基于物联网的桔小实蝇诱捕监测装备设计及试验

为了实现对桔小实蝇诱捕的实时监测和快速诊断,设计了一个基于物联网的桔小实蝇诱捕监测装备。该装备包括诱捕监测装置、太阳能供电装置和监测控制装置3个主要部分,其中诱捕装置包括顶盖、透明的连通件和诱捕瓶;太阳能装置包括太阳能板、蓄电池以及太阳能板支架;控制装置包括Fit-pc控制器、3G通讯模块和自主研发的桔小实蝇监测计数系统软件。该装备结合了机器视觉技术、远程通讯技术以及太阳能供电等技术,实现了集病虫害信息采集、处理、传输与自供电为一体的桔小实蝇诱捕监测装备,可长期的、实时的、远程的监控桔小实蝇诱捕过程和精确的计算桔小实蝇数量,且可自动传输到远程服务器并保存在本地存储卡中。在实验室环境下采用该装备测试,在830 s内有138头桔小实蝇进入该装备,系统检测出的结果是131头,检测成功率为94.9%。采用该装备在杨桃公园从2013年11月到2014年12月进行了一年多测试,系统软硬件可以稳定地协同工作,仅在光照严重不足太阳能供电不力的情况下出现过系统停止运行。基于物联网的桔小实蝇诱捕监测装备能自动跟踪计算桔小实蝇数量,从而向区域监控人员提供简洁有效的监控信息,在农业上有着广泛的应用前景。     

野生动物监测光照自适应Retinex图像增强算法

针对野外白天不同光照对野生动物监测图像质量造成的影响,提出一种基于Retinex理论的光照自适应图像增强方法。该方法首先使用基于复合梯度的引导滤波估计图像照度分量,克服光照突变造成的伪光晕现象;然后提出一种基于Otus阈值的对比度自适应拉伸方法实现照度分量的校正,克服传统算法过度增强的问题;最后采用照度分量单通道图像计算反射分量图像,实现色彩的保真。该文采用50张保护区实地拍摄的野生动物监测图像为样本进行试验,结果表明,该文算法相比于MSRCR算法、双边滤波Retinex算法和引导滤波Retinex算法色调保真度平均提高81.00%、5.24%和3.58%,信息熵平均提高6.76%、6.23%和2.61%,峰值信噪比平均提高53.43%、5.36%和-2.85%,运算耗时减少-29.03%、78.51%和28.68%,证明该文算法可以有效克服传统Retinex理论算法的过增强、伪光晕现象和灰化效应,实现不同光照条件下野生动物监测图像的自适应增强。     

橘小实蝇成虫诱捕监测装置的设计与试验

为了解决现有的害虫机器监测技术与传统的监测手段结合存在的实时监测难度高、信息处理困难、成本高等问题,该文设计研发一种适用于果园环境的橘小实蝇成虫诱捕监测装置用于监测橘小实蝇成虫虫口密度。该装置外观由遮光罩、进虫口、虫口监测区和储虫瓶构成,信号检测模块包括红外光电耦合传感器匹配电路、电压跟随器电路、差分放大电路和迟滞比较器电路4部分。性能测试结果表明:该诱捕监测装置底部储虫瓶有、无遮光处理时,相应的感应电压均值分别为3.923和3.883 V,差异显著(P0.05),且上述2种方式均能使检测探头输出工作在线性区域;虫口监测通道管壁设计成黑、白、蓝3色,在自然光照条件下,管壁颜色对监测探头感应性能无显著差异性(P=0.606);监测区域不同区域位置感应输出响应也无显著差异性(P=0.797),区域位置对监测输出误差影响可以忽略。应用该诱捕监测装置和人工计数方式在橘小实蝇成虫发生高峰期连续5 d 24 h监测成虫虫口密度,结果表明该装置监测相对误差为3%~8%,相比传统的人工计数方式,具有实时、自动化监测的优点,能够满足现有的橘小实蝇成虫长时期数据动态监测的需求,适用于果园橘小实蝇成虫动态监测推广使用。     

基于机器视觉的松林天牛远程智能监测系统

松墨天牛和褐梗天牛是松树上两种重要蛀干害虫，及时获取松林天牛的数量变化趋势是松林害虫精准防治的重要前提。为此，该研究构建一款基于机器视觉的松林天牛远程智能监测系统。系统主要由诱捕器模块、天牛检测模块和系统Web端三部分组成。诱捕器模块通常放置于松林重点区域来诱捕天牛害虫，并通过摄像头定时采集天牛图像；天牛检测模型部署于边缘端，以深度学习YOLOv5s模型为基础搭建轻量化检测模型，实现边缘端的天牛实时检测统计；检测结果经无线传输在系统Web端进行呈现，实现天牛数据可追溯。试验结果表明，智能监测系统对天牛监测效果良好，模型的准确率为94.4%，召回率为93.6%,IoU阈值为0.5下的平均精度均值(m AP0.5)为96.2%，单张推理耗时为1.40 s，模型大小为9.3 MB；用户可通过系统Web端查看天牛数量变化趋势。该系统可实现诱捕器场景下的天牛远程智能监测，对提高森林害虫防控智能化水平具有重要意义。     

