變量施藥技術大盤點：哪項技術最精準？

文 | 畢雅萱 趙帥 鶴壁汽車工程職業(yè)學院 雷曉輝 中國農(nóng)業(yè)大學工學院

變量施藥技術大盤點：哪項技術最精準？

文 | 畢雅萱 趙帥 鶴壁汽車工程職業(yè)學院 雷曉輝 中國農(nóng)業(yè)大學工學院

我國是發(fā)展中的農(nóng)業(yè)大國，為了保證農(nóng)作物的高產(chǎn)而不被病蟲侵擾，對農(nóng)藥的需求量巨大。目前，我國化學農(nóng)藥防治面積達3億平方百米，并且每年以0.133億平方百米的速度遞增，自2007年起，中國農(nóng)藥總產(chǎn)量及使用量居全球第一。然而面對巨大的施藥現(xiàn)狀，我國傳統(tǒng)施藥技術卻較為落后。

目前，我國植物保護使用的施藥機械仍以手動藥械為主。由于手動噴霧機結構簡單，價格便宜，因而市場覆蓋面很大，防治面積達 60%～70%。但這些機具在使用中存在嚴重的“跑、冒、滴、漏”等現(xiàn)象，噴施過程中農(nóng)藥分布不均勻，作業(yè)效率極低，已不能滿足現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展的需求。

變量施藥技術啟源于精準農(nóng)業(yè)的思想，認為田間病蟲草害的發(fā)生存在時間空間上的差異，通過獲取農(nóng)田病蟲草害存在的時間空間上的差異信息，針對田間每個小區(qū)病蟲草害密度，采取技術上可行有效的施藥方案，準確地在每塊農(nóng)田小區(qū)上噴灑農(nóng)藥。這種變量施藥方式不僅能通過合理的分配農(nóng)藥投入，減少浪費，最大限度地提高農(nóng)藥的利用率，降低成本，提高效益，而且能降低作物中農(nóng)藥毒素的殘留量，提高農(nóng)作物產(chǎn)品品質(zhì)。

歐美發(fā)達國家對施藥技術的研究已有100多年的歷史，早在上世紀四十年代植保機械就開始實施專業(yè)化道路。這些國家已形成了以大、中型陸地噴霧機和航空噴霧機為主的植保機械體系。而我國的相關研究工作起步較晚，很多新技術新發(fā)明還處于研發(fā)階段，沒有投放市場。目前，變量施藥技術按照采用傳感器的類型可分為：基于紅外光的變量施藥技術、基于超聲波的變量施藥技術、基于機器視覺的變量施藥技術、基于激光雷達的變量施藥技術。

基于紅外光的變量施藥技術

紅外自動對靶技術興起于二十世紀六十年代，紅外裝置在有效探測距離范圍內(nèi)向作物靶標發(fā)射紅外線光電信號，通過探測反射信號的有無來實現(xiàn)對電磁閥的開閉控制，來達到自動對靶噴霧的目的。該技術具有成本低、動作迅速、無需接觸等優(yōu)點，目前已廣泛應用于醫(yī)藥、化工、農(nóng)業(yè)等領域，探測方式如圖1所示。

圖1　紅外自動對靶裝置探測方式

中國農(nóng)業(yè)大學何雄奎等人在“十五”期間研制了“果園自動對靶噴霧機”，其中紅外自動對靶裝置便是紅外光技術在變量施藥技術上的應用，紅外自動對靶裝置的電路原理圖如圖2所示，探測距離在10～100厘米的范圍內(nèi)可調(diào)。它是利用果樹靶標在有效探測范圍內(nèi)反射紅外線光電信號來實現(xiàn)對電磁閥的開閉控制，以達到自動對靶噴霧的目的。經(jīng)試驗，該探測裝置的探測距離范圍為0～6.3米，最小識別間距為0.3米。李麗對上述紅外自動對靶裝置進行了改進，采用了多功能的編碼器BA5104和譯碼器BA5204，這2種芯片可以改變紅外光的頻率，使得不同的裝置之間的紅外信號不會相互干擾。經(jīng)測試，該裝置可以發(fā)射32種不同編碼的紅外光，一臺果園噴霧機上最多可以安裝32個信號互不干擾的紅外電子眼。這對探測器的單路控制進行了改進，它增加了電子眼的通用性和可移植性。安裝有此裝置的果園噴霧機在作業(yè)時，農(nóng)民可以按需裝配不同數(shù)量的紅外自動對靶裝置，這實現(xiàn)了對自動對靶功能的靈活控制。

