張雨滋

(山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255000)

0 引言

果樹是重要的經(jīng)濟(jì)作物，其果實具有很高的營養(yǎng)及保健價值。果園雜草是影響果樹正常生長的非栽培草本植物或灌木，它們與果樹競爭營養(yǎng)和水分，還是一些病蟲害滋生和棲息的場所，并為其提供傳播條件，能夠加重病蟲危害的程度。例如，1個刺兒菜的植株在生長過程中會從土壤中吸收9.8kg氮、8kg鉀和2.6kg磷。1株野燕麥的根系總長可以達(dá)到2m，其形成1kg干物質(zhì)所消耗的水為400～500kg。由此可見，果園雜草對營養(yǎng)和水分的消耗是驚人的[1]。大多數(shù)的統(tǒng)計顯示，雜草可以導(dǎo)致果園減產(chǎn)10%～20%，同時降低果園產(chǎn)品的質(zhì)量。研究表明，果園的早衰退化有90%是由雜草引起[2]。

果園的種植環(huán)境和方式與農(nóng)田不同，地表裸露面積所占的比例較大，因多為旱地，所以生態(tài)環(huán)境和生物群落相對穩(wěn)定。園中的果樹植株高大，株行距也很寬闊。在這樣的條件下，果園雜草的數(shù)量和種類多，生長旺盛，生物量極大，是果園生態(tài)的重要組成部分。果園雜草以禾本科、莎草科和菊科為主，以禾本科雜草的數(shù)量最多，莎草科的生長最快，菊科的覆蓋面積最廣。另外，隨著時間推移和果園條件的改變，雜草的優(yōu)勢種群還會不斷演替[3]。因此，雜草的防治是果園管理中的重點和難點。果園雜草的防治以晚春型和夏型為主，其中的6-8月間雜草生長旺盛，生物量最大，且種子即將成熟，是防治的關(guān)鍵時期。

果園除草的方法主要有人工除草、機(jī)械除草和化學(xué)除草[4]。不同果園除草方式的效率和成本存在差異，且對果園土壤肥力的影響也不同，因此要根據(jù)果園的土壤條件、果樹年齡和雜草危害程度選擇合適的除草方法[5]。人工除草是借助傳統(tǒng)的簡單工具，通過人力鏟除雜草。該方法操作簡單，對技術(shù)含量的要求低，雜草去除徹底。但是，隨著社會的發(fā)展和農(nóng)業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，這一方法人工成本高和作業(yè)效率低的問題日益凸顯，已經(jīng)不能作為未來的除草方式。

機(jī)械除草是在農(nóng)業(yè)機(jī)械化進(jìn)程中發(fā)展起來的除草方式，可以細(xì)分為機(jī)械中耕和機(jī)械割草[6-9]。中耕除草是利用機(jī)械翻耕淺層土壤，從而破壞雜草根系并壓埋雜草，以達(dá)到除草的目的。該方法操作簡單，是農(nóng)田和果園常用的除草方式；但會傷及果樹的根系，破壞表層土壤，造成水土流失。機(jī)械割草是用機(jī)械上高速旋轉(zhuǎn)的鐮刀等部件將雜草的地上部分割除，其操作簡單，效率也較高；但雜草的去除程度不徹底。果園的地勢一般都有起伏，地形條件比農(nóng)田復(fù)雜，限制了上述兩種機(jī)械除草方法的使用范圍。同時，山地果園中還存在礫石等堅硬物體，可能會對除草機(jī)械的作業(yè)部件造成損壞。

化學(xué)除草是噴灑化學(xué)除草劑以殺滅雜草，其效率高，成本較低，有利于保持果園的土壤環(huán)境和微生物群落。目前，最常用的兩種除草劑是草甘膦和百草枯，都是廣譜性的除草劑。但是，該方法也面臨著一些問題和挑戰(zhàn)，如長期大量地使用化學(xué)除草劑會改變果園的雜草群落和生物多樣性，甚至誘發(fā)產(chǎn)生超級雜草。另外，廣譜性的除草劑對果園樹木有毒性，粗放大面積的噴灑還會帶來藥液的浪費，以及殘留引起的環(huán)境和食品安全問題[10]。變量噴藥就是針對上述問題發(fā)展起來的概念，并進(jìn)行了大量相關(guān)的研究[11]。變量噴藥的本質(zhì)是根據(jù)雜草的位置和密度，相應(yīng)地調(diào)節(jié)除草劑的噴灑時機(jī)和劑量。這是一種基于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的技術(shù)，能夠提高除草效果，同時減少除草劑用量。變量噴藥的前提是識別雜草的位置、分布和密度信息，目前常用的方法有人工識別、遙感識別和計算機(jī)視覺識別[12]。

