冬筍探測設(shè)備開發(fā)構(gòu)想

章德友 張建華 李春霞 施惠江 張瑞華 秦勇強

(1 湖州市吳興區(qū)妙西鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村辦公室 浙江湖州 313000；2 安吉縣天荒坪鎮(zhèn)人民政府 浙江安吉 313300；3 長興縣永綠林業(yè)發(fā)展中心 浙江長興 313100；4 湖州市吳興區(qū)道場鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)農(nóng)村辦公室 浙江湖州 313001；5 杭州市臨安區(qū)青山湖街道區(qū)域發(fā)展與治理中心 杭州 311305；6 湖州市生態(tài)林業(yè)保護(hù)研究中心 浙江湖州 313000)

冬筍是毛竹林經(jīng)營收益的主要來源之一，冬筍采收是一項需要一定經(jīng)驗積累的技術(shù)工作。在實際生產(chǎn)中，上山采收冬筍者90%以上為超過60歲的人。隨著中國城市化進(jìn)程加快，年輕一代毛竹林經(jīng)營業(yè)主，迫切需要簡便、實用、智能化的冬筍探測技術(shù)裝備[1]。冬筍是生長在土壤中的單個個體，一般位于地表以下15～25 cm處，原則上需在未露出地表時采挖，這就使得如何發(fā)現(xiàn)冬筍成為難題?？蒲腥藛T不斷探索實踐，試圖研發(fā)出探測地表下冬筍的探測設(shè)備，雖然取得了一些積極成果，但仍無法投入生產(chǎn)應(yīng)用。本文從理論與實踐想結(jié)合的角度，提出了研制冬筍探測設(shè)備的構(gòu)想。

1 冬筍探測設(shè)備開發(fā)的技術(shù)條件

冬筍探測設(shè)備開發(fā)是一個涉及多學(xué)科理論、跨學(xué)科技術(shù)的應(yīng)用工程，需要借鑒和應(yīng)用現(xiàn)有的技術(shù)。

1.1 經(jīng)驗編程法

將長期以來竹農(nóng)挖掘冬筍積累的經(jīng)驗和技術(shù)，進(jìn)行系統(tǒng)、廣泛、詳盡的搜集整理，并應(yīng)用現(xiàn)代監(jiān)測設(shè)備和計算機編程技術(shù)，通過實地、實時的數(shù)據(jù)采集、驗證，創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫，為建立冬筍搜尋系統(tǒng)提供技術(shù)支撐?；谥窳稚L的立地條件即環(huán)境因子(土層深度、土壤結(jié)構(gòu)等)、竹子的生長勢即生物因子(分枝點、竹葉量、葉色濃度等)、冬筍生長狀況即地下因子(竹鞭走向、筍芽萌發(fā)形成表層土壤裂縫、濕氣等)等，建立智能識別數(shù)據(jù)庫，運用現(xiàn)代信息(數(shù)字化)采集技術(shù)，雙向交互疊加處理，建立冬筍查找識別系統(tǒng)。其邏輯框架見圖1。

圖1 構(gòu)建冬筍識別系統(tǒng)的邏輯框架Fig. 1 Logical framework of constructing winter bamboo shoot detection system

1.2 雷達(dá)尋找法

即利用雷達(dá)或探地雷達(dá)[2]、三維繪圖估測冬筍位置、形狀、大小的尋找方法。就雷達(dá)本身而言，是利用電磁波探測目標(biāo)的電子設(shè)備。雷達(dá)發(fā)射電磁波對目標(biāo)進(jìn)行照射并接收其回波，由此獲得目標(biāo)至電磁波發(fā)射點的距離、距離變化率(徑向速度)、方位、高度等信息。用雷達(dá)尋找冬筍，關(guān)鍵是捕捉生長冬筍的周圍電磁波，而冬筍發(fā)育生長是一個相對較長的過程，所能發(fā)出的電磁波也是極其微弱的；另一方面，電磁波本身的穿透力很弱，從發(fā)射到回波，都要穿越竹筍表層的泥土，因此利用該方法探測冬筍的難度較大。

