基于高光譜成像的不同藥滴粒徑的藥效試驗(yàn)裝置開發(fā)

馬偉 王秀 夏浪

農(nóng)藥噴灑時(shí)的霧滴粒徑和噴藥壓力是影響施藥效果的兩個(gè)關(guān)鍵因素，要根據(jù)作物栽培的實(shí)際情況來決定其參數(shù)。傳統(tǒng)的方式是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取噴頭的孔徑，再根據(jù)孔徑選取大致的壓力范圍，這種做法比較簡(jiǎn)單，但是忽略了作物的類型、生長(zhǎng)階段、葉片表面微觀特征、農(nóng)藥類型、農(nóng)藥濃度等參數(shù)，對(duì)于試驗(yàn)精度要求較高的藥效試驗(yàn)會(huì)產(chǎn)生諸多問題，試驗(yàn)結(jié)果存在一定程度的不確定性。

開發(fā)藥效試驗(yàn)裝置可以瞄準(zhǔn)解決霧滴粒徑和壓力調(diào)節(jié)這兩個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)?？刂旗F滴粒徑常規(guī)的辦法是選取不同孔徑的噴頭，美國(guó)噴霧系統(tǒng)公司提供了系列的Teejet噴嘴，并有詳細(xì)的孔徑及霧滴特征描述。恒壓裝置有多種方法，采用精準(zhǔn)的壓力調(diào)節(jié)閥以及間歇壓力泵都可以作為壓力源。但藥效試驗(yàn)對(duì)藥劑的用量和濃度有較高要求，因此傳統(tǒng)的壓力泵方式難免會(huì)有藥劑殘留在壓力泵及管路中，這些殘留的藥劑會(huì)對(duì)下一個(gè)處理的藥劑產(chǎn)生不同程度的影響，因此，試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)要考慮如何清理管路系統(tǒng)中的留存藥劑。采用氣體加壓的方式是一個(gè)很好的選擇。加壓選用CO2氣體，具有以下好處：第一是價(jià)格低，鋼管包裝的2 L CO2氣體售價(jià)僅幾十元，基本可以完成上百個(gè)小樣本的藥效試驗(yàn)；第二是維護(hù)方便，電機(jī)加壓要考慮電機(jī)的防水以及蓄電池的定期充電、故障率較高等問題，而氣壓系統(tǒng)可長(zhǎng)期保存；第三是攜帶方便，鋼瓶體積小，強(qiáng)度較高，配上手提結(jié)構(gòu)，非常容易攜帶。

藥效檢測(cè)的傳統(tǒng)方法是采集活體樣本進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室組分分析，主要通過電鏡觀察葉片組織的變化，進(jìn)行染病孢子或者害蟲蟲體的統(tǒng)計(jì)。此種調(diào)查方法周期較長(zhǎng)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，短時(shí)間內(nèi)處理樣本的數(shù)量較少。然而藥效試驗(yàn)組分分析都是數(shù)百個(gè)樣本以上，實(shí)際調(diào)查中往往力不從心。采用光譜手段能無(wú)損快速的獲取植株的光譜數(shù)據(jù)，將其和正常植株、嚴(yán)重染病的光譜曲線進(jìn)行比對(duì)，對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，建立對(duì)應(yīng)的識(shí)別和判定數(shù)學(xué)模型[1-2]，就能快速的得出不同藥效的分析結(jié)果。高光譜成像技術(shù)不但融合光譜的特征，同時(shí)做到“圖譜合一”，能夠直觀的選取感興趣的圖元，進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)的提取和分析，因而對(duì)于植株藥效而言具有極強(qiáng)的針對(duì)性。

