低對比度條件下聯合收割機導航線提取方法

　　摘要：針對強光照下成熟小麥已收割區(qū)域和未收割區(qū)域對比度低、收割邊界獲取難度大的問題，該文提出了一種基于區(qū)域生長算法的聯合收割機導航線精確提取方法。對攝像頭采集的作物收割圖像，利用區(qū)域生長算法分割出圖像中未收割區(qū)域。生長閾值通過對圖像灰度直方圖高斯多峰擬合進行自適應計算。對分割得到的二值圖像進行形態(tài)學處理，獲取作物已收割和未收割區(qū)域分界線，然后采用最小二乘法擬合收割機作業(yè)導航線。試驗結果表明：在小麥已收割和未收割區(qū)域對比度很低的情況下，所提方法能夠精確地提取出小麥收獲邊線，并得到收割機作業(yè)導航線，與人工標定導航線夾角平均誤差小于1.21°，可以為聯合收割機的自動導航研究提供參考；處理一張900×1200像素的圖像時長約0.41s，基本滿足聯合收割機導航作業(yè)的實時性要求。與傳統方法對比發(fā)現，該文方法不易受作物生長密度和麥茬的干擾，導航線的提取精度更高，單幅圖像的處理時間略有增加，但基本滿足實時性作業(yè)要求。

　　關鍵詞：機械化；機器視覺；導航；聯合收割機；區(qū)域生長算法；多峰高斯擬合；最小二乘

　　0引言

　　自動導航作為智能農業(yè)裝備的關鍵技術之一，廣泛應用于播種、除草、施肥和收獲等作業(yè)中[1-2]。在農作物收獲過程中，為避免重割和漏割，駕駛員需根據作物收獲邊界對收割機前進方向及時調整，以保證收割機滿幅工作。這要求駕駛員具有較高的操作技能和熟練度。此外，觀察割臺兩側作物收割邊界會分散駕駛員的注意力，且長時間作業(yè)容易疲勞，給農業(yè)生產帶來安全隱患。因此，研究聯合收割機自動導航技術對減輕駕駛員勞動強度、提高生產效率具有重要意義。

　　1收割機導航線提取方法

　　在聯合收割機作業(yè)過程中，要求收割機滿幅工作，且不發(fā)生漏割和重割。因此，快速而準確地識別作物已收割和未收割區(qū)域邊界是實現收割機自動導航的關鍵步驟。通過對大量的小麥收割現場圖像分析發(fā)現，已收割和未收割區(qū)域具有顏色差異小、對比度低的特點，但未收割區(qū)域圖像紋理更加平滑，像素值具有良好的均勻性和相似性，已收割區(qū)域由于存在殘留的麥茬，像素值空間分布不均。區(qū)域生長算法[21]是一種常用的圖像分割算法，通過比較種子與周圍像素的相似性來決定是否合并種子，能夠有效地將具有相似像素的連通區(qū)域分割出來，在醫(yī)學[22-23]、農業(yè)[24]以及遙感圖像處理[25]等領域得到了廣泛應用。

　　2驗證試驗

　　為驗證所提方法的有效性，在小麥收獲現場采集用于試驗驗證的小麥收割圖像。使用彩色工業(yè)相機進行圖像采集，型號為海康威視MV-CA013-20UC，分辨率為1024×1280像素，以RGB顏色空間保存為JPG格式。裁切后的圖像大小為900×1200像素，圖像處理在計算機平臺上完成，處理器為IntelCorei7-6700，主頻3.4GHz，內存大小為8G，圖像處理軟件為MATLAB2018b。

　　圖像采集地點為北京市昌平區(qū)精準農業(yè)示范基地，聯合收割機型號為雷沃重工股份有限公司的GK120試驗樣機，收割行進路線為右旋法，待檢測收割邊界位于聯合收割機左側。因此，將攝像頭安裝在駕駛艙頂部偏左側位置，相機光軸與水平線夾角約30°，離地高度約3m，此時未收割區(qū)域始終位于采集的圖像右側。小麥品種為農大211，收割時作物自然高度為84cm，割茬高度為8.5cm。麥田無積水，土壤較干燥，在陽光下土壤顏色呈淺黃色，與小麥顏色相近。小麥收割后產生的秸稈經粉碎后從聯合收割機尾部排放，由于割臺寬于機身，從機身兩側到割臺兩端的區(qū)域內并無秸稈排放，因此麥田中和未收割區(qū)域相鄰的已收割區(qū)域地表秸稈量較少，攝像頭視野中從左至右依次為秸稈覆蓋的地表、麥茬和裸露地表以及未收割小麥區(qū)。

　　結論

　　為解決強光照條件下成熟小麥已收割與未收割區(qū)域對比度低、收割邊界模糊以及導航線提取難度大的難題，本文提出了一種基于區(qū)域生長算法的聯合收割機導航線提取方法。試驗結果表明，在小麥已收割和未收割區(qū)域對比度很低的條件下，所提方法能夠精確地檢測出小麥收割分界線，并提取出收割機作業(yè)導航線。在不同光照強度、不同作物生長密度等不同的作業(yè)場景下，本文方法均能準確分割出小麥已收割和未收割區(qū)域，提取的導航線與人工標定的導航線平均角度誤差小于1.21°，能夠為聯合收割機自動導航提供參考。在時效性方面，處理一張900×1200像素的圖像耗時約0.41s，基本滿足聯合收割機正常作業(yè)速度下的實時性要求。

　　[參考文獻]

　　[1]姬長英，周俊.農業(yè)機械導航技術發(fā)展分析[J].農業(yè)機械學報，2014，45(9)：44－54.JiChangying,ZhouJun.Currentsituationofnavigationtechnologiesforagriculturalmachinery[J].TransactionsoftheChineseSocietyforAgriculturalMachinery,2014,45(9):44－54.(inChinesewithEnglishabstract)

　　曾宏偉，雷軍波，陶建峰※，張偉，劉成良

《低對比度條件下聯合收割機導航線提取方法》

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