微小遷飛害蟲誘集智能監(jiān)測系統(tǒng)研制技術(shù)探討

何金成 傅輝耀

1研究背景、目的與意義

長期以來飛蝗、黏蟲、煙粉虱、草地螟、稻飛虱、稻縱卷葉螟、甜菜夜蛾、棉鈴蟲和小地老虎等一直都是我國農(nóng)作物主要遷飛害蟲，給我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和糧食安全帶來嚴(yán)重威脅，長期被我國列為重大害蟲監(jiān)測和防治對象。以煙粉虱為例，煙粉虱屬半翅目，粉虱科，是一種個體小但危害大的多食性害蟲。其主要利用刺吸式口器刺破植物葉片吮吸汁液，可導(dǎo)致植物葉片枯黃萎蔫，直接影響經(jīng)濟(jì)作物的品質(zhì)，且其口器中分泌的蜜露也是多種植物病原體的傳播載體，可在侵染植物間傳播煤污病毒、雙生病毒等，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。并且煙粉虱具有寄主范圍廣（達(dá)600 種）、傳播途徑多、迭代速度快、抗藥性強(qiáng)等特點(diǎn)，綜合防治難度很大。

近年來，我國對于煙粉虱的研究與防治投入進(jìn)一步擴(kuò)大，對煙粉虱的生活習(xí)性、種群分化、生物學(xué)特性、化學(xué)藥劑抗藥性等方面都取得了較為豐碩的研究成果，但是對于煙粉虱蟲口密度監(jiān)測方面的研究卻比較滯后。準(zhǔn)確的監(jiān)測田間煙粉虱蟲口密度變化是煙粉虱蟲害防治的前提條件，目前的采樣方式還是以較為原始的人工采樣計數(shù)為主，由于煙粉虱個體微小，在田間爆發(fā)時數(shù)量又極其巨大，加之煙粉虱有遷飛能力，使得人工采樣調(diào)查的效率低、調(diào)查誤差大，調(diào)查數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性不高。隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，自動化、智能化的農(nóng)業(yè)裝備的日益增多，在煙粉虱監(jiān)測領(lǐng)域也急需要應(yīng)用更多的新技術(shù)，新思維，使煙粉虱的誘集監(jiān)測更加科學(xué)化、自動化和智能化。

在傳統(tǒng)的煙粉虱監(jiān)測預(yù)報工作中，常常是利用誘蟲板誘集害蟲，再通過人工途徑進(jìn)行計數(shù)統(tǒng)計，既費(fèi)時又費(fèi)力而且準(zhǔn)確性不高。隨著計算機(jī)技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展，基于圖像識別的害蟲誘集監(jiān)測裝置越來越多，但是田間自然環(huán)境復(fù)雜、光源環(huán)境不穩(wěn)定、雜質(zhì)雜蟲的干擾等因素都或多或少的影響著監(jiān)測的準(zhǔn)確性和可靠性。

本研究針對現(xiàn)有問題，應(yīng)用計算機(jī)視覺、圖像處理和自動控制技術(shù)將微小害蟲圖像自動采集裝置和微小害蟲圖像識別、計數(shù)系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)田間黃色誘蟲板上微小害蟲圖像在均勻時間間隔下的自動誘集、識別與計數(shù)，從而監(jiān)測微小害蟲在一段時間內(nèi)蟲口密度的變化情況和變遷規(guī)律，達(dá)到田間微小害蟲監(jiān)測預(yù)報的目的。本研究可以減少調(diào)查的人力投入，提高微小害蟲蟲口密度抽樣調(diào)查的效率和準(zhǔn)確率，而且調(diào)查數(shù)據(jù)采樣周期短，可以從不同角度分析微小害蟲田間種群變化規(guī)律，相對人工抽樣調(diào)查更加準(zhǔn)確、可靠，有較好的科研價值和應(yīng)用前景。