1.3 紅外成像法

紅外探測技術(shù)分為主動和被動2種。主動紅外探測技術(shù)是通過主動照射并利用目標(biāo)反射紅外源的紅外光來實施觀察的夜視技術(shù)。被動紅外探測技術(shù)的紅外熱成像不受雨雪、風(fēng)霜等惡劣環(huán)境影響，成像清楚，準(zhǔn)確度高，能識別偽裝和抗干擾。紅外熱成像系統(tǒng)不像微光夜視儀那樣借助自然光，而是靠目標(biāo)與背景的輻射產(chǎn)生景物圖像，因此紅外熱成像系統(tǒng)能24 h全天候工作，即使在白天也能通過熱成像進(jìn)行監(jiān)控。從科學(xué)和技術(shù)發(fā)展的角度看，紅外技術(shù)具有一定優(yōu)勢。可見光的存在是有條件的，而任何物體都是紅外源，都在不停地輻射紅外線，所以紅外技術(shù)的應(yīng)用將無處不在。

冬筍在生長過程中會產(chǎn)生熱量(溫度)，利用紅外探測與成像技術(shù)，通過探測冬筍膨大集聚起來的碳水化合物，可以發(fā)現(xiàn)并找到冬筍。冬筍是一個相對活躍的地下生物因子，生長發(fā)育到一定程度以后，隨著其生物量的積累，與周圍土壤環(huán)境的相互作用越來越大，其散發(fā)的熱量、濕度也會隨之增大，這為成像探測創(chuàng)造了良好條件。

1.4 聲波探測法

聲波探測技術(shù)是一種巖石(體)測試技術(shù)。它根據(jù)彈性波在巖體中傳播的原理，用儀器的發(fā)射系統(tǒng)向巖石(體)中發(fā)射聲(超聲)波，由接受系統(tǒng)接收。由于巖體的巖性、結(jié)構(gòu)面特征、風(fēng)化程度、應(yīng)力狀態(tài)、含水情況等地質(zhì)因素都能直接引起聲(超聲)波波速、振幅和頻率發(fā)生變化，因此可通過接收器所接受的聲(超聲)波波速、頻率和振幅了解巖石(體)地質(zhì)情況并求得巖石(體)某些力學(xué)參數(shù)(如泊松比、動彈性模量、抗壓強度、彈性抗力系數(shù)等)和其他一些工程地質(zhì)性質(zhì)指標(biāo)(如風(fēng)化系數(shù)、裂隙系數(shù)、各向異性系數(shù)等)。

冬筍生長在土壤中，雖然與巖石體風(fēng)化等特征區(qū)別極大，但與周邊環(huán)境中的竹鞭、石塊還是有明顯不同，這種差別為聲波探測提供了良好的基礎(chǔ)。以聲波探測為技術(shù)支撐，既可以借鑒生命探測儀技術(shù)模式，也可以在現(xiàn)有超聲波技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)。因為冬筍生長是地下比較活躍的生物因子，其擠壓破土的能量釋放及細(xì)胞分裂都會產(chǎn)生動靜，只要捕捉到這些聲息并進(jìn)行處理，就能為找到冬筍提供保障。

1.5 仿生搜尋法

這是一種利用野生動物的嗅覺來搜尋冬筍的方法。野豬是尋找冬筍的高手，近年來隨著野生動物保護(hù)力度的加大，各地都有遭受野豬毀壞冬筍的事件發(fā)生，有的成片竹林會被野豬一掃而光。仿生搜尋有2個途徑：一是馴化動物(嗅覺靈敏的動物)，可以借鑒歐洲人利用獵狗尋找松露的成功做法；二是利用動物嗅覺特性進(jìn)行仿生技術(shù)開發(fā)，這就要集中對野豬的嗅覺進(jìn)行系統(tǒng)研究和監(jiān)測，研究其內(nèi)在機理，并應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)手段開發(fā)相應(yīng)的探測設(shè)備。

