Электронно-оптический способ компьютерной оценки морфологических параметров листьев картофеля при сортосопровождении

Актуальность работы.

Наша страна занимает лидирующее положение в ежегодном производстве и потреблении картофеля. Россия стоит на втором месте по количеству посевных площадей, задействованных для выращивания данной культуры. Средний уровень урожайности в 9 — 10 т/га, против средней урожайности в 34,6 т/га в странах ЕС, характерен для всех категорий хозяйств и регионов как с благоприятными, так и с неблагоприятными условиями возделывания [8], [61]. Практика показывает, что одной из причин низкой урожайности картофеля является использование на посадку несертифицированного семенного материала низкого качества. [61]. Это обусловлено тем, что при многолетней вегетации в сортовом картофеле накапливается вирусная инфекция, приводящая к вырождению сорта, снижению качественных характеристик семенного материала и, как следствие, к уменьшению урожайности на 30 — 40% [70], [93].

Своевременное выявление вырождения сорта и проведение сортообновления способно предотвратить снижение урожая. Служба агромониторинга, в состав которой входят государственные сортоиспытательные станции, семенные инспекции и другие организации, имеющие аккредитацию для проведения инспекции сортов, осуществляют в течение вегетационного периода контроль за состоянием растений, степенью ^ инфицирования возбудителями болезней, проводят полевые обследования с целью взятия листовых проб для определения сортовой чистоты выращиваемой культуры, визуально оценивают их морфологические параметры и полученные данные сравнивают с данными о морфологических параметрах листьев элиты возделываемого сорта, которые получают при сортоиспытании по методике испытаний на отличимость, однородность и стабильность (ООС), разработанной международным союзом по охране новых сортов (UPOV) [62]. ф В практической работе госинспекторов в настоящее время возникают трудности из-за отсутствия современных приспособлений и инструментов, необходимых для определения качественных характеристик различных категорий и классов семенного картофеля. В связи с этим остро стоит задача в разработке технического документооборота и создании новейшего оборудования, необходимого для проведения полевых инспекций, включающего в себя отбор листовых проб, доставку их в лабораторию, описание морфологии отобранных образцов, анализ и оценку степени выраженности сортовых параметров листьев испытуемого сорта картофеля, документирование проведенного анализа. В частности, для выдачи протокола испытания (результата анализа) листовых проб на соответствие исходного материала требованиям действующих стандартов (ГОСТ 29 267−01 [5] и ГОСТ 29 268–91 [6]) определение сортовых параметров листьев картофеля осуществляется способом экспертной оценки визуально, оценка выраженности сортовых параметров оценивается в баллах, оперирование полученной информацией проводится в виде бумажного документооборота.

В решении этой проблемы особенно важное значение имеет разработка на базе передовых технических цифровых систем современного информационно-аналитической способа оценки морфологических параметров листьев картофеля при проведении полевых инспекций в период вегетации растений для сортоиспытаний и сортосопровождения семенного материала, который должен гарантировать безусловное соблюдение стандартов, действующих положений и правил, а также повышение оперативности документооборота, создание возможности накопления, хранения и обмена информацией. В связи с этим, разработка электронно-оптического способа компьютерной оценки морфологических параметров листьев картофеля является актуальной научной и народнохозяйственной задачей.

В нашей стране и за рубежом уже имеется положительный опыт использования информационных систем в сельскохозяйственной науке и практике [73]. Огромный вклад в развитие и применение видео-цифрового технического зрения в сельском хозяйстве внесли ученые из США штата Калифорния David С. Slaughter, Robert G. Curley, Pictiaw Chen [81], которые разработали и воплотили в жизнь роботизированный культиватор на базе цифровой видеосистемы для автоматического позиционирования рабочих органов относительно культивируемых рядков растений. Среди российских разработок в области видео-цифрового компьютерного зрения можно выделить работы, проводимые в МГАУ, ВИЭСХе и ЕОИИКХ под руководством Бородина И. Ф., Кирилина Н. И., Пшеченкова К. А., Башилова А. М. по созданию электронно-оптических систем контроля и управлением качества производства картофеля [7], в МичГАУ под руководством А. С. Гордеева по созданию автоматизированных систем по сортированию плодов [87], а также группы ученых (Денисюк С. Г. и др.) из СибФТИ СО РАСХН, которые разработали экспериментальный телевизионно-компьютерный комплекс «Биоспекл» для регистрации и обработки изображений пораженной листовой поверхности растений в видимом диапазоне длин волн [71]. Анализ вышеприведенных работ показал, что перспективным направлением автоматизации сельского хозяйства является использование компьютерных устройств как совместно с существующими технологиями, так и отдельно, заменяя имеющиеся устаревшие технологические операции. Однако проблема совершенствования способа контроля сортовых параметров листьев картофеля при сортоиспытании и сорторазведении в период вегетации растений с помощью электронно-оптического информационно-аналитического способа оценки параметров до настоящего момента не решалась. ф Разработка электронно-оптического способа компьютерной оценки морфологических параметров листьев картофеля проводилась в соответствии с концепцией развития электрификации сельского хозяйства России, одобренной Президиумом РАСХН (протокол № 134 от 20 декабря 2001 г.) [1], в которой одним из перспективных направлений электрификации села является автоматизация и информатизация электрифицированного сельскохозяйственного производства. Согласно данной концепции, будут развиваться автоматизированные информационно-управляющие системы контроля режимов и качества продукции, основанные на широком использовании оптических приборов и баз статистических данных о возделывании, темпах уборки, обработке и хранении продукции.

