樹(shù)木精準(zhǔn)施藥技術(shù)研究進(jìn)展

周宏平，張超，許林云，茹煜，鄭加強(qiáng)，李秋潔

(南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，南京 210037)

化學(xué)防治是目前防控植物病蟲(chóng)草害最高效的手段，是農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中重要的農(nóng)藝措施。與大田作物不同，樹(shù)木大多為多年生喬木，具有不連續(xù)種植、個(gè)體差異明顯、冠層較大且枝葉稠密等特點(diǎn)。通常采用風(fēng)送噴霧方式，利用風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的高速氣流將農(nóng)藥輸送至樹(shù)冠，提高霧滴的穿透能力和附著性能。不同植株或同一植株在不同時(shí)期的樹(shù)冠特征變化大，傳統(tǒng)噴霧(圖1a)未考慮樹(shù)木個(gè)體差異，采用連續(xù)式的淋噴作業(yè)，造成農(nóng)藥浪費(fèi)、農(nóng)藥殘留和環(huán)境污染等問(wèn)題[1]。目前，精準(zhǔn)變量噴霧(圖1b)在提高農(nóng)藥施藥效率、降低農(nóng)藥殘留和減少環(huán)境污染等方面具有良好的應(yīng)用前景。

圖1 常規(guī)噴霧與精準(zhǔn)變量噴霧示意圖Fig. 1 Conventional spray and precision variable spray

精準(zhǔn)施藥技術(shù)是將傳感器探測(cè)技術(shù)與農(nóng)藥噴灑技術(shù)結(jié)合，涵蓋施藥過(guò)程中目標(biāo)信息采集、目標(biāo)識(shí)別、施藥決策、可變量噴霧執(zhí)行等技術(shù)，將農(nóng)藥有效地噴灑在靶標(biāo)(目標(biāo)作物)上。國(guó)外學(xué)者于20世紀(jì)50年代開(kāi)始探索精準(zhǔn)施藥技術(shù)，從最初識(shí)別靶標(biāo)位置進(jìn)行噴霧的對(duì)靶噴霧，到根據(jù)靶標(biāo)特征進(jìn)行智能決策的變量噴霧。精準(zhǔn)施藥系統(tǒng)主要由靶標(biāo)冠層信息獲取、噴霧決策、變量施藥3個(gè)環(huán)節(jié)組成，如圖2所示。變量噴霧機(jī)作業(yè)時(shí)，準(zhǔn)確獲取樹(shù)木冠層的結(jié)構(gòu)參數(shù)是精準(zhǔn)施藥噴霧參數(shù)調(diào)控與執(zhí)行的前提。噴霧決策系統(tǒng)根據(jù)傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)靶標(biāo)的高度、寬度、體積等特征參數(shù)計(jì)算所需的藥量、風(fēng)量等噴霧參數(shù)，達(dá)到按需施藥的目的。

圖2 精準(zhǔn)施藥系統(tǒng)組成Fig. 2 Composition of precision spraying system

目前的噴霧技術(shù)及裝備尚未達(dá)到按作物形態(tài)及病理信息進(jìn)行精準(zhǔn)施藥的要求。筆者從靶標(biāo)在線探測(cè)、藥量控制和風(fēng)力控制方法三方面綜述國(guó)內(nèi)外農(nóng)林精準(zhǔn)施藥技術(shù)研究進(jìn)展以及精準(zhǔn)施藥裝備研發(fā)現(xiàn)狀，分析存在的問(wèn)題與挑戰(zhàn)，為后續(xù)研究提供技術(shù)參考。

1 樹(shù)木靶標(biāo)探測(cè)技術(shù)

1.1 紅外技術(shù)