2 技術(shù)研究內(nèi)容與技術(shù)路線的探討

2.1 技術(shù)研究內(nèi)容

本研究專注煙粉虱、稻飛虱等微小害蟲，研究其誘集監(jiān)測系統(tǒng)。煙粉虱是一種世界性的蔬菜害蟲，自從進(jìn)入我國以來，在我國的很多地方都出現(xiàn)過爆發(fā)性的危害，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。煙粉虱蟲口的密度監(jiān)測一直是煙粉虱自動監(jiān)測的瓶頸。傳統(tǒng)的煙粉虱監(jiān)測方式主要依賴于人工采樣和調(diào)查，費(fèi)時、費(fèi)力并且準(zhǔn)確性和可靠性不高。隨著計算機(jī)視覺與圖像識別技術(shù)在農(nóng)業(yè)病蟲害領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，越來越多的害蟲監(jiān)測預(yù)報系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。但對于煙粉虱這類微小害蟲來說，普通的害蟲監(jiān)測系統(tǒng)很難奏效。本研究提出研制一種基于計算機(jī)視覺的煙粉虱等微小害蟲誘集監(jiān)測系統(tǒng)，針對監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵部件微小害蟲圖像自動采集裝置、微小害蟲圖像的識別與分割算法等進(jìn)行深入研究。具體研究內(nèi)容如下：

2.1.1微小害蟲誘集監(jiān)測裝置的研究探討

設(shè)計一種自動化程度較高、抗干擾能力較強(qiáng)，適合推廣的野外微小害蟲誘集及圖像自動采集裝置，可以更好的解放勞動力，提高微小害蟲圖像采集的穩(wěn)定性和圖片質(zhì)量。本裝置主要涉及了微小害蟲誘集設(shè)備的優(yōu)選、微小害蟲圖像采集設(shè)備的優(yōu)選、裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計、裝置控制系統(tǒng)設(shè)計四部分內(nèi)容。

微小害蟲誘集監(jiān)測裝置一般被安裝在田邊或者壟間，空間相對較小，需要長時間暴露在野外，所以在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，應(yīng)該盡可能的減小裝置體積，降低裝置能耗，保證裝置的穩(wěn)定性。最終實(shí)現(xiàn)體積小，容易安裝，工作時間長，便于維修的目的。

圖像獲取設(shè)備是整個微小害蟲誘集監(jiān)測裝置的核心部件，其一方面是決定最后采集到的煙粉虱圖像質(zhì)量的重要因素，其另一方面關(guān)系著整體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計匹配的問題。所以選擇合適的圖像采集工具尤為重要。在科學(xué)研究中，數(shù)字圖像的獲取工具常見的有數(shù)碼相機(jī)、掃描儀、圖像采集卡等，同時，由于煙粉虱蟲體過小，成蟲體長都不足1mm，所以也會選擇顯微鏡來擴(kuò)大分辨率，獲得煙粉虱更多的細(xì)節(jié)信息。

在針對微小目標(biāo)的圖像獲取方面，顯微鏡與圖像采集卡結(jié)合使用也是常用的圖像采集方式。選擇合適的圖像采集卡與CCD攝像頭，將CCD攝像頭通過轉(zhuǎn)換接口與顯微鏡相連，再將圖像采集卡與計算機(jī)相連，就可以將顯微鏡中的圖像直接獲取保存在計算機(jī)中。通過這樣的多器件的配合可以更好的觀測微小目標(biāo)。微小害蟲圖像自動采集箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

2.1.2微小害蟲圖像分割與識別方法的研究探討

這部分內(nèi)容是監(jiān)測研究的核心內(nèi)容，只有識別出害蟲并計數(shù)才能完成監(jiān)測。研究內(nèi)容主要包括：

①目標(biāo)分割：通過對目標(biāo)害蟲特征進(jìn)行深入研究，選擇合適的閾值點(diǎn)，獲得最佳的微小害蟲與背景分割效果。

②微小害蟲粘連目標(biāo)分割算法研究：采集的煙粉虱圖像中存在大量粘連目標(biāo)的情況，嚴(yán)重影像后期煙粉虱計數(shù)的準(zhǔn)確性，針對這一問題，利用改進(jìn)后的分水嶺算法、K均值聚類分割算法和基于邊界曲率的鏈碼分割法對粘連目標(biāo)進(jìn)行分割嘗試，通過分割效果比較，篩選出適合煙粉虱圖像的最優(yōu)分割算法。

③圖像中大面積遮擋物對于煙粉虱計數(shù)結(jié)果的影響研究：針對如樹葉、樹枝以及大型昆蟲對于微小害蟲圖像的遮擋問題，研究相應(yīng)算法，進(jìn)一步提升微小害蟲監(jiān)測的準(zhǔn)確性。

2.2 技術(shù)路線

本研究從微小害蟲誘集自動監(jiān)測裝置的設(shè)計和微小害蟲圖像處理與分割算法研究兩個方面入手對微小害蟲誘集監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了全面的設(shè)計。

（作者單位：1. 350002 福建農(nóng)林大學(xué);2.362300 南安市永順民農(nóng)機(jī)專業(yè)合作社）