機(jī)器視覺系統(tǒng)跟蹤葡萄園的作物產(chǎn)量

在葡萄園種植葡萄，是起泡酒多年生產(chǎn)過程中的第一步，整個(gè)過程還包括葡萄酒的生產(chǎn)、裝瓶；然后才能銷售和分銷。GloriaFerrer葡萄園總監(jiān)BradKurtz表示，在GloriaFerrer，新采摘的葡萄在三年內(nèi)是無法用于生產(chǎn)葡萄酒出售的。因此，為了保證生產(chǎn)葡萄酒的葡萄供應(yīng)，GloriaFerrer的銷售人員需要提前三年預(yù)估葡萄酒的銷售需求量，然后葡萄園經(jīng)理根據(jù)這個(gè)估算量種植相應(yīng)數(shù)量的葡萄，以裝瓶足夠的葡萄酒。人工估算葡萄的產(chǎn)量這意味著葡萄園的管理人員必須在實(shí)際采摘葡萄之前，就要估計(jì)他們將生產(chǎn)的葡萄數(shù)量。這樣他們才能知道他們的葡萄是太多還是太少，或者是僅僅剛好能滿足銷售人員的預(yù)測(cè)需求量。Kurtz解釋說，葡萄產(chǎn)量的估算需要“大量的數(shù)據(jù)收集工作，這一耗時(shí)耗力的環(huán)節(jié)將會(huì)大幅增加葡萄園的經(jīng)營(yíng)成本”。傳統(tǒng)上，葡萄種植者都是手動(dòng)估算葡萄的產(chǎn)量。Kurtz說：“我要去數(shù)一棵葡萄藤上有多少串葡萄?！彼f，“數(shù)10棵葡萄藤可能需要兩個(gè)多小時(shí)，可以想象，要數(shù)完擁有10000棵葡萄藤的整個(gè)葡萄園，總共需要多長(zhǎng)時(shí)間?！彼a(bǔ)充說，通常每1000棵葡萄藤中有一棵樣本，但是這個(gè)樣本量“非常小”。圖2：GloriaFerrerCaves&Vineyards葡萄園總監(jiān)BradKurtz表示，葡萄產(chǎn)量估算中的數(shù)據(jù)收集工作，是葡萄園中最大的工作量。這種艱苦努力的結(jié)果并不理想。他解釋道：“這種手動(dòng)數(shù)據(jù)收集會(huì)導(dǎo)致估算值的大幅波動(dòng)，這是一個(gè)全行業(yè)的問題?！彼a(bǔ)充道，“收獲季節(jié)，實(shí)際產(chǎn)量與估算產(chǎn)量之間通常相差很遠(yuǎn)，能做到25%以內(nèi)的差異就已經(jīng)是相當(dāng)好的結(jié)果了。很難獲得樣本量，葡萄園內(nèi)部會(huì)存在很大的差異。”錯(cuò)誤估計(jì)的財(cái)務(wù)影響可能是巨大的。Kurtz舉了一個(gè)例子：如果葡萄園的目標(biāo)是生產(chǎn)1200噸葡萄，價(jià)值約為每噸3000美元，那么預(yù)測(cè)實(shí)際產(chǎn)量的1%或2%的失誤，都可能會(huì)導(dǎo)致太多的資本（高達(dá)72000美元）被困在葡萄上。除了手動(dòng)計(jì)數(shù)和檢查葡萄藤和葡萄串外，葡萄種植者正在使用另一種數(shù)據(jù)收集方法：使用低空固定翼飛機(jī)上的多光譜相機(jī)拍攝葡萄園樹冠的圖像。這種方法產(chǎn)生的地圖，顯示了葡萄藤生長(zhǎng)最旺盛的地方和最弱的地方。自2003年以來，GloriaFerrer通過空中樹冠圖像增強(qiáng)了人工估算，但Kurtz希望在作物跟蹤過程中增加更多的自動(dòng)化。他說：“這只是收集葡糖藤頂部的圖像，它只能告訴我們有限的信息?！