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奶牛个体识别最新研究成果综述

时间:2019-12-22 11:04  点击: 次  来源:好文学  作者:佚名  评论:- 小 + 大

  摘    要: 为了解个体识别在奶牛生产中记录产奶量、监控采食活动、监测卧床行为、追踪活动轨迹以及其他生产项目中的研究现状,以“奶牛”、“个体识别”、“识别方法”和“生产应用”为关键词,对2008—2018年的文献进行检索,并根据识别过程的不同特点对三类识别方法,即人工机械识别、接触式电子识别和图像生物识别进行归纳和总结并对识别方法、现代化生产应用以及国内进展等3个方面进行归纳和总结。结果表明:1)生物识别技术相较于传统方法对奶牛个体的伤害较小,可以在很多方面克服环境的干扰。2)目前智能识别技术与奶牛行为活动监测相关联,可以全面掌握个体健康状况和生产性能。3)国内在计算机视觉方面取得了长足的进步,为个体的智能化识别打下了坚实基础。今后个体识别技术研究应该着重于提高对环境的适应性和系统的兼容性,为建立完整的自动化奶牛监测体系提供依据。

  关键词: 奶牛; 个体识别; 识别方法; 生产应用概况;

  Abstract: To evaluate the development of individual identification of dairy cows during production in recording milk yield,monitoring feeding activity,monitoring bed behavior,tracking activity track and other production projects,the literature related to methods and application of dairy cow identification 2008-2018 are retrieved by using “dairy cow”,“individual recognition”,“identification method” and “production application” as keywords.The results show that:1) Compared with traditional methods,biometrics identification could overcome environmental interference in many aspects to reduce harm to individual cows.2) Currently,intelligent identification technology associated with the monitoring of cow behavior could comprehensively monitor individual health status and production performance.3) China has made great progress in computer vision,which builds a solid foundation for intelligent identification of individuals.In the future,the research on individual identification technology should focus on improving the environmental adaptability and system compatibility to provide basis for the establishment of a complete automatic cow monitoring system.

  Keyword: dairy cow; individual recognition; identification method; production application;

  随着集约化牧场的不断增多,精准畜牧业逐渐成为牧场高效管理理念,大数据化管理系统可以为集约化牧场提供关键生产指数和早期预警[1]。个体识别是实现牧场数字化和智能化管理的基础,高效的牧场管理需要准确掌握群体的动态信息,分析牧场管理数据的前提是准确收集相关个体数据。传统牧场对奶牛个体识别的方式以人工观测为主,虽然仍适用于存栏数较小的牧场,但对于规模较大的牧场,就会产生工作效率较低、劳力强度过大的问题,不适合集约化牧场的需求[2]。除人工观察之外,当前应用较多的个体识别方法是无线射频技术(Radio frequency identification,RFID),该技术主要通过电子耳标与固定式或移动式的信号收发器读取奶牛的个体编号,多应用于记录产奶信息及寻找奶牛等方面。2012年来,随着成像技术和模型训练领域的不断发展,图像生物识别技术在农业生产中的应用也变得越来越广泛,该技术在奶牛生产中健康评估、发情监控、行为活动等得到应用。基于图像生物识别技术的在个体识别方面有着准确性高和成本低廉的特点。奶牛个体识别可为牧场记录采食信息、产奶量、行为活动等提供了相关数据支撑,并结合计算机系统进行管理优化与决策部署。

  为了解奶牛个体识别在生产中的应用现状,本研究拟以“奶牛”、“个体识别”、“识别方法”和“生产应用”为关键词,对2008—2018年的研究论文进行检索,根据识别过程的不同特点对三类识别方法,即人工机械识别、接触式电子识别和图像生物识别进行归纳和总结,并简述了现代生产中智能化个体识别与其他生产因素的相互关联和管理应用,以期为我国智能化养殖提供参考依据。
 

奶牛个体识别最新研究成果综述


 

  1 、个体识别方法

  获取动物个体编号是许多管理系统的第一步,每种方法都有不同的适用场景。准确、高效的识别动物个体需要具备易于操作、时效性强、特征突出、以及无害处理等基本特点。在建立识别系统时需要考虑收集信息过程的可靠性、高效率和准确性,以防止个体信息的丢失与错录。根据其不同特点和管理目标,识别方法可以被分为三类,即:人工机械、接触式电子识别和生物识别。

  1.1、 人工机械识别

  该方法需要在动物身体做相应标记,再由饲养员根据不同生产需要寻找特定目标。一种标记方法是在动物身体做永久性标记,包括刻耳和烙印。刻耳需要剪去动物耳朵边缘部分,通过耳朵上下左右不同位置的缺口确定分组或编号(图1(a));或者将编号纹于牛耳内侧[3]。烙印法用电热铁将编号印在身体上,或冷冻法利用不同色素将号码植入奶牛侧面区域(图1(b))。虽然永久标记法看似简单易行,但剪耳或热烙印都对奶牛产生巨大的伤害,尤其造成奶牛对饲养人员产生潜在的恐惧心理,不利于生产管理。此外,耳朵的延展性不强,可以标记的动物编号有限,所以并不适合大规模牧场[4]。而冷冻烙印会随着动物年龄的增大或者毛色的改变,号码会还原成近似牛毛的颜色,难以辨认。