紅外技術(shù)由于其傳感器價(jià)格低廉，響應(yīng)速度快，最早應(yīng)用于識(shí)別靶標(biāo)位置。在20世紀(jì)70年代，歐美國(guó)家采用紅外傳感器探測(cè)靶標(biāo)位置以控制噴霧動(dòng)作執(zhí)行。紅外靶標(biāo)探測(cè)技術(shù)是利用紅外發(fā)光管發(fā)出紅外光線照射到探測(cè)物體上，反射光線被接收器接收即可確定目標(biāo)位置。紅外傳感器可以便捷地實(shí)現(xiàn)檢測(cè)到目標(biāo)、噴灑器開(kāi)始噴灑，未檢測(cè)到物體、噴灑器停止噴灑的功能。Bargen等[2]根據(jù)植物、土壤和其余物體的反射率特征開(kāi)發(fā)了一種近紅外反射探測(cè)系統(tǒng)來(lái)探測(cè)植物，采用濾光片對(duì)紅外和近紅外探測(cè)器的光譜帶寬靈敏度進(jìn)行了選擇。He等[3]設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)紅外目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)，傳感器擊中樹(shù)冠的上部、中部和下部，以檢測(cè)不同果樹(shù)的形狀，并向控制系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)。鄒建軍等[4]、鄧巍等[5]運(yùn)用集成電路和光學(xué)編碼技術(shù)將紅外光作為光源設(shè)計(jì)了果樹(shù)靶標(biāo)探測(cè)器。李麗等[6]用顏色傳感器輔助紅外探測(cè)技術(shù)，設(shè)計(jì)了針對(duì)果園綠色靶標(biāo)的果園冠層探測(cè)系統(tǒng)。劉金龍等[7]設(shè)計(jì)了基于模擬正弦調(diào)制技術(shù)的果園靶標(biāo)紅外探測(cè)器，并對(duì)光照條件、靶標(biāo)反射面積等試驗(yàn)條件對(duì)探測(cè)距離的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

紅外目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)在以樹(shù)木植物為目標(biāo)時(shí)，易受環(huán)境光影響，環(huán)境光中存在的紅外光會(huì)干擾實(shí)際反射的紅外光信號(hào)，因此紅外傳感器的性能在室內(nèi)優(yōu)于室外。此外，基于紅外技術(shù)的目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)無(wú)法識(shí)別目標(biāo)的詳細(xì)尺寸和距離，無(wú)法進(jìn)行體積的計(jì)算和分析，因此紅外技術(shù)大多只適用于間歇式的常量噴霧作業(yè)。

1.2 機(jī)器視覺(jué)及光譜技術(shù)

注：w為相機(jī)鏡頭間距離，mm； f為相機(jī)焦距，mm；(xl,yl),(xr,yr)分別為兩個(gè)圖像中把標(biāo)點(diǎn)位置坐標(biāo)；F為相機(jī)與靶標(biāo)點(diǎn)距離。圖3 立體視覺(jué)測(cè)量原理[10]Fig. 3 Illustration of disparity calculation form stereovision image

Lati等[11]提出的基于立體視覺(jué)的三維植物建模方法，測(cè)量植物株高誤差為4%，葉面積誤差為4.5%，體積估算與測(cè)量體積相關(guān)系數(shù)為0.94。Jafari等[12]對(duì)比了基于全局與局部算法對(duì)樹(shù)冠形狀及葉密度測(cè)量的影響，分析了立體視覺(jué)視差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，結(jié)果表明全局算法當(dāng)視差為15時(shí)效果最佳。通過(guò)對(duì)圖像與光譜分析，如可見(jiàn)光圖像、熒光圖像、高光譜圖像、近紅外光譜、熒光光譜、核磁共振和太赫茲光譜等，可以判斷植物病蟲(chóng)害程度，并且準(zhǔn)確定位病蟲(chóng)害位置。Oberti等[13]使用多光譜相機(jī)采集作物圖像，利用圖像處理方法在多光譜圖像中尋找癥狀的位置，驗(yàn)證不同拍攝視角對(duì)檢測(cè)靈敏度的影響。Singh等[14]設(shè)計(jì)了圖像識(shí)別分段算法，對(duì)多種作物和病害具有快速識(shí)別和分類能力。Sivasangari等[15]設(shè)計(jì)了嵌入式處理器的圖像處理算法，利用運(yùn)動(dòng)目標(biāo)提取方法進(jìn)行樣本圖像分析，害蟲(chóng)圖像識(shí)別準(zhǔn)確率高達(dá)96%。Deng等[16]受人類視覺(jué)系統(tǒng)啟發(fā)設(shè)計(jì)了害蟲(chóng)識(shí)別方法，在復(fù)雜環(huán)境下也能有效識(shí)別害蟲(chóng)，識(shí)別率達(dá)85%。但該技術(shù)大多在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，目前還未能在野外進(jìn)行病蟲(chóng)害診斷并指導(dǎo)噴霧作業(yè)。另外，鑒于在線使用過(guò)程中圖像數(shù)據(jù)處理量大，目前大多采用處理之后立即刪除的方法緩解圖像存儲(chǔ)難題。