痹诩尤隚loriaFerrer之前，Kurtz曾實(shí)現(xiàn)過一個(gè)作物偵察系統(tǒng)，該系統(tǒng)借助機(jī)器視覺和深度學(xué)習(xí)，使用地面拍攝的圖像來跟蹤作物。2022年，Kurtz開始在GloriaFerrer使用同樣的技術(shù)。除了改善作物產(chǎn)量的數(shù)據(jù)外，Kurtz還相信他收集的信息將幫助管理每棵葡萄的健康，最大限度地提高葡萄的產(chǎn)量和質(zhì)量。這些信息將告訴他葡萄園的哪些區(qū)域比其他區(qū)域更需要關(guān)注。結(jié)合3D機(jī)器視覺Kurtz選擇的解決方案來自BloomfieldRobotics（美國(guó)賓夕法尼亞州匹茲堡）。Bloomfield運(yùn)營(yíng)總監(jiān)HaydenWolf解釋道：“我們?yōu)镚loriaFerrer提供了連續(xù)查看所有作物的選擇和可行性。當(dāng)你能夠根據(jù)事實(shí)而不是你認(rèn)為具有統(tǒng)計(jì)意義的事情進(jìn)行決策時(shí)，你能以一種全新的方式做出管理決策。”Wolf說，該解決方案的核心是一個(gè)專門設(shè)計(jì)的立體視覺攝像頭，可以安裝在“任何移動(dòng)的東西上”，如全地形車、多用途地形車或自動(dòng)駕駛車。攝像頭和附帶的安卓平板電腦，通過標(biāo)準(zhǔn)電纜連接到車輛的電源上，然后當(dāng)車輛在一排排作物中來回移動(dòng)時(shí)，攝像頭會(huì)捕捉葡萄藤和葡萄串的圖像。圖3：在BloomfieldRobotics的攝像系統(tǒng)收集圖像的過程中，現(xiàn)場(chǎng)工作人員還可以完成另一項(xiàng)任務(wù)，如噴灑雜草或割草。Wolf解釋說，該系統(tǒng)可以在幾分鐘內(nèi)安裝完成，因此它可以在葡萄園員工完成另一項(xiàng)任務(wù)時(shí)收集圖像，例如噴灑雜草或割草。平板電腦顯示一個(gè)界面，提示用戶正確定位和校準(zhǔn)攝像頭。用戶界面還在圖像采集過程中提供反饋。RGB相機(jī)的尺寸比微波爐稍小，包括兩個(gè)12MP像素的傳感器、兩個(gè)鏡頭、12個(gè)LED燈和一個(gè)GPS天線。Wolf解釋說，使用GPS，“我們可以定位我們拍攝的每一張圖像。這樣我們就可以知道，每次經(jīng)過第7排的第6棵作物時(shí)，你都會(huì)看到它?！毕鄼C(jī)通常在6~8小時(shí)的采集過程中，采集1TB的圖像數(shù)據(jù)。無論戶外環(huán)境中有多少環(huán)境光，LED都會(huì)在每次拍攝時(shí)閃爍，Wolf將其描述為“主動(dòng)照明”。Wolf說，即使在戶外，均勻照明也很重要，以確保相機(jī)捕捉到足夠且一致的圖像質(zhì)量，從而進(jìn)行比較分析。他說：“當(dāng)我們實(shí)際應(yīng)用人工智能模型時(shí)，這有助于我們將圖像數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。這讓我們能夠更有效地訓(xùn)練模型，模型實(shí)際上在后端表現(xiàn)得更好?！彼胁东@的圖像都被存儲(chǔ)在SSD卡上，種植者將SSD卡插入相機(jī)的端口。圖4：BloomfieldRobotics的相機(jī)通常在6~8小時(shí)的收集過程中，收集1TB的圖像數(shù)據(jù)。（圖片來源：BloomfieldRobotics）使用人工智能模型分析數(shù)據(jù)每次采集活動(dòng)結(jié)束后，種植者都會(huì)取出SSD卡，將其插入電腦，并將圖像傳輸?shù)紹loomfield的云端。在那里，數(shù)據(jù)按照GPS從左到右的作物行進(jìn)行組織。Bloomfield隨后將人工智能模型應(yīng)用于圖像，產(chǎn)生描述性結(jié)果，例如計(jì)數(shù)或測(cè)量枝條或識(shí)別葡萄串的顏色。GloriaFerrer通過基于網(wǎng)絡(luò)的前端訪問數(shù)據(jù)。他們可以深入到植物級(jí)別，也可以按地理區(qū)域（如塊）查看數(shù)據(jù)。塊是種植者用來識(shí)別植物組的管理單元。以這種方式呈現(xiàn)數(shù)據(jù)可以讓種植者進(jìn)行比較，例如計(jì)算區(qū)塊1和區(qū)塊2每英尺的葡萄串?dāng)?shù)量。種植者還可以將信息導(dǎo)出到電子表格或PDF中，與現(xiàn)場(chǎng)工作的團(tuán)隊(duì)成員共享。GloriaFerrer于2022年開始大約每?jī)芍茉?0英畝的土地上拍攝一次圖像，2023年增加到50英畝。Kurtz表示，他計(jì)劃隨著時(shí)間的推移增加額外的英畝數(shù)，因?yàn)樗_信該解決方案對(duì)企業(yè)有好處。應(yīng)對(duì)實(shí)施挑戰(zhàn)收集葡萄串的一致圖像，對(duì)于成功計(jì)算葡萄產(chǎn)量和跟蹤葡萄藤的健康狀況非常重要。但收集這些圖像并不總是那么容易。一個(gè)關(guān)鍵問題是，隨著時(shí)間的推移，即使葡萄串有時(shí)可能隱藏在樹葉后面，也要獲得足夠完整的葡萄串圖像，這意味著相機(jī)可能無法在每次經(jīng)過葡萄藤時(shí)捕捉到它們的圖像。Kurtz說，GloriaFerrer在2022年發(fā)現(xiàn)了這個(gè)問題，因?yàn)閳F(tuán)隊(duì)在2022年的成長(zhǎng)季沒有足夠早地開始拍攝圖像。因此，隨著時(shí)間的推移，他們沒有獲得足夠多的可用視覺數(shù)據(jù)。2023年，工作人員在1月和2月修剪完葡萄藤后，立即開始拍照。Kurtz解釋說，這應(yīng)該可以讓他們收集芽的數(shù)量信息，然后是嫩枝的數(shù)量，最后是葡萄的數(shù)量。他們計(jì)劃繼續(xù)收集圖像，直到采摘葡萄；8月采摘用于生產(chǎn)起泡酒，9月采摘用于生產(chǎn)靜止酒。Kurtz說，他預(yù)計(jì)將在2023年利用他們收集的信息來估計(jì)葡萄的產(chǎn)量。如果他的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際產(chǎn)量之間的差異在5%以內(nèi)，那么這個(gè)項(xiàng)目就是成功的。規(guī)劃下一步行動(dòng)Bloomfield的也正在不斷更新和改進(jìn)該系統(tǒng)。Bloomfield采用租賃的商業(yè)模式，種植者根據(jù)使用的相機(jī)數(shù)量支付費(fèi)用，使用時(shí)段能覆蓋整個(gè)生長(zhǎng)季節(jié)。Bloomfield選擇租賃模式，這樣他們就可以保持對(duì)相機(jī)的控制。Wolf說：“如果我們想在相機(jī)中升級(jí)一些東西，或者如果我們想在更換一些東西，這樣我們就可以在相機(jī)不使用的時(shí)候去升級(jí)或更新，就能為用戶提供一臺(tái)新的相機(jī)?！背烁掠布?，Bloomfield還計(jì)劃將更多的圖像處理轉(zhuǎn)移到服務(wù)