水稻插秧机插秧株距及穴秧苗数检测方法研究

摘要

水稻是我国三大粮食作物之一，在中国现代农业经济和保证粮食安全方面具有举足轻重的地位。近年来，水稻生产机械化呈现出快速发展趋势，采用种植机械化生产具有显著的社会和经济效益，而机插秧是水稻种植机械化生产的主要方式。在机插秧中杂交稻品种以其较高的分蘖能力结合每穴1-2株的合理种植密度，可以大大提升粮食的产量。在水稻机械化插秧作业中，除了提高育秧质量外，更重要的是实现对插秧机栽插性能的检测，将栽插性能的检测结果及时反馈给插秧机驾驶员，能够便于驾驶员对插秧机的工作参数进行调整和管控，因此，本文的研究对提高插秧工作效率和保证插秧质量具有理论研究价值和实际应用意义。　　本文在分析目前国内外有关作物分割和定位技术现状的基础上，根据秧苗轮廓陡变度特征提出了一种插秧株距检测方法，结合秧苗连通区域面积、叶尖点数特征实现每穴秧苗数的检测，综合图像处理技术和传感器检测技术研制了一套田间秧苗图像检测系统，最后通过田间试验对株距检测和穴秧苗数检测算法的理论分析进行验证。论文的主要研究内容和结论如下：　　（1）结合水田工作环境和需求，构建了水田环境下秧苗图像检测系统，实现了秧苗图像的采集和分析功能。分析了水田秧苗图像采集系统的工作环境和需求，完成了图像采集系统硬件选型；研究插秧机在不同工作状态下工作部件的运动规律，研制出一种能自动检测插秧机工作状态的装置，当插秧机处于插秧工作状态时，控制秧苗株距及穴秧苗数检测程序自动启动；探究了秧苗生长特性及影响图像质量的相关因素，设计了一种拍摄角度可手动调节的摄像头安装支架，在一定程度上解决了秧苗叶片间重叠问题。　　（2）对比研究了多种图像分割算法，优选出适用于水田复杂背景下对L*a*b*空间中的a分量进行自动阈值分割的秧苗图像分割算法。分析了秧苗图像在不同颜色空间下的秧苗图像，选取了L*a*b*颜色空间中的a分量将秧苗图像灰度化；根据算法运行时间、错分类误差（ME）、均匀测度（UM）为测评准则对比试验了三种不同的作物分割算法，优选出将秧苗L*a*b*空间中的a分量进行自动阈值分割的算法。　　（3）分析水田复杂背景下秧苗形态特征，提出了水田复杂背景下基于轮廓陡变度的秧苗定位算法。在对比分析了常用的田间作物定位方法的基础上，结合本文研究对象秧苗的连通区域特征，提出了一种基于秧苗轮廓陡变度的定位算法；通过试验结果显示本文定位算法的平均误差为4.60Pixels，在本文研究条件下定位精度优于其他定位算法。　　（4）分析了秧苗图像采集的运动规律，提出了秧苗株距及穴秧苗数检测算法。进行田间试验，试验表明，当插秧株距档位为14cm时，株距测量平均误差为7.88mm，穴秧苗数的平均正确判断率达到81.1%。根据秧苗图像采集的运动规律，探究了本文条件下的像素当量测量，提出了一种株距的测量算法，在田间试验中，当插秧株距档位为14cm时，株距测量平均误差为7.88mm；探究了插秧机速度对株距测量平均误差的影响，在显著水平为0.05条件下，中速和低速对株距测量误差影响极显著；提出一种结合秧苗连通区域面积、叶尖点数特征实现穴秧苗数检测算法，在田间穴秧苗数测量试验中，对于穴秧苗数的平均正确判断率达到81.1%。

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摘 要

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1绪论

1.1研究目的与意义

1.2国内外研究现状

1.2.1国内外作物图像分割技术研究现状

1.2.2国内外作物定位技术研究现状

1.2.3研究现状讨论

1.3研究内容

1.4技术路线

2 检测系统构建

2.1检测系统总体设计

2.2 图像采集装置

2.3插秧机工作状态检测装置

2.3.1插秧机工作状态检测原理

2.3.2角度传感器

2.3.3速度传感器

2.4图像检测系统软件设计

2.5本章小结

3水田复杂背景下秧苗图像分割算法研究

3.1水田复杂背景下秧苗图像颜色空间分析

3.1.1 RGB颜色空间

3.1.2 HSV彩色空间

3.1.3 L*a*b*彩色空间

3.2水田复杂背景下秧苗图像像素分布分析

3.3秧苗图像分割算法分析

3.3.1阈值分割算法

3.3.2聚类分割算法

3.3.3分割算法对比分析

3.4秧苗图像分割后处理

3.4.1 面积滤波

3.4.2 孔洞填充

3.4.3 边缘检测

3.5 秧苗连通区域的形状特征提取

3.6本章小结

4株距及穴秧苗数检测算法研究

4.1水田复杂背景下秧苗定位算法研究

4.1.1质心定位算法分析

4.1.2行列投影直方图定位算法分析

4.1.3秧苗轮廓形态特征定位算法分析

4.1.4多种定位算法对比分析

4.2秧苗株距算法研究

4.3秧苗穴秧苗数检测算法研究

4.4本章小结

5田间试验

5.1试验目的

5.2试验材料

5.3试验安排与讨论

5.4本章小结

6.1结论

6.2展望

致 谢

2018年6月

参 考 文 献

附录 攻读硕士学位期间参与的科研工作和取得的成果