摘 要

随着计算机信息技术的不断发展,人们将各种最先进的技术应用于农业和林业中，尤其是对农药喷洒的研究，对靶喷雾是其中一个。通过树木靶标检测可以确定树叶树干的位置、大小、形状、体积等形貌信息，从而可以确定靶标不同位置的喷雾剂量，以此为依据指导喷雾过程，可有效降低农药用量，对提升作业安全、降低环境污染。为了实现树木对靶变量喷雾，需要将树木从背景中分离开来，并分割出树冠和树干。由于树木本身及其周围景物的多样性，使得树木图像分割成为一项复杂的、探索性很强的工作。

论文首先通过树叶树干在RGB、HSI、YCbCr三种常见颜色空间像素的颜色特性的分析，根据各分量直方图特点，选取YCbCr颜色空间建立树叶树干模型。树叶在CbCr空间分布满足高斯模型正态分布，以此建立树叶高斯模型；用阈值分割的方法建立树干模型；然后运用形态学手段对检测结果进行孔洞填充、去噪处理以及边缘检测。最后检测图像实验结果表明上述方法用于分割树木图像具有良好的效果。

关键词：树木靶标检测；树叶模型；树干模型；颜色空间

Method of Tree Target-detecting Spray  based on computer vision

ABSTRACT

With the continuous development of computer information technology, all kinds of the most advanced technology have been used in the spraying pesticide,  especially on the research of the pesticide spraying, the spray targets is one of them.  Target detection can be determined through trees leaves the location, size, shape, size, etc of the trunk shape information, which can determine the target spray dose of different position, based on direct spray process, can effectively reduce pesticide use, to improve operation safety, to reduce the pollution of the environment. In order to achieve the trees to the target variable spray, need to split the trees from the background, and segment the canopy and trunk. Because the diversity of trees itself and the surrounding scenery, the trees become a complex image segmentation, exploratory strong work.

Paper first through the tree leaves in RGB, HSI, YCbCr three common the paper analyses the characteristics of the pixel color, the color space based on the characteristics of each component of the histogram, select YCbCr color space leaves the trunk model is set up. Leaves at CbCr spatial distribution, satisfy the gaussian model of normal distribution to establish gaussian model leaves; The trunk model is established using the method of threshold segmentation; Then use their test results by means of morphological holes filling, to deal with the noise and edge detection. The tree image to segment image experiment results show that the method has a certain effect.

Key words：Tree target detection; Leaves model; Tree model; Color space

目 录

1 绪论 1

1.1 研究的目的和意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 研究的内容 2

1.4 论文结构 3

2 树叶树干的颜色空间模型 4

2.1 树叶树干训练样本构造 4

2.2不同颜色空间的树叶树干统计特性 5

2.2.1 RGB颜色空间 5

2.2.2 HSI颜色空间 7

2.2.3 YCbCr颜色空间 9

2.3 树叶树干的颜色统计模型 10

2.3.1 基于Ycbcr颜色空间的树叶统计模型 11

2.3.2 基于YCbCr颜色空间的树干统计模型 13

2.4 树叶树干模型检测 13

3 图像后处理 15

3.1 填充孔洞 15

3.2 删除图像中小面积区域 16

3.3 图像边缘检测 18

4 实验结果与分析 20

5 总结与展望 25

5.1 总结 25

5.2 展望 25

致谢 25

参考文献 26

附录 28

1 绪论

1.1 研究的目的和意义

树木对靶喷雾是指将林木冠层视为靶标，有树喷药，树间隙不喷，并且能够根据树冠大小、形状、体积的不同调整喷药剂量，使得雾滴在冠层均匀沉积。林木对靶喷雾系统由靶标检测和变量喷雾两个子系统组成。靶标检测子系统通过实时传感器检测林冠靶标，得到冠层位置、大小、形状、体积等形貌信息，从而确定靶标不同位置的喷雾剂量，形成喷雾处方图（prescription map）。变量喷雾子系统根据喷雾处方图控制喷头流速，实施变量喷雾，使得冠层各处单位体积喷雾沉积一致。其中，靶标检测子系统的性能对喷雾效果起着决定性的作用。

本文研究基于计算机视觉的树木靶标检测方法，树木具有显著的可见光特征，利用图像处理相关技术，从摄像机拍摄场景中提取出林木靶标，以此为依据指导喷雾过程。精准对靶喷雾可有效降低农药用量，对提升作业安全、降低环境污染具有显著的实际意义。

1.2 国内外研究现状

目前，对靶喷雾在实际生产活动中得到了广泛的运用，人们对这项技术进行了更深入的研究。南京林业大学郑加强^[9]等人为了减少农药对环境的污染、增强生态系统可持续性和保护操作者身心健康，研究开发了一种精确农药施用系统。该系统包括目标树木图像采集处理系统和喷雾控制系统等。树木图像采集处理系统包括CCD摄像头、图像采集卡、计算机软件和试验装置。设计的软件包括采集、提取和处理树木视频图像的关键帧，设计了相对色彩因子从背景中分割出绿色目标，通过分割图像测量获取目标的形态和位置特征。喷雾控制系统包括喷雾台架、喷头、电磁阀和继电器等,以实现数据通讯和将喷雾决策结果转换为指令来控制喷雾执行系统。试验结果表明开发的系统能识别树木图像和树冠类型，并能实现精确对靶喷雾至预定树木目标，从而减小非目标农药污染。

向海涛^[6]等人对树木图像的实时采集与识别技术进行研究，以及树木图像处理及分析软件系统的开发,并自行设计制作了室内模拟实验系统。树木图像处理技术包括图像的获取、图像的增强、图像边缘检测、图像分割和图像的特征提取与识别。他们的研究为分离施药目标与非施药目标提供依据，有助于精确农药喷雾的实现。