2 冬筍生長規(guī)律及主要特點

冬筍即毛竹的筍芽，在白露節(jié)氣之后逐步由毛竹地下莖(竹鞭)的側(cè)芽發(fā)育而成。開發(fā)冬筍探測設(shè)備，必須了解、掌握冬筍生長的基本規(guī)律和主要特點，由此研究相應(yīng)的對策，制定一套性價比高、反應(yīng)靈敏、便于操作、竹農(nóng)認(rèn)可的技術(shù)方案并付諸實施。

2.1 筍、竹、鞭之間的關(guān)系

筍、竹、鞭是一個相互依存、相互作用的集合體。筍芽萌發(fā)既離不開鞭，更離不開竹，在水分、光照、溫度、肥料的共同作用下，竹鞭側(cè)芽漸漸增大并發(fā)育成冬筍[3]。冬筍適宜在溫度相對較低的條件下生長，周圍環(huán)境溫度、濕度都影響著冬筍的生長。

2.2 竹鞭與竹枝的關(guān)系

冬筍生長并不是完全無序的，其中最關(guān)鍵的要素就是竹鞭。竹鞭的走向又與筍成竹后的分枝方向密不可分。從冬筍到成竹無論怎樣生長，它的竹鞭由進(jìn)到出，基本都是沿直線向前的。從筍到竹，開枝散葉，而第1檔竹枝的朝向，往往就是竹鞭前行的方向；當(dāng)?shù)?檔竹枝有2個枝條時，竹鞭往往與生長勢強的這根竹枝相關(guān)。因此，要探測冬筍必須先確定竹鞭的走向。

2.3 冬筍與竹鞭的關(guān)系

竹鞭是冬筍的立命之根，確定了竹鞭的方向，即可確定冬筍的大致范圍。冬筍與竹鞭密不可分，竹鞭停止生長，冬筍就會萌動。探筍的過程，需人機合一。定鞭是找筍的前提，先確定出筍的大致范圍，也就是在出鞭方向50～150 cm范圍出筍的概率較高，可據(jù)此研發(fā)探測冬筍的設(shè)備。

2.4 冬筍與竹齡的關(guān)系

在毛竹2年一度的閉環(huán)周期中，當(dāng)年成竹的新竹，需要大量養(yǎng)分供給，其養(yǎng)分積累無法滿足筍芽萌發(fā)的基本條件，也自然沒有冬筍，即“新竹生，鞭芽?！盵4]。在一個閉環(huán)周期結(jié)束后，這條竹鞭上至少有2支竹子(1度和2度各一支)同時進(jìn)行養(yǎng)分輸送和積累，當(dāng)出筍的各種條件成熟時，筍芽就會萌動并發(fā)育為筍。

2.5 冬筍生長的主要特性

冬筍是由多種物質(zhì)組成的混合物，在生長過程會釋放水分、熱量和氣味[5]。受周圍環(huán)境因素和土壤因素的影響，人類很難察覺冬筍生長過程中發(fā)生的變化，但這種變化則能夠被現(xiàn)代科技所探測。冬筍一般生長在15～25 cm的表層土壤中，在冬筍生長發(fā)育過程中隨著筍體的膨大會越來越多地釋放出水分、熱量和氣味，這對于探測冬筍是非常有用的信息。從現(xiàn)有技術(shù)來講，探測淺表層土壤中這些信息的手段多種多樣，研發(fā)冬筍探測設(shè)備可從水分、溫度、氣味這3個基本因子著手尋找對策。

3 冬筍探測設(shè)備開發(fā)的構(gòu)想

開發(fā)冬筍探測設(shè)備沒有現(xiàn)成的技術(shù)和產(chǎn)品可以借鑒，在此提出以下幾點構(gòu)想。

3.1 把握特點，掌握規(guī)律

在冬筍生長發(fā)育中，隨著筍體的不斷增大，其自身具有的3個特點逐步顯現(xiàn)出來：一是水分的積累越來越多；二是筍體與周圍環(huán)境的溫度差別越來越大；三是筍體散發(fā)的氣味越來越濃。因此，開發(fā)冬筍探測設(shè)備應(yīng)掌握這些信息和規(guī)律。