Работа выполнялась в лаборатории автоматизации электроприводов и поточных линий ГНУ ВИЭСХ в соответствии с планом НИР ВИЭСХ на 2003 год по фундаментальным и приоритетным прикладным исследованиям, этап 03.02.14 «Разработать информационно-аналитический метод анализа и управления автоматизированными сельскохозяйственными технологиями с использованием электронных средств контроля и обработки информации» и с планом НИР ВИЭСХ на 2004 год по фундаментальным и приоритетным прикладным исследованиям, этап 03.02.02 «Разработать методы построения и расчета компьютерных информационно-управляющих систем высокоточного интенсивного ведения животноводства, управления автоматизированными сельскохозяйственными технологиями, процессами и установками».

Цель работы.

Исследование и разработка электронно-оптического способа компьютерной оценки морфологических параметров листьев картофеля, обеспечивающего выявление отличимости, однородности и стабильности сорта при сортоиспытании и сортосопровождении в период вегетации растений.

В работе приведен анализ существующих технологий, базирующихся на использовании видео-цифровых оптических систем. Обосновано преимущество применения цифровых оптических систем по сравнению с другими электронными технологиями.

Рассмотрена структурная схема управления производством семенного картофеля, представляющая собой биологический конвейер, который организован таким образом, чтобы поток сертифицированного семенного материала был непрерывным и удовлетворял требованиям ГОСТа для сортового картофеля с целью получения качественных семян на производство продовольственного картофеля.

Представлена схема информационного сортосопровождения для технологии возделывания картофеля в процессах сортоиспытания и при последующем многолетнем репродуктировании семенного картофеля.

Произведены экспериментальные исследования способа компьютерной оценки морфологических параметров листьев картофеля, включившие в себя получение цифровых цветных изображений образцов листьев и разработку алгоритмов и программ обработки полученных изображений.

Электронно-оптический способ компьютерной оценки морфологических параметров листьев картофеля реализован на базе оптического сканирующего устройства. Проведены производственные испытания данного устройства. Рассчитана надежность работы устройства и экономическая эффективность применения его для автоматизированной оценки сортовых параметров листьев картофеля при сортоиспытании и сортосопровождении.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка литературы и приложений.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Анализ информационного сортосопровождения семенного картофеля показал целесообразность разработки электронно-оптического способа компьютерной оценки морфологических параметров листьев картофеля и он может быть положен в основу развития и совершенствования полевой инспекции сортов.

2. Для процессов сортоиспытания и сорторазведения разработана структурная схема информационно-аналитического сопровождения агротехнологии возделывания картофеля, предусматривающая получение, обработку, накопление и распространение информации о параметрах возделываемого сорта электронно-оптическим компьютерным способом.

3. Проведенные теоретические исследования информационных потоков в процессах сортоиспытания и сорторазведения позволили:

— установить факторы (информационная пропускная способность, спектральная чувствительность, объем листовой выборки), влияющие на процедуру оценки морфологических параметров листьев картофеля экспертным и компьютерным способами;

— определить аналитические зависимости влияния данных факторов на вероятность принятия правильного решения по оценке параметров листьев;

— установить преимущество электронно-оптического способа над экспертным по фактору информационно-пропускной способности в 39,4%.

4. Экспериментальные исследования электронно-оптических характеристик морфологических параметров листьев картофеля показали, что: восприятие электронно-оптической информации компьютерным способом осуществляется с разрешающей способностью в 300 dpi, что позволяет масштабировать (увеличивать) отдельные фрагменты (прожилки) листьев на изображениях;

— глубина цвета цифровых изображений в 24 бит (16,7 млн. цветов) позволяет четко разделить границы цветовых параметров листьев картофеля;

— обработку и анализ электронной информации компьютерным способом эффективно проводить в пакетной версии программы по обработке изображений Adobe Photoshop CS.

5. Разработанные на основании теоретических и экспериментальных исследований алгоритмы компьютерной оценки обеспечивают надежное определение:

— структурных параметров листьев картофеля (геометрические размеры, силуэты, параметры системы сосудистых пучков листьев картофеля) с относительной погрешностью 1,041%;

— цветовых параметров листьев картофеля, реализуемого в нелинейном цветовом пространстве HSV (зеленый цвет поверхности, цвет антоциановой окраски центральной жилки и верхушечной розетки листьев картофеля) с доверительной вероятностью 95%.

6. Электронно-оптический способ компьютерной оценки морфологических параметров листьев картофеля, реализованный с помощью оптического сканирующего устройства, состоящего из персонального компьютера на базе процессора Intel Pentium IV 2100 МГц, устройства ввода изображений (сканера) и специализированного программного обеспечения по обработке изображений способен последовательно обрабатывать выборку листьев в режиме реального времени.

7. Проведенные производственные испытания на Егорьевской сортоиспытательной станции-филиале ФГУ «Госсорткомиссия РФ по испытанию и охране селекционных достижений» и государственном научном учреждении «Елецкая опытная станция по картофелю» подтвердили эффективность электронно-оптического способа компьютерной оценки морфологических параметров листьев картофеля выборкой в 200 штук. При этом время обработки одного листа компьютерным способом составляет 60−90 сек, с учетом операции сканирования, экспертным способом — около 2 мин.

8. Предполагаемый экономический эффект от применения электронно-оптического способа компьютерной оценки при сортоиспытаниях составил 1640,75 рублей в год за счет снижения трудозатрат и при сортосопровождении в семеноводческом хозяйстве на площади в 45 га составил 43,78 тыс. рублей в год за счет своевременного выявления вырождения сорта семенного картофеля, проведения сортообновления и сохранения урожайности на уровне, характерном для используемого сорта.