1.3 超聲波傳感器

超聲波測(cè)距傳感器根據(jù)超聲波在空氣中的傳播速度和計(jì)時(shí)器記錄的發(fā)射與接收回波的時(shí)間差，計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)與障礙物的距離。通過(guò)測(cè)量樹(shù)木靶標(biāo)到傳感器之間的距離估算果樹(shù)的外形輪廓和體積，如圖4所示。超聲波測(cè)量系統(tǒng)具有魯棒性好、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。

超聲波傳感器測(cè)量樹(shù)冠體積精度除了與傳感器自身測(cè)量精度有關(guān)，還與傳感器均布間距、采樣頻率、行進(jìn)速度有關(guān)。Tumbo等[18]提出使用超聲波傳感器估計(jì)柑橘樹(shù)的體積，通過(guò)陣列超聲波傳感器的方式可完整地測(cè)量樹(shù)冠體積[19-20]。但超聲波具有較大的波束角，冠層間隙較小時(shí)難以測(cè)出，傳感器距離冠層距離越遠(yuǎn)，測(cè)量精度越差[21]。

圖4 超聲波體積測(cè)量示意圖[17]Fig. 4 Canopy volume schematic of ultrasonic measurement

超聲波傳感器發(fā)出的超聲波碰到障礙物會(huì)產(chǎn)生超聲回波并返回，超聲回波強(qiáng)度受障礙物形狀大小等特性影響，樹(shù)木冠層越稠密，產(chǎn)生的超聲回波越強(qiáng)。Palleja等[22-23]假設(shè)超聲回波和冠層密度成正相關(guān)，對(duì)葡萄園和蘋(píng)果園完整生長(zhǎng)周期進(jìn)行觀測(cè)試驗(yàn)并驗(yàn)證假設(shè)。Li等[24]為建立基于生物量分布的施藥量和風(fēng)送風(fēng)力實(shí)時(shí)調(diào)控?cái)?shù)學(xué)模型，采用中心組合正交回歸試驗(yàn)，建立了平面果園靶標(biāo)超聲回波能量與探測(cè)距離和冠層密度間的數(shù)學(xué)方程。Nan等[25]基于超聲波傳感器搭建了植物冠層超聲回波信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，在基于圓柱面葉片分布模型的量化測(cè)試臺(tái)上，通過(guò)正交中心復(fù)合試驗(yàn)建立了超聲回波信號(hào)均值與植物冠層密度量化模型。

1.4 LiDAR傳感器

激光雷達(dá)(light detection and ranging，LiDAR)自21世紀(jì)初應(yīng)用于精準(zhǔn)施藥技術(shù)中。LiDAR具有測(cè)量速度快、精度高、受環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，有助于描述結(jié)構(gòu)復(fù)雜的樹(shù)形。LiDAR傳感器高頻率發(fā)射出的脈沖激光束，利用飛行時(shí)間計(jì)算測(cè)量物體各點(diǎn)到傳感器的距離，通過(guò)不同方式對(duì)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記或定位，形成激光點(diǎn)云。通過(guò)對(duì)點(diǎn)云信息分析提取果園靶標(biāo)的外形、體積和葉面積密度等信息[26]。

