图像处理技术在农业领域中的发展及应用研究

王 佳，马德新

(青岛农业大学，山东 青岛 266109)

当前图像处理技术的应用得到各界学者的广泛关注，它与其他学科间的交叉融合也发展得如火如荼，并朝着愈佳的模式解析、高效地运转速度以及优质的画面分辨率呈现等目标前进，以期实现图像的智能化获取、分析、识别及解读。与此同时，图像处理技术的研究和应用已经扩展到诸多方面，尤其在农业领域中，它的发展对于打造农业信息化成果具有重要意义。

1 相关理论概况

1.1 图像处理技术基本概念

图像是客观对象的一种抽象阐述，其囊括了被描述对象的相关讯息，是我们用感官观察世界存在的基石，也是我们接收、输出和展现信息的必要方式。图像处理是借助计算机为媒介对接收的数据讯息进行再处理和解读，以实现人的感官或现实诉求的行为。图像处理技术是指利用计算机或其他数字设备对获取的图像进行各式各样的加工和处理，它主要应用在物体探测和定位、测量识别和验证等方面。如若将图像处理技术与农业机械技术相互结合，应用于农业的选种、播种、采摘、管理等环节，能有效提高劳动生产率，节省人力资源。

1.2 图像处理技术发展历程

在1920年初，图像处理技术开始起步，那时图像处理技术主要用以传统纸质通信领域的信息传输；在1960年前后，首台能实现图像处理程序的计算机现世，这代表着图像处理技术进入了新的发展阶段；在1970年初期到1980年后期，图像处理技术的应用领域不断扩大，广泛用于科学研究、工业监测、遥感、航空航天、医学图像、天学文等多方面，并在其中发挥着越来越大的作用。从20世纪90年代到进入21世纪，借助欣欣向荣的计算机技术的东风以及相关学科基础知识的不断改进，图像处理技术已经成功地应用在各个领域。

2 图像处理技术在农业中的应用

2.1 病虫害监测

随着科学技术的发展，传统的对作物的识别和诊断大多数情况是通过人工调查得到农作物病虫害信息，然后依据决策者的经验进行主观的判断，这样低效率的做法已经满足不了对作物病虫害信息快速、可靠、实时的获取需求。目前在国内，光谱成像技术已被广泛应用到农业领域中，主要通过光谱分析技术、可见光成像技术、多光谱成像技术、高光谱成像技术等获取农作物病虫害情况。这几种方法均利用图像处理技术进行识别，具有快速、可靠、无损伤性、信息量大等优势，因此图像处理对病虫农害防治具有重大意义。

2.2 生长环境因子监测

作物的生长发育和产量受水分、肥料影响很大，基于图像处理技术的生长环境因子监测系统，能对农作物生长进行监测与诊断，农户可以根据生长环境因子监测系统给出的监测与诊断结果，及时地补充水分和肥料。另外，通过采集清晰的图像可以快速地对农作物生长发育的时令性变化进行评价和估量，同时也能达到实时快捷、有效精确、智能无损地提供农作物生长信息及营养成分状态诊断的效果，还可以提高农户的农艺水平(水肥管理、移栽、采摘以及病害防治等)，从而提高农作物产量与品质。

在作物生长发育周期中，不同的作物都有对应的喷药时期，以玉米为例，一旦错过了合适的喷药时期，不但不能有效清除杂草，而且还会给玉米幼苗造成伤害；另外，作物生长后期杂草繁殖迅速，这增加了杂草识别与药物除草的难度，不利于保证作物的产量与质量。而基于图像处理技术的生长环境因子可以对不同杂草尤其是针对部分破坏性较大、耐药性较强的恶性杂草，进行图像分类，针对不同的杂草实施靶向施药，方便农民对杂草进行治理。

2.3 农业种植管理

图像处理技术在作物生产种植管理中开始较晚,借助计算机技术转型升级的东风，使得在农业种植管理过程中农业机器人发挥了不可替代的作用，尤其是在种子分拣、果实采摘、喷洒农药、幼苗移栽等方面有着广泛的应用。

2.3.1 种子分拣机器人。①种子分拣机器人先进行定位识别种子，主要利用图像处理技术对种子在工作区域内的位置进行定位以及判断物体是否为种子；②进行缺陷检测，提取目标种子的特征值，然后与存入数据库的已知的优质的种子特征值进行比对；③在比对完成后，传送种子坐标，将优质种子、劣质种子坐标分批传送到机器人的管理控制中心，进行分拣操作，达到优劣种子分类的效果。