2010年，中國農(nóng)業(yè)大學藥械與施藥技術中心李恒研發(fā)了一種基于紅外光的，以顏色傳感器TCS230D為輔助的紅外光電探測系統(tǒng)，電路原理如圖3所示。該探測系統(tǒng)能夠同時對靶標的2種特征——存在與否和顏色是否為綠色——進行識別，以此來達到當且僅當探測器探測到綠色靶標時進行噴霧的目的。研究表明：①探測器探測距離與葉片覆蓋密度有關，當植物冠層葉片覆蓋率越大時，探測器探測距離越遠，反之探測距離越近。②探測距離與植物靶標本身反射出的紅外光強度有關，葉片表面反射出的紅外光越強，探測器探測距離越遠，反之探測距離越近。③探測器探測距離的遠近是靶標葉片覆蓋率與靶標葉面反射紅外光強度兩因素綜合影響的結果，葉片覆蓋率越大且反射光強度越大時，探測器探測距離越遠且工作越穩(wěn)定。

基于超聲波的變量施藥技術

超聲波變量施藥技術是利用超聲波測距原理的自動對靶施藥技術，作業(yè)原理如圖4所示。超聲波傳感器在采集環(huán)境信息時不存在復雜的圖像匹配技術，不需要通過大量的計算獲得距離數(shù)據(jù)，因此其測距速度快，實時性好。雖然超聲波傳感器容易使用且價格低廉，但它也有不足：精度低，而且其測量誤差也取決于它與靶標的距離、空氣的溫度與濕度、以及噴霧機相對地面的運行速度等。

2003年Escola等人發(fā)明了一套運用超聲波傳感器測定樹冠體積的噴霧機控制系統(tǒng)，進而研發(fā)了具有商業(yè)價值的變量空氣輔助式果園噴霧機。2006年Solanelles等人，也使用超聲波傳感器把傳統(tǒng)的風送式噴霧機改裝成變量果園噴霧機。

圖4　帶有超聲波傳感器的果園噴霧機作業(yè)原理圖

Molto等人設計了由單片機、超聲波傳感器、步進電機、噴桿及噴頭等組成的施藥系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用超聲波傳感器探測傳感器與果樹輪廓之間的距離，并將距離信息傳送給單片機，單片機根據(jù)此信息控制步進電機驅(qū)動噴桿運動，實現(xiàn)噴頭與果樹輪廓間保持一定距離的目的。這就是所謂的恒定距離噴霧（Spray at constant distance）控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)在果園噴霧中達到了較好的效果。

中國農(nóng)業(yè)大學胡開群研制了基于超聲波傳感器的變量施藥系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括超聲波傳感器、單片機、PC、流量控制機構及噴頭等。傳感器用于測量其與作物冠層間的最短距離，測得的數(shù)據(jù)經(jīng)單片機通過RS232 串口傳送至 PC，為進一步的數(shù)據(jù)處理做準備。電動比例調(diào)節(jié)閥則根據(jù)傳感器的探測情況實時調(diào)節(jié)噴頭的流量，達到變量施藥的目的。如圖5為系統(tǒng)的果園冠層體積測量系統(tǒng)界面。

基于機器視覺的變量施藥技術

機器視覺技術是研究用計算機來模擬生物視覺功能的科學技術，即利用計算機實現(xiàn)人的視覺功能，是由圖像數(shù)據(jù)來產(chǎn)生視野環(huán)境內(nèi)有用符號描述的過程。在農(nóng)業(yè)中，機器視覺技術主要應用于植物生長監(jiān)測、雜草識別、農(nóng)業(yè)機器人、農(nóng)業(yè)遙感分析、農(nóng)產(chǎn)品分級、品質(zhì)檢測、動物行為跟蹤等方面。

Yang Chun-Chieh等人設計了基于機器視覺技術和圖像處理技術的雜草自動識別系統(tǒng)，該系統(tǒng)用攝像機采集田間莊稼、雜草等圖像信息，將采集到的信息經(jīng)人工神經(jīng)網(wǎng)絡處理區(qū)分出莊稼和雜草，并且確定雜草的分布情況和覆蓋率。根據(jù)雜草的分布信息，系統(tǒng)利用模糊控制理論計算除草劑的噴量。

Chris Gliever等人利用圖像傳感器對植物靶標進行拍照，將拍得的照片實時傳送給計算機，計算機通過圖像處理技術對照片進行處理從而識別出靶標雜草，計算機根據(jù)圖像處理的結果，作出施藥決策，并以施藥處方地圖的形式將施藥決策傳到施藥控制器，施藥處方地圖標有數(shù)字網(wǎng)格，網(wǎng)格標明了施藥區(qū)域。當噴霧機經(jīng)過標定的區(qū)域時，相應的施藥控制閥就會打開，針對雜草靶標進行施藥。

