區(qū)域性秸稈覆蓋率檢測系統(tǒng)方案分析

馬洪濤 郝若帆 睢丙東

摘要：針對秸稈還田后需要對指定區(qū)域進(jìn)行秸稈覆蓋率檢測的問題，提出了區(qū)域性秸稈覆蓋率檢測系統(tǒng)方案?；趯斩掃€田機(jī)工作時采集到的圖像信息進(jìn)行處理，檢測出秸稈覆蓋率并作為分散樣本，進(jìn)行指定區(qū)域的覆蓋率估算。

關(guān)鍵詞：圖像處理；覆蓋率；檢測系統(tǒng)；區(qū)域性

Abstract： Aiming at the problem of straw coverage detection in designated areas after returning straw to field，a regional straw coverage detection system is proposed.Based on the image information collected during the work of straw returning machine， the coverage rate of straw was detected and used as a scatter sample to estimate the coverage of the designated area.

Key words：image processing；coverage rate；detecting system；regionally

一、 秸稈還田及覆蓋率檢測的重要性

秸稈還田是農(nóng)業(yè)上保護(hù)水土肥力的一種重要措施，不僅可以減少由焚燒秸稈產(chǎn)生的環(huán)境污染及資源浪費(fèi)，還可以為土地保留水分，改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤中的有機(jī)物質(zhì)，有利于農(nóng)作物的生長，在環(huán)保和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展中起到了很大作用。由于秸稈還田后養(yǎng)分釋放緩慢，為了不影響下一季農(nóng)作物養(yǎng)分的吸收，秸稈還田作業(yè)具有時限性。

近年來，國家為了大力倡導(dǎo)田間秸稈還田，制定了秸稈還田作業(yè)補(bǔ)貼政策，每位機(jī)手秸稈還田作業(yè)后，統(tǒng)計(jì)其作業(yè)面積，并且檢測秸稈還田覆蓋率的準(zhǔn)確性，經(jīng)審驗(yàn)合格，即可領(lǐng)取政府補(bǔ)貼。

二、 區(qū)域性秸稈還田覆蓋率檢測存在的問題

（1）由于作業(yè)面積大，通過傳統(tǒng)的人工測量費(fèi)時費(fèi)力，且對單塊秸稈還田地塊進(jìn)行秸稈覆蓋率的檢測手段不能應(yīng)用到統(tǒng)計(jì)機(jī)手的整個作業(yè)面積。（2）由于晾干的秸稈和土地的顏色相差甚微，若采用無人機(jī)拍照，圖像清晰度較低，辨識度較差，不能準(zhǔn)確識別每位機(jī)手的作業(yè)面積和覆蓋率。因此，需要在指定的工作區(qū)域進(jìn)行作業(yè)檢測。

三、 覆蓋率檢測系統(tǒng)概述

（1）秸稈覆蓋率檢測系統(tǒng)框圖如下圖所示：

（2）服務(wù)器傳輸。秸稈還田機(jī)作業(yè)時安裝在尾部的攝像頭通過4G網(wǎng)絡(luò)由服務(wù)器下發(fā)指令定時拍攝，采集秸稈還田作業(yè)后的圖像，將圖像和位置信息傳送給服務(wù)器，作為分散性的秸稈圖像備用并由服務(wù)器保存。估算指定秸稈覆蓋率后，將結(jié)果及其位置信息傳送給服務(wù)器，由服務(wù)器下發(fā)到手機(jī)端，以便機(jī)手通過手機(jī)APP查看和領(lǐng)取補(bǔ)貼。

（3）分散性圖像秸稈覆蓋率的檢測。將服務(wù)器保存的圖像作為分散性圖像，用MATLAB數(shù)學(xué)工具箱進(jìn)行圖像處理得到秸稈和土地的二值化圖像。將圖像進(jìn)一步利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)原理，選擇正確的結(jié)構(gòu)元素，利用腐蝕原理，將圖像中的噪聲點(diǎn)去除掉，再利用膨脹原理，將秸稈間的細(xì)小縫隙填充，然后利用像素點(diǎn)的比例計(jì)算出單個圖像的秸稈覆蓋率。

（4）區(qū)域性秸稈覆蓋率的估算。根據(jù)機(jī)手作業(yè)地塊的面積及地理位置，將在此作業(yè)時攝像頭拍照的圖像上傳到服務(wù)器，利用得到的分散性圖像的秸稈覆蓋率和由服務(wù)器得到的相應(yīng)位置信息，進(jìn)行其它未知地塊覆蓋率的估算，將結(jié)果進(jìn)行比較和統(tǒng)計(jì)，得到包含這些分散樣本在內(nèi)的指定區(qū)域的秸稈覆蓋率。

四、該系統(tǒng)的特點(diǎn)

該系統(tǒng)主要針對基于分散圖像的區(qū)域性秸稈覆蓋率的估算，首先對秸稈還田機(jī)工作時進(jìn)行分散圖像采集，并且對圖像進(jìn)行定位標(biāo)記，為后續(xù)區(qū)域性的秸稈覆蓋率的估算保存位置信息。通過4G網(wǎng)絡(luò)實(shí)時將圖像信息和位置信息傳送到服務(wù)器中進(jìn)行保存，并且保存機(jī)手作業(yè)面積軌跡，保證了秸稈還田的實(shí)時性和真實(shí)性。利用MATLAB數(shù)學(xué)工具箱圖像處理將分辨力低的秸稈和土地進(jìn)行分離，并進(jìn)一步得到分散圖像的秸稈覆蓋率，為后續(xù)估算區(qū)域性秸稈覆蓋率做數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。利用鄰近算法原理，根據(jù)作業(yè)區(qū)域內(nèi)的分散圖像的覆蓋率和其位置信息，對其他位置地塊的覆蓋率進(jìn)行估算，得到指定區(qū)域的秸稈覆蓋率，保證了覆蓋率檢測的實(shí)用性。將檢測結(jié)果與實(shí)際值相比，得出合格率，并且通過服務(wù)器將機(jī)手作業(yè)面積和合格率發(fā)送到手機(jī)端，使機(jī)手通過手機(jī)APP查看作業(yè)結(jié)果并領(lǐng)取補(bǔ)貼。

五、 結(jié)論

（1）利用該系統(tǒng)可以快速準(zhǔn)確的檢測指定區(qū)域的秸稈覆蓋率，利用4G網(wǎng)絡(luò)傳輸信息，保證了實(shí)時性和實(shí)效性。

（2）對秸稈圖像進(jìn)行秸稈覆蓋率檢測，并根據(jù)位置信息估算指定區(qū)域秸稈覆蓋率，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求。

（3）該系統(tǒng)下一步將在檢測速率及估算誤差方面進(jìn)行改進(jìn)，以便有效的解決實(shí)際問題。

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作者簡介：馬洪濤（1963），河北石家莊人，本科，副教授，主要從事智能化儀器儀表方面研究。

*通訊作者：郝若帆（1993），河北石家莊人，在讀碩士，主要從事智能化儀器儀表方面研究。