بخشی از مقاله
چکیده
تنک کنی و وجین کنی محصولات ردیفی از جمله عملیات هزینهبر و طاقت فرسا بوده و از اهداف اصلی کشاورزی دقیق بهبود عملکرد محصول در واحد سطح میباشد. تشخیص و تمایز بین محصول، علف هرز و خاک با استفاده از تکنیک پردازش تصویر عمل پیچیده ای بوده، بویژه زمانی که محصول به اندازه کافی رشد کرده باشد. بینایی ماشین می تواند ابزار مناسبی برای تشخیص و جداسازی محصول از خاک و علفهای هرز باشد. هدف اصلی این تحقیق توسعه الگوریتم با دقت مناسب به منظور تشخیص بوتههای چغندرقند و حذف بوته های اضافه می باشد . تصاویر رنگی توسط دوربین دیجیتال مجهز به لنز CCD از سطح مزارع چغندرقند شهرستان نقده در فصل بهار در مرحله 4 الی 6 برگی، در شرایط مختلف آب و هوایی - آفتابی و ابری - تهیه گردید .
الگوریتم های ارائه شده متشکل از دو قسمت جداسازی محصول از زمینه و تصمیمگیری بر مبنای فاصله بوته از بوته های مجاور می باشد. توابع تفکیک کننده و نرخ موفقیت آنها در تشخیص مرکز جرم بوتهها و تقسیم بندی بوته ها مورد ارزیابی قرار گرفت. بررسی تصاویر نشان داد که اساسیترین مشکل در تشخیص شیء، همپوشانی بوتهها میباشد. نتایج آنالیز نشان داد که الگوریتم ارائه شده در فضای رنگی RGB با تبدیل - 2R-G+B - با وجود همپوشانی، دارای دقت بالاتری نسبت به فضاهای رنگی - HSI و - YCbCr میباشد. نتایج ارزیابی نشان داد که دقت الگوریتم مرکز جسم و الگوریتم عرض متوسط به ترتیب، 58/65، 89/7 درصد در عملکرد روی بوتهها و همچنین دقت جداسازی محصول از زمینه به ترتیب 94 و 91 درصد در هوای آفتابی و ابری میباشد.
کلمات کلیدی: بینایی ماشین، پردازش تصویر، تراکم، تنککنی، چغندرقند.
مقدمه
در مسیر توسعه مکانیزاسیون هر منطقه، در اختیار داشتن ادوات کشاورزی از ملزومات توسعه و پیشرفت در کشاورزی می باشد. از مهمترین، پرهزینهترین و طاقت فرساترین مراحل تولید محصول در کشاورزی عملیات داشت می باشد . حذف بوته ی اضاف ی از سطح مزرعه به منظور رسیدن به تراکم و فاصلهی بهینه محصول برای دستیابی به محصول با کیفیت مناسب را عملیات تنککاری گویند .[Herbon, 2004] فاصله یکنواخت گیاهان همواره برای توزیع یکسان آب و مواد مغذی در بین گیاهان مطلوب میباشد. به منظور دستیابی به عملکرد بهینه و به دلایل پیشبینی نشده مانند قوه نامیه بذر، کشت در عمق نامناسب،... تعداد بوتههای کاشته شده در سطح را بایستی بیشتر در نظرگرفت.
در مورد چغندرقند تعداد بوته در هکتار 1/5تا 7برابر1/ تراکم اص لی کاشته می شود ]خواجه پور، . [1385 به ازای هر هکتار محصولات ردیفی تنک شونده - مانند چغندرقند، پنبه، ذرت و ... - 62/28 روز کاری - حدود 24/7 درصد هزینه های تولید - برای عملیات تنککنی و وجینکنی نیازمند است ]آمارنامه، .[1385تراکم نامناسب محصول موجب افت عملکرد محصول در هکتار می شود [Thorp et al, 2007] و 1984 ] .[Duncan, شناسایی بوته ها روی ردیف با استفاده از بینایی ماشین مشکلاتی را به همراه دارد که موجب تفاوت کلی آن با سایر کاربردهای این تکنولوژی نظیر جداسازی و طبقهبندی محصولات کشاورزی میشود.
به طور خلاصه می توان تفاوتهای زیر را برشمرد: شرایط مزرعه کاملاً متغیر بوده و مانند فرآیندهای پس از برداشت قابل کنترل نمی باشند. همپوشانی برگ ها موجب عدم وجود یک شکل و اندازه مشخص برای گیاه میشود و به همین دلیل پردازش مورفولوژیکی را مشکل می سازد. لی و همکاران - 1999 - ، سیستم رباتیک هوشمندی برای کنترل علف هرز و با اعمال انتخابی سم روی ردیف با استفاده از ماشین بینایی ابداع کردند. نتایج کار آنها نشان داد که فضای رنگی HSI بهتر از فضای رنگی RGB در طبقه بندی پیکسل های رنگی عملکندمی. پس از توسعه تکنولوژی های پردازش تصویر، گام بعدی اعمال همزمان - بلادرنگ - آن ها در عملیات مزرعهای می اشدب . اسلاوتر و همکاران - - 1996، یک سیستم هدایت بلادرنگ برای کولتیواتورزنی دقیق ارائه دادند.