南京農(nóng)業(yè)機械化研究所呂曉蘭搭建了一種基于機器視覺的變量施藥平臺。該平臺能夠分別在自動和手動工作模式下，通過變量控制器控制不同電磁閥的通斷電，從而實現(xiàn)不同型號噴頭的開閉組合。系統(tǒng)運行穩(wěn)定，響應迅速，滿足田間實時性要求。經(jīng)測定，系統(tǒng)圖像處理過程耗時為0.613秒，電磁閥響應耗時為0.233秒，霧滴到達靶標的飛行時間0.113秒，系統(tǒng)總延遲時間為0.959秒，基本滿足系統(tǒng)實時性要求。

南京林業(yè)大學趙茂程等研發(fā)了基于樹木特征圖像的農(nóng)藥實時精確對靶可變量噴霧機。作業(yè)時，噴霧機先利用CCD攝像機、圖像采集卡獲取樹冠形態(tài)圖像，然后采用計算機視覺和BP神經(jīng)網(wǎng)絡的自動識別系統(tǒng)，根據(jù)如樹冠的高度、周長、面積等樹冠特性作為精確施藥的主要依據(jù)，控制噴頭進行精準對靶噴霧。該研究在實驗室進行了測試，圖像識別率高達93.8%。

基于激光雷達的變量施藥技術

激光雷達傳感技術在農(nóng)業(yè)領域的應用，是近幾年才發(fā)展起來的。它是利用激光的打飛原理，在幾十毫秒的時間內(nèi)通過發(fā)出脈沖激光束來掃描一定范圍內(nèi)激光雷達與作物靶標上各探測點之間的距離。在激光雷達內(nèi)有一個激光源可以發(fā)射脈沖激光束，當發(fā)射出的脈沖激光束撞擊到作物靶標時，部分的激光束就會被反射回來，然后被雷達內(nèi)的探測器接收。雷達從發(fā)出激光束到接收到反射回波之間有段時間差，它和激光雷達與作物靶標上對應探測點之間的距離有著直接的比例關系。圖6為測量原理圖。

美國Ohio州立大學Heping Zhu等人研制了對于不同冠層結構實時變量施藥的激光雷達制導噴霧機。該智能噴霧機是在一個葡萄園噴霧機的基礎上經(jīng)改進后得到的，噴霧機上安裝有0.81米高的軸流風機，為其兩側(cè)的8個復合噴頭提供風力，如圖7所示。激光雷達掃描樹冠特性的算法可以優(yōu)化智能噴霧機上每個噴頭的噴霧量。經(jīng)室外測試，不管樹的外形尺寸是大是小，此樣機在樹冠上噴霧的沉積分布情況令人滿意。與傳統(tǒng)自動對靶噴霧機相比，此智能噴霧機的藥液消耗量可減少38%～51%。

國內(nèi)對此項技術的研究相對較少，中國農(nóng)業(yè)大學康峰對葡萄樹桿自動對靶精準施藥及根蘗定位識別技術進行了研究。利用“障礙帶”的施藥方法，研制了牽引式多噴頭激光對靶噴霧機，此噴霧機由激光測距機、多噴頭施藥系統(tǒng)和基于CAN 總線的施藥控制系統(tǒng)組成。激光測距機二維掃描葡萄樹桿根部，獲得其輪廓信息，通過靶標識別算法得到靶標尺寸與位置信息。如圖8為噴霧機田間試驗照片。

圖6　激光雷達測量原理

圖7

圖8　激光測距機制導噴霧機田間試驗照片

在對藥液包角、霧滴覆蓋率的影響程度上，經(jīng)噴霧航向角為0度和15度時的對比試驗，結果表明：當噴霧航向角為15度時樹桿上藥液包角達到211.6度，優(yōu)于0度噴霧航向角時的171.6度，兩種角度下靶標中間部位的霧滴覆蓋率基本相同，并且在15度噴霧航向角時靶標兩側(cè)的霧滴覆蓋率明顯優(yōu)于0度時的，霧滴沉積均勻性更好。

通過分析國內(nèi)外變量施藥技術發(fā)展的現(xiàn)狀，總體上看我國變量施藥技術在各個方向都有了明顯提高，尤其在激光雷達變量施藥技術處于世界領先。變量施藥技術根據(jù)田間雜草分布信息或病蟲害程度，在不同區(qū)域里噴施除草劑或殺蟲劑，提高農(nóng)藥的靶標附著率，減少農(nóng)藥在非靶標區(qū)域的沉積，可以大大降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本。但我國在變量施藥技術上更多處于田間試驗，未來可在成熟技術的基礎上，進一步降低施藥裝備成本，并在我國推廣。

（本文系國家科技支撐計劃（2011BAD20B07）項目成果。）