通過(guò)在拖拉機(jī)上搭載LiDAR傳感器組成信息采集系統(tǒng)，采集園區(qū)樹(shù)木靶標(biāo)點(diǎn)云信息，如圖5所示。Escolà等[27]將點(diǎn)云相距0.1 m分割成一個(gè)個(gè)切片，通過(guò)對(duì)切片體積進(jìn)行累加獲得整個(gè)冠層的體積，根據(jù)算法計(jì)算出的冠層體積與傳統(tǒng)手工測(cè)量結(jié)果的相關(guān)系數(shù)為0.56～0.82。Auat等[28]比較了凸包、分段凸包、圓柱面建模以及3D網(wǎng)格填充算法對(duì)體積計(jì)算的影響，結(jié)果分段凸包和3D網(wǎng)格填充算法計(jì)算精度高，而凸包及圓柱面建模方法計(jì)算速度快。Sanz等[29-30]使用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法建立了冠層激光點(diǎn)云數(shù)量與葉面積間的線性方程，并發(fā)現(xiàn)冠層葉面積密度與冠層體積的對(duì)數(shù)有高度相關(guān)性。李秋潔等[31-32]采用車載二維激光掃描儀的變尺度格網(wǎng)，以格網(wǎng)面積作為被激光束覆蓋的葉面積，建立了靶標(biāo)總體網(wǎng)格面積與真實(shí)總體葉面積的線性回歸模型。

綜上所述，我國(guó)民事審前程序規(guī)定的基本只有程序性意義，很少涉及證據(jù)資料的收集和交換以及爭(zhēng)點(diǎn)的整理和確定等實(shí)質(zhì)性的內(nèi)容。從審前程序的最初產(chǎn)生來(lái)看，其并非民事訴訟程序的核心階段，只具有一元性的價(jià)值，即為庭審階段做準(zhǔn)備工作以提高庭審效率，其輔助性任務(wù)決定了審前程序不需要具備庭審階段嚴(yán)格的程序和形式要求。但是，隨著實(shí)踐的發(fā)展，審前程序的價(jià)值已經(jīng)不再局限于程序和形式上的意義，從各國(guó)的實(shí)踐來(lái)看，在審前程序中通過(guò)證據(jù)交換來(lái)明確爭(zhēng)點(diǎn)和固定證據(jù)，并借此促進(jìn)庭前糾紛直接解決(并非僅僅是和解)已經(jīng)成為各國(guó)審前程序的核心，呈現(xiàn)出二元性價(jià)值。

圖5 LiDAR樹(shù)木冠層掃描示意圖Fig. 5 Schematic of LiDAR scan for the tree canopy

激光傳感器具有較高的測(cè)量精度，但對(duì)載具運(yùn)行狀況極為敏感，載具顛簸、抖動(dòng)、偏離航向等均會(huì)使獲得的數(shù)據(jù)失真。Palleja等[33]分析了LiDAR計(jì)算樹(shù)木體積估計(jì)值相對(duì)于不同誤差源的敏感性。用梨樹(shù)進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果表明，體積計(jì)算對(duì)LiDAR到樹(shù)中心距離誤差和LiDAR的方位角誤差非常敏感，因此，任何基于移動(dòng)地面LiDAR的樹(shù)木體積估算都應(yīng)該控制、估算和校正這些誤差源。通過(guò)將LiDAR與動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)全球定位系統(tǒng)(real-time kinematic GPS，RTK-GPS)、慣性測(cè)量單元(inertial measurement unit，IMU)結(jié)合，利用位置和角度信息修正激光點(diǎn)云的空間坐標(biāo)，得到更精確的點(diǎn)云坐標(biāo)[34]。激光束無(wú)法穿透郁閉度較高的樹(shù)冠，冠層表面將大部分激光反射造成“陰影效應(yīng)”，阻礙了樹(shù)冠內(nèi)部信息的獲取[35]。

1.5 傳感器組合技術(shù)

