较好的科研价值和应用前景。

2 技术研究内容与技术路线的探讨

2.1 技术研究内容

本研究专注烟粉虱、稻飞虱等微小害虫，研究其诱集监测系统。烟粉虱是一种世界性的蔬菜害虫，自从进入我国以来，在我国的很多地方都出现过爆发性的危害，给农业生产造成巨大的经济损失。烟粉虱虫口的密度监测一直是烟粉虱自动监测的瓶颈。传统的烟粉虱监测方式主要依赖于人工采样和调查，费时、费力并且准确性和可靠性不高。随着计算机视觉与图像识别技术在农业病虫害领域的广泛应用，越来越多的害虫监测预报系统应运而生。但对于烟粉虱这类微小害虫来说，普通的害虫监测系统很难奏效。本研究提出研制一种基于计算机视觉的烟粉虱等微小害虫诱集监测系统，针对监测系统的关键部件微小害虫图像自动采集装置、微小害虫图像的识别与分割算法等进行深入研究。具体研究内容如下：

2.1.1微小害虫诱集监测装置的研究探讨

设计一种自动化程度较高、抗干扰能力较强，适合推广的野外微小害虫诱集及图像自动采集装置，可以更好的解放劳动力，提高微小害虫图像采集的稳定性和图片质量。本装置主要涉及了微小害虫诱集设备的优选、微小害虫图像采集设备的优选、装置机械结构设计、装置控制系统设计四部分内容。

微小害虫诱集监测装置一般被安装在田边或者垄间，空间相对较小，需要长时间暴露在野外，所以在机械结构设计过程中，应该尽可能的减小装置体积，降低装置能耗，保证装置的稳定性。最终实现体积小，容易安装，工作时间长，便于维修的目的。

图像获取设备是整个微小害虫诱集监测装置的核心部件，其一方面是决定最后采集到的烟粉虱图像质量的重要因素，其另一方面关系着整体机械结构设计匹配的问题。所以选择合适的图像采集工具尤为重要。在科学研究中，数字图像的获取工具常见的有数码相机、扫描仪、图像采集卡等，同时，由于烟粉虱虫体过小，成虫体长都不足1mm，所以也会选择显微镜来扩大分辨率，获得烟粉虱更多的细节信息。

在针对微小目标的图像获取方面，显微镜与图像采集卡结合使用也是常用的图像采集方式。选择合适的图像采集卡与CCD摄像头，将CCD摄像头通过转换接口与显微镜相连，再将图像采集卡与计算机相连，就可以将显微镜中的图像直接获取保存在计算机中。通过这样的多器件的配合可以更好的观测微小目标。微小害虫图像自动采集箱的内部结构。

2.1.2微小害虫图像分割与识别方法的研究探讨

这部分内容是监测研究的核心内容，只有识别出害虫并计数才能完成监测。研究内容主要包括：

①目标分割：通过对目标害虫特征进行深入研究，选择合适的阈值点，获得最佳的微小害虫与背景分割效果。

②微小害虫粘连目标分割算法研究：采集的烟粉虱图像中存在大量粘连目标的情况，严重影像后期烟粉虱计数的准确性，针对这一问题，利用改进后的分水岭算法、K均值聚类分割算法和基于边界曲率的链码分割法对粘连目标进行分割尝试，通过分割效果比较，筛选出适合烟粉虱图像的最优分割算法。

③图像中大面积遮挡物对于烟粉虱计数结果的影响研究：针对如树叶、树枝以及大型昆虫对于微小害虫图像的遮挡问题，研究相应算法，进一步提升微小害虫监测的准确性。

2.2 技术路线

本研究从微小害虫诱集自动监测装置的设计和微小害虫图像处理与分割算法研究两个方面入手对微小害虫诱集监测系统进行了全面的设计。

（作者单位：1. 350002 福建农林大学;2.362300 南安市永顺民农机专业合作社）