原理

在鋼瓶?jī)?nèi)儲(chǔ)存2～4 L高壓CO2氣體，通過氣壓閥分成2路，并需進(jìn)行恒壓限壓，可通過改變噴霧壓力來調(diào)節(jié)霧滴粒徑大小。該系統(tǒng)由CO2鋼瓶、開關(guān)閥、噴嘴、光譜儀、計(jì)算機(jī)分析系統(tǒng)及控制系統(tǒng)組成（圖1）。不同處理的藥劑可按照濃度和種類等參數(shù)提前儲(chǔ)存在多個(gè)塑料瓶里，使用時(shí)按照試驗(yàn)作物的分組方案將塑料瓶替換上?？刂破骺山邮沼?jì)算機(jī)信號(hào)控制藥劑流量和藥量的大小。開關(guān)閥關(guān)閉，停止噴霧后氣壓閥泄壓，保證氣路安全。噴嘴為帶螺紋結(jié)構(gòu)可同時(shí)進(jìn)行多組噴嘴的輪換測(cè)試和不同霧滴大小的對(duì)比試驗(yàn)。光譜儀實(shí)時(shí)傳輸采集植物施藥后的光譜信息，發(fā)送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算來提取相關(guān)信息。

試驗(yàn)

試驗(yàn)裝置（圖2）的測(cè)試在溫室內(nèi)進(jìn)行。配置不同濃度的光譜殺菌劑啶酰菌胺溶液分別裝在不同的塑料瓶中，測(cè)試時(shí)擰緊固定在試驗(yàn)裝置上，CO2高壓氣體將藥液直接壓出，在噴嘴處形成霧滴，對(duì)待測(cè)花卉苗進(jìn)行不同霧滴粒徑大小的噴灑試驗(yàn)。將50株花苗分成5個(gè)對(duì)照組，每組10株，其中4組共40株噴藥，一個(gè)對(duì)照空白組10株不施藥。試驗(yàn)裝置噴頭選用Teejet系列噴頭，輪換按照花苗編號(hào)噴施。噴藥CO2氣體壓力選擇從0.2～0.36 MPa連續(xù)調(diào)節(jié)，圖3是測(cè)試過程。通過不同霧滴粒徑噴灑的秧苗在溫室中葉片表面干涸后即可進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)的采集分析。為提高光譜測(cè)量精度需要提前用白色背景進(jìn)行校準(zhǔn)，試驗(yàn)時(shí)穿深色衣服，選取溫室外陽(yáng)光沒有遮擋的位置進(jìn)行試驗(yàn)（圖4）。

結(jié)果

通過試驗(yàn)裝置獲取感興趣的葉片區(qū)域的圖元，對(duì)應(yīng)的光譜值就可以讀取出來（圖5）。數(shù)據(jù)分析時(shí)依次選取不同位置、不同高度的葉片，裁剪后提取對(duì)應(yīng)光譜數(shù)據(jù)，即可得到不同霧滴粒徑下葉片施藥后的藥效信息。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果看，花苗染病程度對(duì)光譜影響最大，霧滴粒徑大小次之，藥劑濃度影響最小。

結(jié)論

本文開發(fā)了基于高壓CO2氣體來形成不同霧滴粒徑的試驗(yàn)裝置，并采用基于光譜手段來進(jìn)行不同霧滴粒徑噴藥后藥效的光譜響應(yīng)試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得出光譜響應(yīng)受霧滴粒徑影響的不顯著的結(jié)論。

參考文獻(xiàn)

[1]馬偉，王秀，李偉國(guó).近紅外光譜（NIRs）檢測(cè)技術(shù)在設(shè)施果蔬生產(chǎn)上的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)（溫室園藝），2015（31）：60-63.

[2]吳長(zhǎng)山，項(xiàng)月琴，鄭蘭芬，等.利用高光譜數(shù)據(jù)對(duì)作物群體葉綠素密度估算的研究[J].遙感學(xué)報(bào)，2000，4（3）：228-232.

項(xiàng)目支持：國(guó)家科技支撐項(xiàng)目（2014BAD06B01-17）；北京市創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)崗位專家項(xiàng)目。