從以上分析可以看出，任一種靶標(biāo)探測(cè)技術(shù)都有其優(yōu)缺點(diǎn)，如表1所示。為了克服單個(gè)傳感器自身的缺點(diǎn)并結(jié)合不同類型傳感器的優(yōu)點(diǎn)，許多研究人員提出了傳感器組合測(cè)量的方案。通過(guò)傳感器組合產(chǎn)生可以產(chǎn)生比單個(gè)數(shù)據(jù)源更一致、更準(zhǔn)確和更有用的信息。Bietresato等[36]在同一垂直線上安裝2個(gè)LiDAR傳感器組成3D激光掃描系統(tǒng)，面積與體積測(cè)量精度相較于單個(gè)傳感器分別提高了20%和18%。同時(shí)可以通過(guò)合并兩位置的點(diǎn)云，定義掃描對(duì)象，去除不真實(shí)的噪點(diǎn)和背景。Shalal等[37]設(shè)計(jì)了一種基于廣角相機(jī)和LiDAR組合探測(cè)融合算法，利用激光獲得可靠的樹(shù)冠范圍、角度及寬度信息，視覺(jué)方法區(qū)分樹(shù)冠和其他物體。Yandún Narvez等[38]將熱感相機(jī)采集的溫度信息與LiDAR獲取的果樹(shù)3D冠層信息融合，獲得溫度在冠層結(jié)構(gòu)中的分布。

表1 靶標(biāo)探測(cè)技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比Table 1 Comparison of advantages and disadvantages of target detection technology

隨著精準(zhǔn)施藥技術(shù)對(duì)樹(shù)木全方位信息的需求越來(lái)越大，多傳感器組合的測(cè)量方式會(huì)受到越來(lái)越多的重視。每個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)在解釋算法、分辨率、產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量和處理時(shí)間方面不同，如何將各傳感器的信息進(jìn)行融合處理是今后研究的重點(diǎn)。

2 施藥控制技術(shù)

2.1 藥量需求計(jì)算

根據(jù)樹(shù)冠特征及病蟲(chóng)害程度進(jìn)行變量施藥以實(shí)現(xiàn)最佳的噴霧效果是精準(zhǔn)施藥的最終目標(biāo)。合理的噴施藥量需要兼顧病蟲(chóng)害防治效果和環(huán)境保護(hù)。傳統(tǒng)農(nóng)林從業(yè)者通過(guò)種植面積計(jì)算施藥量，忽視了樹(shù)木個(gè)體差異。長(zhǎng)期以來(lái)，藥量確定一直是困擾農(nóng)林從業(yè)者的技術(shù)問(wèn)題，常用的施藥量模型列于表2，不同地區(qū)及生產(chǎn)者選擇的施藥量模型均有所差異。在精準(zhǔn)施藥應(yīng)用中，常用基于樹(shù)冠體積(TRV)及樹(shù)體面積(LWA)的施藥量模型[39-40]。Garcerá等[41]對(duì)比了基于TRV與LWA模型在氣流輔助噴霧中的應(yīng)用，研究表明：對(duì)于成年果園的高大樹(shù)木，TRV模型能夠獲得更高的覆蓋率與葉片沉積；對(duì)于低矮的幼齡果樹(shù)，TRV與LWA模型覆蓋率與沉積率相似。

上述施藥量模型被大多農(nóng)機(jī)生產(chǎn)者采用，但模型中大多只考慮了樹(shù)冠的單一特征，精準(zhǔn)施藥往往需要根據(jù)樹(shù)冠體積、葉密度、病蟲(chóng)害程度等因素計(jì)算施藥量。Walklate等[42]基于LWA模型引入修正參數(shù)來(lái)改變樹(shù)冠密度不均勻引起的藥量需求變化?；诓∠x(chóng)害程度進(jìn)行精準(zhǔn)的施藥量控制能夠使農(nóng)藥的有效利用率達(dá)到最大，需要植物病理學(xué)、藥劑學(xué)等多學(xué)科融合，目前還未能建立相關(guān)的施藥量模型，同時(shí)對(duì)精準(zhǔn)施藥裝備及檢測(cè)技術(shù)提出了更高要求。

表2 基于不同參數(shù)的施藥量模型Table 2 Application rate model based on different parameters

2.2 藥量控制技術(shù)

2.2.1 壓力調(diào)流技術(shù)