سیستم هدایت هاآن مکان ردیف بوته ها را تعیین میکرد، سپس آفست موجود بین مکان فعلی و موقعیت مطلوب، با حرکت جانبی ابزار تنظیم می شد. تیان و همکاران، - 1998 - امکان کاربرد سیستم بینایی ماشین را برای تشخیص بوته اصلی در شرایط نور طبیعی محیط بررسی کردند . نتایج آزمایشگاهی تحقیقات آنها نشان داد که 61 تا 82 درصد بوتههای اصلی را در تصاویر گرفته شده از مزرعه می توان به درستی تشخیص داد. ماشینهای تنککن معمولی بصورت تصادفی اقدام به حذف بوته می نماید و سعی در حفظ تراکم بوتهها را ندارند. در تنککنهای دقیق بایستی بوته تشخیص داده شود و با توجه به وضعیت هر بوته تصمیم به حذف و یا عدم حذف آن گرفت. هدف از انجام این تحقیق طراحی الگوریتم مکان یابی مرکز جرم بوته های چغندرقند با استفاده از سنسور بینایی ماشین در مزرعه میباشد. همچنین آلگوریتم بایستی قادر به تعیین دقیق فاصلهی بین بوتهها و تشخیص تراکم محصول در مزرعه باشد.
مواد و روشها
تصویر برداری: این پژوهش از پایگاه داده های تصاویر سه مزرعه چغندرقند کشت شده با کارنده پنوماتیک در شهرستان نقده استفاده شده است. تراکم محصول در این مزارع مابین 100000 تا 150000 بوته در هکتار بودبا. در نظر گرفتن زمان عملیات تنک کنی، تصاویر در مراحل 4الی 6 برگی تهیه گردید. تصویربرداری از 15 اردیبهشت تا 30 خرداد 1390 صورت گرفت. این تصاویر توسط دوربین دیجیتال Sony Cyber-Shot W200 CCD با رزولشن 2048*1538، با فرمت فشرده سازی Jpeg، در شرایط مختلف جوی - ابری و آفتابی - تهیه گردید. برای تهیه تصاویر از یک قاب فلزی برای نصب دوربین در ارتفاع 1.5 متری استفاده گردید و در ناحیه ای به طول 1 و عرض 0/5 متر از ردیف های چغندرقند عکسبرداری صورت گرفت. ردیفهای کشت توسط نشانگرهای به فواصل مساوی علامت گذاری گردید تا در مرحله کالیبراسیون بتوان از این مقیاس استفاده نمود - شکل . - 1
500 تصویر توسط نرمافزار MATLAB R2011b مورد پردازش قرار گرفت. برای ارزیابی و مقایسهتأث یر میزان شدت نور بر نتایج، تصاویر در شرایط مختلف جوی - نور زیاد - آفتابی - و نور - ابری - - کم تهیه شد - شکل . - 2 در شکل - 3 - مراحل پیش پردازش، پردازش تصویر و تصمیمگیری شرح داده شده است . در این تحقیق از دو روش برای تشخیص بوته استفاده شد. روش اول تعیین مرکز جرم، و روش دوم استفاده از عرض متوسط بوتهها که در ادامه توضیح داده میشود میباشد.جداسازی زمینه از محصول: برای جداسازی زمینه، از مقدار درهی نمودار هیستوگرام مؤلفهی تصویر در شکل 4 - ج - برای آستانهگذاری مؤلفه سبز استفاده شده است.
با استفاده از رابطه 2G - B - R و انتخاب آستانه صفر میتوان گیاه را از زمینهی خاک جدا کرد Liu and ] .[Paulsen, 2000 مراحل مختلف پیش پردازش تصاویر در شکل - 5 - آورده شده است.تعیین تعداد بوته: برای تعیین تعداد بوته از دو روش تعیین مرکز جرم بوته و عرض متوسط بوته استفاده شد.آلگوریتم تعیین مرکز جرم: در روش تعیین مرکز جرم، بعد از مراحل پیشپردازش و حذف زمینه، تعداد بوتهی در هر تصویر و فواصل بین بوتهها مانند شکل - 6 - محاسبه شده و بر اساس حفظ تراکم مناسب، بوته ی اضافی حذف می شود. در شکل 6 - الف - تعداد بوتههای چغندرقند 12 عدد بوده در حالی که در تصویر دودویی تعداد آنها برابر - 6 - عدد میباشد.