2.3.2 采摘机器人。采摘机器人是图像处理技术的典型应用，以中国特色茶产业为例，图像处理技术在茶陇道路识别与采摘机器人导航中的应用，给中国茶产业带来了新机遇。利用图像处理技术判定茶树新苗并实现自动定位的采摘机器人，可以保证叶片的完整性和整齐度。茶场主使用采摘机器人作业替代人力，不仅可以减少人力雇佣的资金投入，而且能够改善采茶质量和提高生产效率。当然采摘机器人的识别的准确率还需要再进行改造升级，解决受外在环境干扰影响准确率的问题。

2.3.3 喷洒农药机器人。喷洒农药机器人可以分为地面机器人和空中机器人，地面喷药机器人主要针对小范围作物精细喷洒，通过摄像头采集数据，将采集到的农作物图像传送图像处理中心，通过计算机分析植物叶片的病变程度，远程自动喷药机器人向有病害的农作物喷洒适量的农药；空中喷洒农药机器人主要代表为无人机，它适用于大范围作物的农药喷洒。

2.3.4 移栽机器人。移栽幼苗的全自动培育主要有自动育苗、供苗、嫁接、嫁接苗自动移栽以及温室自动管理等环节，为了降低移栽幼苗培育整个过程的工作强度、提高移栽苗存活率以及生长质量，移栽幼苗的自动培育是以后研究的重点课题。其中，移栽机器人的移栽过程就是先从嫁接机上摘取移栽幼苗，然后再到目标穴盘上进行定植幼苗。移栽的成功率主要由移栽穴孔定位的精准程度、稳定程度和完成执行任务的机械手臂的设计决定。图像处理技术主要针对移栽过程中移载机器人对移栽的目标穴孔位置的探测和定位。

2.4 精细化养殖管理

在现代农业的精细化养殖中，图像处理技术主要应用在异常行为监测，如发情、爬跨、疾病预警、体型判断、饲喂量预测等方面。通过对动物特征的图像分析和识别方法及其相关数据的收集，可以进一步研发能自动管理养殖的智能机器人。现在随着机器学习、物联网、大数据、云技术的发展，在不久的将来结合这些技术和图像处理技术会应用于智能养殖的各个环节，那时将会实现真正的无人参与的全自动化智能管理。

3 图像处理技术在农业信息化条件下的展望

虽然图像处理技术在农业中的应用前景广阔，但也存在着一些限制性因素影响了图像处理技术的发展。在农业领域中图像处理技术起步较晚，且在整个农业生产体系中的投入占比较小，无法得到深层的优化推动，图像处理技术与农业的结合属于专业性较强的工程，需要政府、科研人才、企业及使用者从基础设施、技术供给、产业需求等各方面共同努力，如若将图像处理技术与农业机械技术相互结合，可大范围用于农业生产过程中的选种、播种、采摘、管理各个环节，提升农业生产效率，节省人力资源。

3.1 拓宽多元化应用范围

随着农业信息化程度的提高，在农业生产的每个环节都离不开图像处理技术，从种子分拣、精准播种、生长环境监测、病虫害防治管理、采摘收割乃至存储，无论是大田作物还是大棚作物，无论是养殖还是种植，图像处理技术的应用将无处不在。

3.2 推动高水平智能管理

图像处理技术与物联网技术、大数据、云计算等强强联合，它的使用方向多元化，研究程度深入化，农业发展将会更加现代化，农业机械智能化程度更高，推动高水平智能管理的进程。

3.3 降低设施和开发成本

随着硬件的发展，一些精细器械成本降低，硬件开发更快，大部分场所使用人工智能，开发成本降低，无论是温室种植还是大田种植，无论是科学研究还是农民种植，都可以充分利用图像处理技术，这时精细化农业的程度将会更进一个层次。

4 结束语

现阶段，加快推进农业信息化进程是我国农业发展中一个极为重要的环节，加之现阶段我国处于经济发展方式转变的特殊时期，可以看出推动中国农业可持续发展任务的艰巨性，而随着科学技术的发展，图像处理技术起着关键的作用。从科学研究、领域实践甚至大到对未知宇宙的探索，图像处理技术应用颇为广泛，具有其他技术无法比拟的优越性，尤其是在农业进行信息化的过程中，图像处理技术是不可或缺的一环。在图像处理技术的探索之路，我们任重道远，也希望各界能够深入挖掘图像处理技术的适用空间，以期它能够在未来农业生产中大放异彩。