基于形状因子和分割点定位的粘连害虫图像分割方法

单个害虫的分割是进行害虫特征提取和识别的前提。针对害虫识别过程中出现的粘连等问题,提出了一种基于形状因子和分割点定位的害虫图像分割方法。该方法首先利用形状因子对图像中的每个区域进行粘连判定,然后对判定为粘连的区域进行逐层轮廓剥离和局部分割点的确定,接着根据局部分割点在原区域中搜索边界轮廓的两个分离点,最后连接局部分割点与分离点线段进行害虫分割。通过实验室人工随机散落桃蛀螟Conogethes punctiferalis(Guenée)和田间粘虫板诱捕梨小食心虫Grapholitha molesta(Busck)2种场景采集图像,验证算法的有效性,并与分水岭分割算法进行对比,采用分割率、分割错误率和分割有效性3项指标进行评价,结果表明:针对实验室环境下采集的2组桃蛀螟害虫图像,该文方法平均错误率为7%,约为分水岭分割方法的1/2,平均分割有效率为92.65%,比分水岭算法提高了5.7个百分点;在2组田间梨小食心虫图像分割中,该文方法平均错误率为2.24%,平均分割有效率为97.8%,分别比分水岭方法降低了4.29个百分点和提高了3.95个百分点,说明该文方法在分割准确性和有效性方面都可以获得更好的分割性能,应用于害虫多目标分割与自动识别系统中,可以有效地提高识别精度。     

基于颜色特征的绿色作物图像分割算法

绿色作物的识别是农业机械视觉系统的重要研究内容之一,该文采用RGB颜色系统,基于统计分析提出了一种绿色作物图像分割方法。从简单物体光照颜色模型方面,分析了RGB颜色空间中作物绿色“恒量”（Gvalue>Rvalue and Gvalue>Bvalue）的存在性,构建了作物图像分割相对错误率评估模型。并与传统颜色索引方法Excess Green (ExG)+auto-threshold进行了对比分析。试验结果表明,在正常光照条件下：1）采用的算法对田间不同作物-土壤组图像分割的相对错误率均有显著影响;其中,相对ExG+auto-threshold算法,采用RGB算法的结果图像中大多能保留油菜、大豆和甘蔗的形态学特征;2）采用的算法、光照变化以及算法与光照变化的交互作用均对室外美人蕉图像分割的相对错误率有显著影响;其中,相对ExG+auto-threshold算法,采用RGB算法的结果图像中大多能去除背景噪声。单因子方差分析进一步表明,光照变化对采用ExG+auto-threshold算法分割图像的阈值有显著影响。该文提出的RGB算法相对传统的ExG+auto-threshold绿色索引,对于早期生长的绿色作物是一种有效、简单的图像分割方法,对作物-土壤、光照变化不敏感。     

基于K-means聚类和椭圆拟合方法的白粉虱计数算法

为了能够对害虫的准确计数,该文以白粉虱为例,提出了一种基于K-means聚类和椭圆拟合方法的白粉虱计数算法。该方法首先利用K-means聚类算法对白粉虱图像进行分割,使白粉虱从背景图像中分离,然后利用基于最小二乘法的椭圆拟合方法对分割结果进行椭圆拟合,统计椭圆的个数,提取椭圆中心点的颜色特征值,将其作为新的分类中心,重新对白粉虱图像进行分割和椭圆个数的统计,最后将算法收敛时的椭圆个数作为当前白粉虱的个数。对辣椒、黄瓜、番茄和茄子4种作物叶片上附着的白粉虱进行了计数试验,该算法在这4种作物上的平均计数错误率依次为2.80%,8.51%,5.00%,1.56%,并且分别比阈值化方法和K-means聚类方法的平均计数错误率降低了11.65%和70.18%。试验结果表明:所提方法能够实现对不同作物上白粉虱的准确计数,且算法具有很好的泛化性。该研究结果可为虫害的检测以及采取正确的防治措施提供重要依据。     

基于卡尔曼滤波的橘小实蝇成虫运动轨迹优化跟踪

为了实现橘小实蝇虫口密度的精准监测,该文将机器视觉技术作为田间橘小实蝇成虫入侵自动化监测的感知方法。通过对监测区域内运动目标和背景的颜色分析,提出了基于卡尔曼(Kalman)滤波的运动目标颜色均值漂移跟踪算法,优化了多目标运动轨迹跟踪效果。该算法通过图像处理和匹配技术提取了橘小实蝇成虫在虫口监测区域二维平面X轴和Y轴方向上的位置坐标和速度分量,推算了橘小实蝇成虫运动轨迹递推关系。基于动态系统的状态序列线性最小方差估计理论和成虫运动轨迹关系分析,构建了卡尔曼滤波状态估计模型,并建立其预测和修正方程实现了橘小实蝇成虫运动目标位置估计。通过在虫口监测区域开展单目标和多目标分散及粘连条件下的成虫跟踪试验,试验结果表明颜色均值漂移跟踪算法对橘小实蝇成虫单目标跟踪具有较好的适应性,成虫监测计数准确率达100%,对于多目标分散和粘连情况跟踪处理效果较差,计数准确率分别下降至86%和76%;通过在颜色空间均值漂移跟踪算法的基础上引入Kalman滤波器估算目标运动的近似位置,实现了对橘小实蝇成虫分散和粘连多目标运动的持续跟踪优化,监测计数准确率分别提升至96%和93%。机器视觉技术实时跟踪橘小实蝇成虫在虫口监测区域运动轨迹试验进一步验证了橘小实蝇成虫虫口密度监测的可行性,为田间橘小实蝇成虫发生自动化监测技术研究提供了参考。     

采用K均值聚类和环形结构的狭叶锦鸡儿木质部提取算法

针对木质部交互统计误差大、效率低、重现性差、劳动强度高和传统图像处理算法精度不理想等问题,该文以狭叶锦鸡儿木质部切片图像为研究对象,根据木质部特点提出基于K均值聚类算法和环形结构提取算法相结合,实现木质部准确提取的方法。首先通过动态巴特沃斯同态滤波法对30幅供试图像进行光照不均校正,然后采用K均值聚类法对光照补偿后图像初分割,最后采用环形结构提取算法实现木质部提取计数。试验结果表明:采用K均值聚类算法对光照补偿后的木质部图像初分割分割误差R(section error, R)、过分割误差OR(over-segmentation error, OR)和欠分割误差UR(under-segmentation error, UR)均值分别为5.15%、1.48%和6.46%,优于未光照补偿和3R-G-B算法;该文提出的环形结构提取算法对初分割后木质部图像检测的平均相对误差为2.26%,比分水岭法低11.69个百分点,比凹点匹配法低4.93个百分点。从速度上看,该算法平均耗时3.17 s,比分水岭法快1.40 s,比凹点匹配法快4.88 s。该算法检测的均方根误差RMSE(root mean squared error, RMSE)为0.52%,约相当于分水岭法的1/3,约相当于凹点匹配法的1/2,该算法优于其他2种分割算法;在图像结构复杂、光照不均匀、内部分布不均等缺陷条件下,该文算法也能很好地实现木质部的分割和提取。该方法不仅能对狭叶锦鸡儿木质部自动分割和提取,也可为其他植物木质部分割提取提供参考。     

基于Wi-Fi无线感知技术的猪呼吸频率监测

监测和及时发现猪呼吸异常是养猪产业管理中的重要课题。为了克服人工监测方式效率低下、穿戴式设备监测方法成本较高且容易引起猪应激反应的缺点,该文提出了一种基于Wi-Fi网络信道状态信息的非接触式猪呼吸率监测方案。首先,利用Wi-Fi网络设备及其开源驱动程序捕获CSI序列信号并提出异常载波过滤算法用于滤除通信过程中的异常载波;其次,设计载波周期性水平量化指标并以此评估载波周期性水平;第三,通过SmoothingSplines方法平滑载波曲线并基于载波序列自相关函数估计载波周期和频率,筛选出载波周期性水平大于22且频率位于闭区间[0.127 Hz,1.25 Hz]的反映猪只呼吸行为的载波;第四,对符合条件的载波频率进行加权平均求得猪只呼吸率。以人工统计猪只每分钟的呼吸次数作为真实情况,通过对9头仔猪,5头育肥种猪,3头怀孕母猪以及3头因患病引起腹式呼吸的病猪进行对比试验,该文提出的方法能够准确计算出猪的呼吸率,平均相对误差为1.398%。研究结果为应用Wi-Fi无线感知技术监控动物呼吸率提供参考。     

基于无线传感器网络的橘小实蝇成虫监测系统设计与试验

为实现在橘园区域内及时、准确地监测橘小实蝇成虫数量及环境、气象变化,该文提出将无线传感器网络技术作为其信息感知和传输的载体,设计和开发了橘小实蝇成虫动态监测系统并部署于华南农业大学国家柑橘产业技术体系柑橘机械研究室试验橘园,包括10台橘小实蝇成虫监测节点、1台环境气象监测节点及1台WSN+GPRS型边际路由器。系统中各监测节点采用TinyOS操作系统,节点间通信遵循ZigBee协议,节点在待机和全功能模式消耗的电流分别为39.52～42.72 mA和92.21～95.32 mA,边际路由器在待机和数据收发工作状态消耗的平均电流分别为190和250 mA,与之相配置的太阳能供电模块的供电能力均能满足其能耗需求;开展了近5个月的数据包传输率试验,各节点丢包率控制在11.9%～20.8%,数据通信的稳定性与植被和气候条件等因素密切相关,合理部署节点天线高度可解决该问题。试验结果表明,系统可实现数据稳定传输,适合橘园橘小实蝇成虫的动态监测。     

基于机器视觉的橘小实蝇运动轨迹跟踪与数量检测

橘小实蝇发生期虫口数量是威胁果树生长状况的重要参数,是实施精准变量喷雾的基础。为实现果园大尺度、现场、实时和快速检测橘小实蝇虫害发生情况,该文提出了一种基于机器视觉技术在虫口区域跟踪橘小实蝇运动轨迹和数量检测的方法。试验采用橘小实蝇视觉检测平台,选取华南农业大学资源与环境学院橘小实蝇饲养室采集的视频图像作为评价样本,通过人工与机器视觉方式比较视频前50?000帧的检测效果,试验结果表明人工和机器视觉检测的橘小实蝇数量分别为85、78头;机器视觉漏检率为9.4%,达到虫害数量统计要求。     

无人机航拍林业虫害图像分割复合梯度分水岭算法

针对林业信息监测方式实时性差、监测范围有限等问题,为更加实时、准确地对林业虫害信息进行监测并计算监测样地中虫害区域比例,该文在搭建面向林区虫害监测的多旋翼无人飞行器航拍监测系统基础上,提出了一种基于复合梯度分水岭算法的图像分割方法。该方法引入全局直方图均衡化消除了图像暗纹理的影响,并采用形态学混合开闭重构滤波完成了图像样本的去噪处理。计算灰度图像各像素点的复合梯度实现了非相关区域(道路及裸地)的提取,最终利用分水岭算法实现了监测图像虫害区域的分割提取。利用该文所提算法对8幅虫害侵蚀程度不同的监测图像进行分割,并与传统分水岭算法、K-means聚类算法进行对比试验。试验结果表明,该文算法虫害区域提取的平均相对误差率分别降低6.56%、3.17%,平均相对极限测量精度分别改善7.19%、2.41%,能够相对准确地将虫害区域从监测图像中分割出来,可为后续林业虫害监测与防护提供参考。     

棉花精量穴播器取种状态监测系统设计与试验

针对棉花精量穴播作业过程中取种、排种不畅造成空穴的问题,该研究开发了一种棉花精量穴播器取种状态监测系统。以齿盘式穴播器为对象,在分析其工作过程的基础上,确定监测点位置。采用激光对射型传感器和霍尔传感器作为信息监测元件,用STM32单片机实现合格穴数和空穴率的计算,通过nRF24L01无线通信模块实现人机交互终端数据交互,并进行室内和田间试验。台架试验表明,在穴播器工作转速30～45 r/min范围内,系统转动圈数监测精度不变,为100%,合格穴数监测精度达到97%以上,空穴数监测精度达到93%以上,监测系统的准确性满足使用要求。田间试验结果表明,光照对监测系统无影响,合格穴数监测精度最低为96.17%,空穴数监测精度最低为93.11%,与台架试验相比,系统精度下降不超过1个百分点。系统监测与人工实测的合格穴数、空穴数的F值0.05,系统监测值与人工实测值差异不显著。该研究提出的齿盘取种性能的监测方法有效可行,开发的取种状态监测系统在田间作业时具有良好的准确性和稳定性,满足棉花精量穴播器取种状态监测的要求,对促进棉花精量穴播作业自动化、智能化具有重要意义。     

自动监测装置用温室粉虱和蓟马成虫图像分割识别算法

为了监测温室黄瓜作物虫害种类、数量变化情况以预测虫害发展趋势,该文以粉虱和蓟马为例,提出了一种基于Prewitt、Canny边缘检测算子分割和SVM(support vector machine)的温室粉虱和蓟马诱虫板的图像识别算法。该方法利用HSI(Hue-Saturation-Intensity)颜色空间的I分量与L*a*b*颜色空间的b分量二值图像中害虫目标与背景的高对比性,再分别相应地利用Prewitt算子和Canny算子进行单头害虫边缘分割,再经过形态学处理,最后融合这两幅二值图像完成单头害虫区域的提取。然后提取害虫的5个形态特征(面积、相对面积、周长、复杂度、占空比)及9个颜色特征(Hue-Saturation-Value颜色空间、HSI颜色空间、L*a*b*颜色空间各分量的一阶矩),并对这14个特征参数进行归一化处理,将特征值作为SVM的输入向量,进行温室粉虱和蓟马的诱虫板图像识别。通过分析比较不同向量组合的BP(back propagation)与SVM的害虫识别率、4种不同SVM核函数的害虫识别率,发现颜色特征向量是粉虱和蓟马识别的主成分,且SVM的识别效果优于BP神经网络、线性核函数的SVM分类性能最好且稳定。结果表明:平均识别准确率达到了93.5%,粉虱和蓟马成虫的识别率分别是96.0%和91.0%,能够实现温室害虫的诱虫板图像识别。该研究可以为虫害的监测与预警提供支持,为及时采取正确的防治措施提供重要的理论依据。     

基于改进YOLOv7的毛虾捕捞渔船作业目标检测与计数方法

渔船捕捞信息量化是开展限额捕捞精细化管理的前提,为解决中国毛虾限额捕捞目标识别和信息统计量化问题,研究了在中国毛虾限额捕捞渔船上安装电子监控（electronic monitoring,EM）设备,并基于YOLOv7提出一种改进的目标检测算法（YOLOv7-MO）和目标计数算法（YOLOv7-MO-SORT）。YOLOv7-MO目标检测算法采用MobileOne作为主干网络,在输出端head部分加入C3模块,并完成剪枝操作;YOLOv7-MO-SORT目标计数算法将SORT（simple online and realtime tracking）算法中的Fast R-CNN替换为YOLOv7-MO,用于检测捕捞作业中抛出的锚和装有毛虾的筐。采用卡尔曼滤波和匈牙利匹配算法对检测到的目标进行跟踪预测,设置碰撞检测线、时间戳、阈值和计数器,实现对捕捞作业过程中渔获毛虾筐数和下网数量计数。结果表明：1）改进后的YOLOv7-MO在测试集上的平均检测精度、召回率、F1得分分别达到了97.3%,96.0%,96.6%,相比YOLOv7模型分别提升了2.0、1.1和1.5个百分点。2）改进后的YOLOv7-MO模型大小、参数量和浮点运算数分别为64.0 MB、32.6 M、39.7 G,相比YOLOv7模型分别缩小了10.2%、10.6%和61.6%。3）以YOLOv7-MO为检测器的SORT算法毛虾捕捞作业计数准确率在统计毛虾筐数和下网数量上分别达到80.0%和95.8%。YOLOv7-MO在提高检测精度的同时减轻了模型量级,提高了检测效率。结果表明,该研究能够为实现渔船捕捞作业信息记录自动化和智能化提供方法,为毛虾限额捕捞管理提供决策参考依据。     

分布式移动农业病虫害图像采集与诊断系统设计与试验

为了便捷地采集和实时诊断农业病虫害图像,设计了一个分布式移动农业病虫害图像采集与诊断系统。该系统由多个便携式图像采集终端和一个图像处理服务器组成;其中,图像采集终端包括嵌入式相机、可伸缩的手持杆和装载控制App的手机;图像处理服务器包括农业病虫害诊断、信息记录和反馈模块等。手持杆可将安装在其前端的嵌入式相机送到人手或视觉难以企及的病虫害区域,手机可实时预览前端相机的拍摄画面和实现控制相机完成农业病虫害图像采集等功能;系统通过HTTP协议实现多个采集终端与图像处理服务器的数据交互,协同进行分布式计算,可以减少网络移动资费和服务器的负载。利用该系统对水稻纹枯病图像采集与诊断测试结果表明,该系统的图像采集终端可以便捷地采集到水稻纹枯病图像,手机端视频预览画面延时低,对相机控制命令无误,图像采集终端与服务器通信稳定,服务器端对水稻纹枯病图像处理和诊断实时,基于图像的水稻纹枯病为害等级诊断准确率为83.5%。如果服务器端加载不同的农业病虫害图像处理和诊断算法,该系统可广泛应用于各种农业病虫害图像的采集与诊断。