壓力調(diào)節(jié)依據(jù)壓力差與流量的平方成正比的關(guān)系，通過(guò)改變壓力來(lái)控制流量的大小。由于壓力差與流量呈非線性關(guān)系，采用壓力調(diào)節(jié)控制流量，所需的壓力調(diào)節(jié)范圍極大[45]。但壓力調(diào)流經(jīng)濟(jì)成本較低，從經(jīng)濟(jì)和推廣成本角度上考慮，壓力調(diào)流技術(shù)有極高的潛力，因此，壓力調(diào)流的主要研究目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)變量噴霧系統(tǒng)的非線性控制。Gonzalez等[46]把系統(tǒng)的靜態(tài)增益參數(shù)和時(shí)間參數(shù)與系統(tǒng)壓力相關(guān)聯(lián)，設(shè)計(jì)了一種基于壓力調(diào)節(jié)的非線性變量噴霧系統(tǒng)。史巖等[47]建立了壓力式變量噴霧系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和傳遞函數(shù)，實(shí)現(xiàn)根據(jù)施藥目標(biāo)的特征和機(jī)組行走速度自動(dòng)調(diào)節(jié)各噴霧單元施藥量。Pawlowski等[48]根據(jù)非線性動(dòng)力學(xué)模型選擇PI控制器控制壓力調(diào)節(jié)流量，應(yīng)用于低成本的超聲波噴霧機(jī)，滿足流量調(diào)節(jié)要求。

通過(guò)改變壓力調(diào)節(jié)流量大小時(shí)，霧滴粒徑和分布方式會(huì)隨壓力變化發(fā)生改變，但壓力式調(diào)流技術(shù)具有價(jià)格較低、原理簡(jiǎn)單、易于推廣等優(yōu)點(diǎn)，在噴霧控制系統(tǒng)中仍然被廣泛地使用。

2.2.2 變量噴頭調(diào)流技術(shù)

變量噴頭通過(guò)改變噴頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)流量大小調(diào)節(jié)。Womac等[49]在兩級(jí)噴孔噴頭內(nèi)部引入了隨動(dòng)定流芯，設(shè)計(jì)出一種雙隨動(dòng)器件的變量噴頭，通過(guò)改變定流芯的位置來(lái)改變流量大小，結(jié)構(gòu)如圖6所示。Funseth等[50]在噴頭內(nèi)置了一個(gè)轉(zhuǎn)盤(pán)流量控制閥，轉(zhuǎn)盤(pán)流量控制閥位于噴頭體內(nèi)，通過(guò)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制轉(zhuǎn)動(dòng)。Needham等[51]將比例電磁閥與噴頭相耦合，實(shí)現(xiàn)噴霧量和霧滴尺寸分別可控。黃曉宇等[52]基于磁流變效應(yīng)設(shè)計(jì)了可根據(jù)線圈電壓與磁流變液注入量調(diào)節(jié)流量的變量噴頭。變量噴頭同樣存在響應(yīng)較慢的時(shí)滯問(wèn)題。劉文帥等[53]通過(guò)彈性噴嘴設(shè)計(jì)了變量噴頭，噴嘴出水口徑隨壓力增加而增大，噴頭流量與工作壓力呈二次多項(xiàng)式關(guān)系。宋樂(lè)鵬等[54]采用變論域自適應(yīng)方法改進(jìn)了模糊PID控制器，應(yīng)用于流量閥控制，響應(yīng)時(shí)間為0.93 s，提高閥的響應(yīng)速度。