3.2 科學(xué)監(jiān)測，捕捉因子

科學(xué)監(jiān)測筍體發(fā)育生長的動態(tài)進(jìn)程。冬筍發(fā)育生長是一個動態(tài)且相對漫長的過程，而冬筍采收則是間歇性的。對探測設(shè)備開發(fā)者來講，只有精準(zhǔn)掌握冬筍生長進(jìn)程中的動態(tài)信息，才能應(yīng)用最適合的技術(shù)手段，研制出性價比高、實用性強、反應(yīng)靈敏、輕便高效的探測設(shè)備[6]。目前，對于地下冬筍發(fā)育生長的全過程，并沒有完整的數(shù)據(jù)可供參考和利用。因此，借助傳感器監(jiān)測筍體發(fā)育生長的全過程，收集整理動態(tài)實時數(shù)據(jù)，是開發(fā)探測設(shè)備的重要基礎(chǔ)。這種數(shù)據(jù)采集是一個相對漫長的過程，應(yīng)采集容易被現(xiàn)代技術(shù)捕捉到的最活躍、最核心的因子。這個因子應(yīng)既具有排它性，又具有唯一性，還要有一定的穿透力。找到這個因子，開發(fā)冬筍探測設(shè)備就有了明確的方向和靶標(biāo)。

3.3 技術(shù)嫁接，簡單為先

冬筍探測設(shè)備是一種戶外型、移動式裝備。對設(shè)備開發(fā)者而言，在保證價格相對低廉的前提下，應(yīng)優(yōu)先考慮設(shè)備對特殊環(huán)境的適應(yīng)性和可操作性，借助、嫁接與此相應(yīng)的地下探測設(shè)備，將是一條捷徑。對于由混合物構(gòu)成的冬筍而言，在水分、溫度、氣味這3個基本因子中，究竟哪個因子的穿透力最強、最容易被捕捉，亦或這3種因子都非表現(xiàn)力極強的核心因子，其氨基酸含量是否能夠成為定向靶標(biāo)，是開發(fā)探測設(shè)備的關(guān)鍵。

與冬筍探測技術(shù)最類似、關(guān)聯(lián)性最大的是地雷探測技術(shù)，而探雷器中最可借鑒的是炸藥探測(即炸藥的氣味而非金屬振蕩回波)。以針式、手持或頭盔式、背負(fù)式等探測設(shè)備為探測冬筍的優(yōu)先選項，因為冬筍探測設(shè)備是一種輔助性生產(chǎn)工具，而且受地形、土壤、石頭、雜草、天氣等多重環(huán)境因素的制約，應(yīng)在設(shè)備的形狀、質(zhì)量、體積上都要統(tǒng)籌考慮。在結(jié)構(gòu)上應(yīng)輕、巧、小、靈，在工作原理上應(yīng)考慮水分、溫度、氣味、聲音4個因子報警或任選3個因子報警，直至升級至2個因子報警。4個因子報警即每個因子數(shù)據(jù)變化峰值達(dá)到一定數(shù)值后，觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，當(dāng)4個因子的觸發(fā)器都翻轉(zhuǎn)時，報警電路接通，3因子或2因子亦然。

4 結(jié)束語

冬筍探測設(shè)備的研發(fā)是一項復(fù)雜的課題，在引用、借鑒現(xiàn)有信息、技術(shù)的基礎(chǔ)上，需要有所創(chuàng)新。從生產(chǎn)實際需求出發(fā)，開發(fā)適用的竹林經(jīng)營設(shè)備，致力服務(wù)竹產(chǎn)業(yè)發(fā)展，對于鄉(xiāng)村振興、竹農(nóng)致富意義重大。

本文僅從思路上闡述了冬筍探測設(shè)備的開發(fā)，有待于條件成熟時進(jìn)行充分論證。建議跨學(xué)科、多學(xué)科的相關(guān)專家、學(xué)者聯(lián)合攻關(guān)，為竹農(nóng)致富和竹產(chǎn)業(yè)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。