果園的機(jī)械除草和化學(xué)除草方法都取得了長足的進(jìn)步，但是之前關(guān)于二者結(jié)合應(yīng)用的報導(dǎo)還較少，主要是受到機(jī)械自主導(dǎo)航和雜草快速準(zhǔn)確識別問題的限制。本文利用計算機(jī)視覺技術(shù)實時識別果園雜草，控制除草機(jī)上的噴藥裝置實現(xiàn)變量噴藥，并在不同果園中進(jìn)行除草試驗，旨在為果園智能化除草提供技術(shù)支撐。

1 設(shè)計原理及結(jié)構(gòu)

1.1 總體設(shè)計

計算機(jī)視覺以計算機(jī)為核心，通過視覺傳感器采集目標(biāo)圖像后進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換，然后用分析軟件處理各種特征量，對處理結(jié)果做出定性分析和定量解釋，最終提取所需的目標(biāo)特征信息，并做出相應(yīng)的決策。本文中視覺傳感器攝取的果園圖像為模擬信號，經(jīng)過轉(zhuǎn)換成為數(shù)碼信號后由計算機(jī)上的專業(yè)圖像處理軟件進(jìn)行分析。每1幀圖像覆蓋的區(qū)域面積根據(jù)實際情況進(jìn)行設(shè)定，劃分為5行×6列的方格。計算機(jī)根據(jù)設(shè)定的雜草特征閾值輸出各方格內(nèi)的雜草密度處方圖，通過處理器控制噴頭在行進(jìn)過程中的開閉時機(jī)和程度以實現(xiàn)變量噴藥。

1.2 設(shè)計原理

除草機(jī)以經(jīng)過改裝的瑪特斯1YWG-13型機(jī)械為平臺，裝載的變量噴藥除草系統(tǒng)包括計算機(jī)視覺模塊和噴藥控制執(zhí)行模塊。該機(jī)械為履帶式，尺寸為1.3m×0.9m×0.7m，動力11kW，行進(jìn)速度1.5～5.6km/h。行走方式為自走式，通過操縱遙控導(dǎo)航，遙控距離150m，特別適合用于果園的噴藥等各種農(nóng)藝作業(yè)。計算機(jī)視覺模塊由數(shù)碼相機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換器、核心計算機(jī)及圖像分析軟件組成，噴藥控制執(zhí)行模塊由ARM處理器、速度感應(yīng)器、藥液箱、溢流閥、調(diào)壓閥、電磁閥和噴頭組成，由除草機(jī)的蓄電池提供電源。

變量噴藥除草系統(tǒng)的組成如圖1所示。

圖1 變量噴藥除草系統(tǒng)的組成Fig.1 The structure chart of variable weed spraying system

2 系統(tǒng)組成

2.1 圖像采集處理模塊

計算機(jī)視覺模塊中的拍攝設(shè)備為佳能750D型相機(jī)，安裝在機(jī)械的前部頂端，離地高度1.5m，俯視角30°。相機(jī)具有光學(xué)防抖動性能，可以拍攝最大面積為5m×5m的果園地面圖像，形成2 420萬像素的JEPG格式圖像。拍攝指令由計算機(jī)發(fā)出，頻率由機(jī)械的行進(jìn)速度決定。A/D轉(zhuǎn)換器為2400型，將JEPG格式圖像轉(zhuǎn)化為BMP格式后導(dǎo)入計算機(jī)。計算機(jī)為戴爾3900-R5938C型臺式電腦，配置Intel i5中央處理器和4G內(nèi)存，安裝的圖像處理軟件為MatLab工具箱，運行速度快，可以對圖像進(jìn)行快速處理。本文將對蘋果園和葡萄園代表性圖像的分析處理過程進(jìn)行介紹。果園原始圖像如圖2所示。

果園中的苗木一般成行種植，行間距較大，是滋生雜草的主要區(qū)域。雜草一般占據(jù)底層的生態(tài)空間，其顏色與土壤和苗木樹干的區(qū)別明顯，因此可以直接利用果樹行間的顏色特征來反映雜草的分布和密度。雜草大多為綠色， 本研究選用了超綠(2G-R-B)模型的顏色空間來對圖像進(jìn)行灰度化和網(wǎng)格化處理?；叶然途W(wǎng)格化處理后的圖片如圖3所示。