圖6 VariTarget變量噴頭[49]Fig. 6 VariTarget variable rate nozzle

2.2.3 PWM調(diào)流技術(shù)

脈寬調(diào)制(pulse width modulation, PWM)調(diào)流技術(shù)響應(yīng)速度快，流量調(diào)節(jié)范圍較大，在常規(guī)噴頭上改裝即可達(dá)到流量控制要求，是目前較理想的調(diào)流技術(shù)。PWM技術(shù)通過(guò)脈沖方式快速啟閉設(shè)備控制電子執(zhí)行元件。Ken等[55]將PWM技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)噴霧，通過(guò)在噴頭的入口處安裝電磁驅(qū)動(dòng)閥，研究了PWM流量控制系統(tǒng)壓力與流量之間的關(guān)系，通過(guò)實(shí)驗(yàn)建立噴頭流量與脈沖頻率、占空比間的關(guān)系曲線。Liu等[56]開(kāi)發(fā)了多路PWM集成化控制器，通過(guò)PWM獨(dú)立控制多噴頭系統(tǒng)中的每個(gè)噴頭。蔡祥等[57]借助流量計(jì)，搭建了基于PWM的農(nóng)藥注入量閉環(huán)控制系統(tǒng)。PWM控制信號(hào)頻率、占空比和噴霧壓力對(duì)噴霧流量、霧滴粒徑、霧化過(guò)程及動(dòng)態(tài)噴霧霧滴分布均勻性有較大影響[58]。

PWM調(diào)節(jié)流量的精度很大程度上取決于電磁閥的響應(yīng)頻率，頻率越高，電磁閥調(diào)節(jié)流量的范圍越大，流量控制越準(zhǔn)確。由于高速電磁閥成本較高，目前通過(guò)改進(jìn)PWM算法以提升低成本電磁閥的性能。電磁閥由于其機(jī)械性，從開(kāi)到閉或從閉到開(kāi)均需響應(yīng)時(shí)間。Shahemabadi等[59]測(cè)試的Burkert6013型電磁閥開(kāi)到閉和閉到開(kāi)的響應(yīng)時(shí)間分別為20和30 ms。

流量調(diào)控技術(shù)中壓力調(diào)流與變量噴頭技術(shù)雖然存在時(shí)滯較長(zhǎng)、流量調(diào)節(jié)范圍較窄等問(wèn)題，但由于其成本較低，仍被廣泛應(yīng)用于精準(zhǔn)施藥中。目前較為理想的PWM調(diào)流技術(shù)依然存在電磁閥成本較高，且高頻電磁閥的使用壽命較短等技術(shù)問(wèn)題。

3 氣流控制技術(shù)

3.1 風(fēng)速風(fēng)量需求理論研究

風(fēng)送噴霧中，不同樹(shù)木冠層對(duì)風(fēng)速和風(fēng)量的需求不同，需要根據(jù)樹(shù)冠的體積和稠密度進(jìn)行調(diào)節(jié)。精準(zhǔn)施藥通過(guò)靶標(biāo)冠層特征計(jì)算目標(biāo)樹(shù)木的風(fēng)速風(fēng)量需求，保證藥液輸送到靶標(biāo)位置，最大程度減少飄移，實(shí)現(xiàn)風(fēng)速和風(fēng)量按需調(diào)控。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)風(fēng)力影響霧滴在樹(shù)木冠層內(nèi)部的沉積以及防止霧滴飄移方面進(jìn)行了大量的研究[60-61]，對(duì)風(fēng)速風(fēng)量需求方面研究較少。戴奮奮[62]基于風(fēng)送噴霧作業(yè)中的風(fēng)量需求和風(fēng)速需求提出“置換原則”和“末速度原則”，如圖7所示。

注：V為噴霧機(jī)作業(yè)速度；L為噴霧機(jī)與樹(shù)干距離；H為樹(shù)高；vf為貫穿冠層氣流末速度。圖7 風(fēng)送噴霧置換原則和末速度原則[62]Fig. 7 Principle of air volume displacement and air final velocity for orchard air-assisted spraying

氣流速度對(duì)霧滴在冠層的沉積有顯著影響，風(fēng)速調(diào)節(jié)需要分析氣流速度在噴霧場(chǎng)中的衰減規(guī)律，通過(guò)冠層末端氣流速度反求出氣流出口速度，調(diào)整風(fēng)速調(diào)節(jié)裝置。Larbi等[63]分析了氣流從噴霧機(jī)出口到進(jìn)入冠層的氣流衰減與霧滴沉積變化規(guī)律，建立了霧滴沉積的預(yù)測(cè)模型。周良富等[64]采用量綱分析了環(huán)向出風(fēng)式噴霧機(jī)噴霧氣流的軸向速度衰減規(guī)律和射流擴(kuò)展規(guī)律?？紤]樹(shù)木冠層特征對(duì)風(fēng)速的影響，F(xiàn)riso等[65-66]基于射流方程建立了氣流速度在冠層分布數(shù)學(xué)模型，得到了果園噴霧機(jī)施藥過(guò)程中穿過(guò)冠層的風(fēng)速衰減方程，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與葡萄園中測(cè)量得的冠層出口風(fēng)速有較好的一致性。孫誠(chéng)達(dá)等[67]研究了葉面積體密度、出口風(fēng)速和取樣深度對(duì)樹(shù)冠內(nèi)霧滴穿透比例分布規(guī)律的影響，并以穿透率、沉積率和飄移率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立模型求解對(duì)不同葉面積體密度果樹(shù)進(jìn)行風(fēng)送噴霧所需的最佳出口風(fēng)速。目前國(guó)內(nèi)外集中在風(fēng)速、風(fēng)場(chǎng)對(duì)霧滴在樹(shù)木上的沉積效率與均勻性上開(kāi)展研究[68]，對(duì)風(fēng)速與風(fēng)量需求理論研究還不夠深入，特別是結(jié)合樹(shù)木冠層特征及外界因素進(jìn)行風(fēng)速風(fēng)量需求理論研究。

3.2 風(fēng)量調(diào)控方法

風(fēng)送系統(tǒng)調(diào)控方法主要有風(fēng)機(jī)進(jìn)、出風(fēng)口面積調(diào)節(jié)和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)等，也可通過(guò)調(diào)整出風(fēng)口到噴霧靶標(biāo)的距離實(shí)現(xiàn)。Khot等[69]通過(guò)在噴霧機(jī)出風(fēng)口安裝遮擋板的方式改變出風(fēng)口面積來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)力，并通過(guò)安裝在噴霧機(jī)上的空氣分流裝置控制兩側(cè)出風(fēng)口氣流。Osterman等[70]通過(guò)移動(dòng)風(fēng)機(jī)氣流出口位置，雖然無(wú)法調(diào)節(jié)出口風(fēng)速風(fēng)量，噴霧靶標(biāo)處風(fēng)速風(fēng)量大小可通過(guò)出口與靶標(biāo)間距離調(diào)節(jié)。姜紅花等[71]提出一種單風(fēng)機(jī)多風(fēng)管旁路調(diào)風(fēng)技術(shù)，依據(jù)構(gòu)建的基于果樹(shù)分割冠層特征的蝶閥開(kāi)度模型計(jì)算各出風(fēng)口蝶閥的理論開(kāi)度，結(jié)合PID變量調(diào)控技術(shù)控制蝶閥實(shí)現(xiàn)各出風(fēng)口風(fēng)量實(shí)時(shí)調(diào)控。目前最常用的風(fēng)量調(diào)節(jié)方式是調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。Hoownicki等[72]在雙軸流風(fēng)扇系統(tǒng)基礎(chǔ)上使用具有固定葉片的變速葉輪，開(kāi)發(fā)了一種可變空氣輔助系統(tǒng)，具有連續(xù)實(shí)時(shí)風(fēng)量調(diào)節(jié)功能，可遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)風(fēng)量。李龍龍等[73]為滿足果園噴霧風(fēng)量調(diào)節(jié)需求，在每個(gè)霧化單元安裝獨(dú)立的風(fēng)扇，通過(guò)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速改變風(fēng)量。目前風(fēng)量控制還無(wú)法根據(jù)冠層結(jié)構(gòu)變化控制氣流，且系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，相關(guān)研究大多通過(guò)改變氣流道分布形式[74]改善噴霧氣流場(chǎng)。

4 精準(zhǔn)施藥裝備

國(guó)內(nèi)外為解決傳統(tǒng)噴霧機(jī)無(wú)法識(shí)別樹(shù)木靶標(biāo)及靶標(biāo)間特征差異而連續(xù)噴霧造成農(nóng)藥浪費(fèi)及環(huán)境污染等問(wèn)題，開(kāi)展了自動(dòng)精準(zhