低对比度条件下联合收割机导航线提取方法

　　摘要：针对强光照下成熟小麦已收割区域和未收割区域对比度低、收割边界获取难度大的问题，该文提出了一种基于区域生长算法的联合收割机导航线精确提取方法。对摄像头采集的作物收割图像，利用区域生长算法分割出图像中未收割区域。生长阈值通过对图像灰度直方图高斯多峰拟合进行自适应计算。对分割得到的二值图像进行形态学处理，获取作物已收割和未收割区域分界线，然后采用最小二乘法拟合收割机作业导航线。试验结果表明：在小麦已收割和未收割区域对比度很低的情况下，所提方法能够精确地提取出小麦收获边线，并得到收割机作业导航线，与人工标定导航线夹角平均误差小于1.21°，可以为联合收割机的自动导航研究提供参考；处理一张900×1200像素的图像时长约0.41s，基本满足联合收割机导航作业的实时性要求。与传统方法对比发现，该文方法不易受作物生长密度和麦茬的干扰，导航线的提取精度更高，单幅图像的处理时间略有增加，但基本满足实时性作业要求。

　　关键词：机械化；机器视觉；导航；联合收割机；区域生长算法；多峰高斯拟合；最小二乘

　　0引言

　　自动导航作为智能农业装备的关键技术之一，广泛应用于播种、除草、施肥和收获等作业中[1-2]。在农作物收获过程中，为避免重割和漏割，驾驶员需根据作物收获边界对收割机前进方向及时调整，以保证收割机满幅工作。这要求驾驶员具有较高的操作技能和熟练度。此外，观察割台两侧作物收割边界会分散驾驶员的注意力，且长时间作业容易疲劳，给农业生产带来安全隐患。因此，研究联合收割机自动导航技术对减轻驾驶员劳动强度、提高生产效率具有重要意义。

　　1收割机导航线提取方法

　　在联合收割机作业过程中，要求收割机满幅工作，且不发生漏割和重割。因此，快速而准确地识别作物已收割和未收割区域边界是实现收割机自动导航的关键步骤。通过对大量的小麦收割现场图像分析发现，已收割和未收割区域具有颜色差异小、对比度低的特点，但未收割区域图像纹理更加平滑，像素值具有良好的均匀性和相似性，已收割区域由于存在残留的麦茬，像素值空间分布不均。区域生长算法[21]是一种常用的图像分割算法，通过比较种子与周围像素的相似性来决定是否合并种子，能够有效地将具有相似像素的连通区域分割出来，在医学[22-23]、农业[24]以及遥感图像处理[25]等领域得到了广泛应用。

　　2验证试验

　　为验证所提方法的有效性，在小麦收获现场采集用于试验验证的小麦收割图像。使用彩色工业相机进行图像采集，型号为海康威视MV-CA013-20UC，分辨率为1024×1280像素，以RGB颜色空间保存为JPG格式。裁切后的图像大小为900×1200像素，图像处理在计算机平台上完成，处理器为IntelCorei7-6700，主频3.4GHz，内存大小为8G，图像处理软件为MATLAB2018b。

　　图像采集地点为北京市昌平区精准农业示范基地，联合收割机型号为雷沃重工股份有限公司的GK120试验样机，收割行进路线为右旋法，待检测收割边界位于联合收割机左侧。因此，将摄像头安装在驾驶舱顶部偏左侧位置，相机光轴与水平线夹角约30°，离地高度约3m，此时未收割区域始终位于采集的图像右侧。小麦品种为农大211，收割时作物自然高度为84cm，割茬高度为8.5cm。麦田无积水，土壤较干燥，在阳光下土壤颜色呈浅黄色，与小麦颜色相近。小麦收割后产生的秸秆经粉碎后从联合收割机尾部排放，由于割台宽于机身，从机身两侧到割台两端的区域内并无秸秆排放，因此麦田中和未收割区域相邻的已收割区域地表秸秆量较少，摄像头视野中从左至右依次为秸秆覆盖的地表、麦茬和裸露地表以及未收割小麦区。

　　结论

　　为解决强光照条件下成熟小麦已收割与未收割区域对比度低、收割边界模糊以及导航线提取难度大的难题，本文提出了一种基于区域生长算法的联合收割机导航线提取方法。试验结果表明，在小麦已收割和未收割区域对比度很低的条件下，所提方法能够精确地检测出小麦收割分界线，并提取出收割机作业导航线。在不同光照强度、不同作物生长密度等不同的作业场景下，本文方法均能准确分割出小麦已收割和未收割区域，提取的导航线与人工标定的导航线平均角度误差小于1.21°，能够为联合收割机自动导航提供参考。在时效性方面，处理一张900×1200像素的图像耗时约0.41s，基本满足联合收割机正常作业速度下的实时性要求。

　　[参考文献]

　　[1]姬长英，周俊.农业机械导航技术发展分析[J].农业机械学报，2014，45(9)：44－54.JiChangying,ZhouJun.Currentsituationofnavigationtechnologiesforagriculturalmachinery[J].TransactionsoftheChineseSocietyforAgriculturalMachinery,2014,45(9):44－54.(inChinesewithEnglishabstract)

　　曾宏伟，雷军波，陶建峰※，张伟，刘成良

《低对比度条件下联合收割机导航线提取方法》

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