农药精确对靶施用方法技术

为了在城市和公路行道树、防护林、风景园林、观赏植物、果园果树、设施农业和航空森林病虫害防治工作中，提高农药使用效率，促进农林病虫害防治的农药使用技术现代化和自动化，促进生态环境保护和农林可持续发展，需要设计农药精确对靶喷雾系统的方法，就是要在自然环境中，实现基于实时视觉传感技术的目标树木图像采集、图像分割与特征识别方法，并以此为依据做出喷雾控制决策实现农药精确对靶施用的方法。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种精确对靶施用农药的方法，其能够基于计算机视觉技术实时采集树木目标视频图像，通过目标树木图像处理和特征识别，提取树木目标特征，识别树木目标区域及其分布，然后通过喷雾决策控制喷头实现对靶施用农药。
技术介绍
化学农药已为全球范围的绿色革命提供了强有力的保证，并在相当长时间内，化学农药依然是害虫种群管理上最有力和最可靠的武器，能迅速有效地控制猖獗的害虫种群。据统计，在病虫害防治工作中农药所起的作用达70～80％，而选用抗病虫品种、生物防治、物理防治等所挽回的损失只占20～30％。因此全球的农药销售额迅速增长，从1960年至1995年，杀虫剂增加了26倍，杀菌剂增加了17倍，除草剂增加了74倍，其他种类的农药(如植物生长调节剂)增加了113倍，(刘舜尧.1996)，目前还在进一步增加。从生态学观点来看，常规的农药使用方法，施用中喷撒出去的农药只有极少部分能达到要防治的靶标上，大部分农药都是无效的，流失非常严重(袁会珠等，1998)，Metcalf做了个估算，采用普通方法喷施农药，只有25-50％的农药沉积在植物目标上，直接降落在目标害虫上的农药量仅在1％以内，只有不足0.03％的药剂能起到杀虫作用，其余的50-70％的农药，则以挥发、漂移等形式而散失。显然使用农药所造成的污染是除烟尘和废水外的另一重要污染源，农药使用伴随着生态平衡破坏、农药残留、害物抗药性、人畜中毒以及低效使用等一系列弊端。因而，众多学者都认为“化学农药是高效的，但使用手段却是低效率的”。英国学者Brown更是告诫农药使用者“使用农药要像武士手中的利剑，而不应像农夫手中良莠不分的镰”。但是由于存在使用技术等问题，加之人们在使用农药的过程中只重视其有利的一面，而忽视其有害的一面，过量使用农药，不可避免地导致了“3R”(即残留residue，害物再猖獗resurgence和害物的抗药性resistance)，甚至影响整个农林生态系统。1987年据世界卫生组织和联合国环境规划署的不完全统计，全世界每年发生300万起农药中毒事故。根据国际劳动组织在其1994年“世界劳动报告”中估计，每年农药中毒人数达500万，死亡人数4万，其中99％发生在发展中国家(龙惠珍，陆贻通.1997)。据“Pesticide Action Network”(农药行动网)1998年8月报道，尼日利亚的一个州因农药使用不当造成六十万家庭受到农药的危险。几十年来，我国农药使用非常粗放，普遍人工控制农药使用，因而农药残留、饮用水污染和农药雾滴漂移已引起了公众的普遍关注，环境保护是我国的基本国策，也是21世纪全球最为关注的热点问题。因此我国继1982年颁布《农药登记规定》和《农药安全使用规定》后，1997年5月8日又颁布了《中华人民共和国农药管理条例》，对农药的登记、生产、经营、使用以及监督管理、处罚都做了明确规定，特别是随着经济的发展和城镇化的扩大，农林生产劳动力的比重必然将明显下降(1990年世界农业劳动力占社会总劳动力的比重由1970年的55％下降到46.6％，如美国由4.3％下降到2.3％，中国由80.8％下降到60.2％)。因此靠人工控制农药使用的方法存在劳动强度大、成本高和污染环境等问题，高效率的精确农药使用方法是科技发展和人们生活提高的必然，也是全球农药使用技术研究发展的主要目标。定点杂草管理是基于IPM(Integrated Pest Management)的一种新的杂草控制技术(Lindquist，et al，1998)，要实现定点杂草管理，需要开发用于检测和估计田间杂草分布的自动化系统。这有两种方法，一是基于实时传感器的可变量或间歇式的除草剂使用系统，二是基于地理信息系统(GISGeographic Information Systems)的可变量除草剂使用系统。基于地理信息系统的方法为历史的方法，需要包括杂草尺寸和位置数据库的生成。这一数据库将由GIS来管理并生成处理图(MAP)而控制选择性喷雾机。这一方法假设杂草尺寸是静态而不是动态的。此方法的优点是允许识别杂草方法的方便性，象遥感或机载传感器均可用于该数据库的形成。这一方法的缺点有首先喷雾机只能在全球定位系统(Global PositioningSystem)接收器的准确范围内才可以在田间准确定位；第二，形成杂草图的成本增加，包括专门为采集图像而进行遥感等以及形成杂草图所必需的数据处理；第三，由于传感器应用是不同时的操作过程，这一方法假定杂草尺寸和位置是稳定的，而实际上某些杂草在不同年份上确实是稳定的，但有些杂草的尺寸和密度每年都在变化(Mortensen et al，1998)。因此美国伊利诺依大学(University of Illinois at Urbana-Champaign)农业工程系针对杂草防治，提出基于实时传感器的智能喷雾机概念，但仍在探索之中(Tian，Reid，Hummel，1999和Gopalapillai，Tian，Zheng，1999)。智能喷雾机应用机器视觉系统来采集和计算杂草特征，根据这些特征来进行应用量决策，然后利用这些决策来使每个喷雾喷头执行开或闭的动作，或使每个喷头改变应用量。大量研究人员开展了利用机器视觉系统在可控光条件下植物识别研究(Zhang and Chaisattapagon，1995和Guyer，et al，1993等等)，但对于进行实时机器视觉系统识别杂草的研究极少，更无人利用实时系统进行树木特征图像采集与处理和特征提取的。实时计算必须在一定的时间内产生正确的结果。正确的计算不仅依赖于计算逻辑的正确性，同时也依赖于产生结果的时间的正确性，另外需要解决自然光条件下的树木图像采集和处理，即需要建立一套适应环境变化的图像分割算法。目前在树木病虫害防治过程中，假定农药施用系统经过的区域没有个体区别，不管有无施药目标均采用均匀全面施药。而实际情况是树与树之间具有一定的株距以及不同的树种有不同的树冠形态，如果采用恒定的使用量施药就会造成非靶标沉积。这不同于农业病虫害防治，农作物的行非常规则，大部分农业上的株距小到可以认为是连续的行。因此在杂草防治中，可以利用图像处理简单地将作物行设定为非喷雾目标，但对于林木化学保护则不能如此简单处理，而应充分考虑树间间隔和树冠形态，因为树间间隔较大且每一树的树冠个体差异较大。本专利技术对于赶超发达国家先进技术，对病虫害防治技术从静态恒定向动态变量发展、从全面单一均匀使用转向对靶选择性使用农药具有非常积极的作用，可望减少农药使用量(特别对于如微胶囊剂等高成本农药和生物农药)、提高农药使用效果和减轻农药环境污染，促进林业生产现代化和实现森林资源的可持续发展。本专利技术的目的是提供一种。
技术实现思路
本专利技术为在自然环境中基于实时视觉传感技术的，建立一套算法用于目标树木图像采集、处理和特征识别，并以此为依据做出决策控制喷雾实现农药的精确对靶施用。该方法涵盖施药过程中的目标树木图像采集、图像分割与特征识别、喷雾控制等主要技术要点，以此方法设计的农药精确对靶喷雾系统可应用于城市和公路行道树、防护林、风景园林、观赏植物、果园果树、设施农业和航空森林病虫害防治工作，提高农药使用效率，从而改善我国农林病虫害防治中的施药技术和施药器械，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郑加强，周宏平，向海涛，葛玉峰，
申请(专利权)人：南京林业大学，
类型：发明
国别省市：