(a) 蘋果園 (b) 葡萄園 圖2 果園原始圖像Fig.2 Original image of orchard

(a) 蘋果園 (b) 葡萄園 圖3 果園圖像的灰度化和網(wǎng)格化Fig.3 Graying and grid of orchard image

不同果園的光照強(qiáng)度各異，因此將超綠模型變換為HIS模型，對灰度圖中的R、G、B分量分別用最大類間方差法進(jìn)行動態(tài)閾值分割從而消除土壤等背景，獲得雜草的二值圖像；然后，通過面積濾波法消除圖像中的離散小區(qū)域，得到果園雜草特征的二值化圖像。特征提取圖片如圖4所示。

(a) 蘋果園 (b) 葡萄園 圖4 果園雜草的特征提取Fig.4 Feature extraction of orchard weed

將每張圖像劃分為5行×6列的處方圖，利用各雜草綠色區(qū)域的外緣坐標(biāo)計算其質(zhì)新坐標(biāo)，再通過函數(shù)得到各區(qū)域內(nèi)的雜草圖像面積。根據(jù)所得的雜草面積，將各區(qū)域的藥液噴灑劑量設(shè)定為5個等級，雜草面積的占比為0～10%、11%～30%、31%～50%、51%～70%和71%～100%的區(qū)域分別對應(yīng)0、1、2、3、4級劑量，最后生成的處方圖，如圖5所示。計算機(jī)視覺模塊獲取和處理單張圖片的平均耗時為80ms，能滿足機(jī)械快速作業(yè)的要求。

2.2 變量噴藥控制執(zhí)行模塊

噴藥控制執(zhí)行模塊的速度感應(yīng)器為YS188型霍爾元件，安裝在機(jī)械的地輪上檢測運行速度，并傳給處理器。噴頭安裝在機(jī)械的前端，離地高度0.4m，共6個，間距和噴灑范圍可根據(jù)果樹的行距調(diào)整。每個噴頭對應(yīng)處方圖中的1列方格，1次噴灑最大可覆蓋以方格中心為圓心，半徑0.4m的圓形面積。每個噴頭由單個電磁閥單獨控制，ARM處理器采用脈沖寬度調(diào)制法，結(jié)合機(jī)械運行速度，控制噴頭的開閉時機(jī)和程度。通過0、25%、50%、75%、100%這5種占空比，來實現(xiàn)5個等級藥液劑量的噴灑。

3 田間試驗與結(jié)果

3.1 試驗設(shè)計

在蘋果園和葡萄園中驗證除草機(jī)的噴灑效果，選擇4個雜草生長密度相似的行間進(jìn)行除草試驗，使用廣譜抗生型的除草劑草甘膦。兩種果園的行距為3m，長度為50m。除草劑行進(jìn)速度分別設(shè)置為0.2、0.3、0.4、0.5m/s，通過藥液的噴灑量和精確率來評價變量噴藥的準(zhǔn)確性。方格內(nèi)的雜草葉表面75%以上被噴藥液定義為精確噴灑，其占所有方格的比例為噴灑的精確率。

(a) 蘋果園 (b) 葡萄園 圖5 果園雜草信息的處方圖Fig.5 Prescription map of weed in orchard

3.2 試驗結(jié)果和分析

蘋果園的雜草較為繁茂，密度大，因此藥液的噴灑量比葡萄園多，精確率較低。隨著除草機(jī)運行速度的增加，噴灑量和精確率均下降，這說明藥液的浪費和殘留減少，但除草效果受到影響。綜合考慮藥液的使用效率和除草效率，則蘋果園和葡萄園對應(yīng)的最佳除草機(jī)運行速度分別為0.3m/s和0.4m/s。具體試驗結(jié)果如表1所示。

表1 除草系統(tǒng)的噴灑效果Table 1 Spray effect of the weeding system

4 結(jié)論

利用計算機(jī)視覺獲取果園雜草的分布和密度信息，通過處理器控制執(zhí)行裝置進(jìn)行變量噴藥，實現(xiàn)了果園機(jī)械除草和化學(xué)除草方式的結(jié)合。計算機(jī)視覺模塊對蘋果園和葡萄園單張圖像的處理時間為80ms，除草機(jī)最佳的作業(yè)速度為0.3m/s和0.4m/s，具有較高的除草效果和效率，在果園生產(chǎn)中有應(yīng)用潛力。本文僅將除草機(jī)在蘋果園和葡萄園中進(jìn)行了試驗，而在其它種類果園中對不同自然環(huán)境和雜草種類的適應(yīng)性還須進(jìn)一步驗證。

果園雜草種類復(fù)雜，生命力強(qiáng)，依靠單一的機(jī)械或化學(xué)除草方法難以達(dá)到理想的防治效果。因此，應(yīng)該根據(jù)各種果園及其雜草的具體情況，選擇合適的除草方式，并適當(dāng)?shù)亟Y(jié)合人工除草、生物天敵和以草控草等措施，實現(xiàn)對果園雜草的綜合治理。

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