  耳标(图1(c))是一种较为常见的个体识别方法,不但安装方便而且价格低廉,而且能够减小对动物的伤害,易于养殖户辨认,识别错误率低[5]。耳标的材质多为塑料或者金属,耳标表面可以标记为数字、条形码或者不同颜色,也可以内置电子识别芯片。但是在实际生产中经常存在耳标丢失、损坏的情况,Fosgate等[6]发现由于丢失情况时常发生,不适合长期使用耳标,因此在一个牧场里的水牛佩戴耳标2年后仍可识别的动物仅有21%。另外,耳标的使用也会感染一些疾病,一项研究发现,耳标引起的奶山羊发病率为3.3%,6.5%存在耳组织受损的情况。上述方法都需要人工识别奶牛编号,所以加大了劳动成本,在大规模牧场中显得费时费力。

  图1 常见人工机械识别个体方法[3]

图1 常见人工机械识别个体方法[3]

  Fig.1 Common individual recognition methods of artificial machines[3]

  1.2、 接触式电子识别

  射频识别技术通过无线电波识别或追踪目标,广泛应用在动物识别、门禁访问、停车服务、物联网跟踪等领域,该方法主要硬件组成包括RFID标签、应答器以及管理主机或者服务器,根据使用和技术标准可以分为耳标式、注射式和胶囊式[7]。在奶牛场中,耳标形式的RFID标签作为信号源较为常见,操作频率可分为高频(13.56 MHz)和低频(125.0~134.5 kHz),高频(455 MHz,2.45 GHz,5.80 GHz)读取距离在20~100 m,而低频(124 kHz~960 MHz)提供的读取范围在0.3~3.0 m[8]。最近的研究使用超宽带信号(Ultra-wide band,1GHz)识别奶牛,其畜舍内的识别准确性高于高频和超高频信号,Porto的试验中超宽带信号在0.110 m的距离识别率为100%,在0.515 m的识别准确率为98%[9]。

  相较于其他传统识别方式,RFID标签可以记录大量数据,根据每头动物的不同编号,可以追踪从出生到被屠宰的全部信息。RFID可以配合终端服务器追溯个体的牧场信息、疾病情况以及生产情况,大数据能够帮助牧场提高信息的可靠性和实用性。RFID的工作原理并不依靠视觉识别个体,与传统方式相比降低了0.1%~6.0%的识别错误率,从识别效率来看,理论上系统每秒可以读取1 000次标签信息[7,10]。然而RFID也存在一些安全隐患,RFID系统由标签、通信电路、应答机、网络、终端服务器组成,容易发生标签内容被窜改、系统内容显示错误或服务器受到网络安全攻击等情况[11,12]。同时,整套系统的成本较高,市场中根据不同应用需求,售价在几万到十几万不等。另外,根据实际现场的反馈,RFID会受到不同电磁环境的影响,应用效果差别巨大。标签功率、铁制围栏、降温风扇、电路质量等因素都会影响应答器接收电磁波的效果,导致读取距离缩小进而影响数据信息的采集。

  另一种电子识别方式是可穿戴式无线传感器技术,其中以奶牛佩戴项圈或腿环较为常见,在这些装备中安装有传感器,通过无线网络传至终端服务器。这类传感器可以检测到动物行为变化:测定加速度、角速度、咀嚼声音或压力;测定舍内环境变化;测定温度、湿度或者气压等。对于个体识别来说,由于传感器需要为单独奶牛进行适配,所以个体与数据之间具有匹配的唯一性,因此其个体识别率为100%[9,13]。

  1.3、 图像生物识别

  生物识别需要提取动物个体行为或生理特征,根据个体特征的唯一性,结合计算机与光学、声学、生物传感器和生物统计学原理进行识别动物个体的面部、声音、指纹等。与其他传统方法相比,该技术的特点不需要为动物佩戴多余设备或标记识别信息[14]。生物识别过程包括:读取标签,传入服务器,标签处理,标签分类,匹配和存储。生物识别技术提高了个体识别的安全性和自动化识别的准确性和稳定性,具有适用广泛(覆盖各行各业)、性能卓越(准确、高效和鲁棒性强)及错误率低的特点。目前主要的生物识别方式是利用图像信息技术对面部、鼻镜、和眼部等特征部位进行解析[15,16]。

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关键词:奶牛 个体识别 识别方法 生产应用概况 

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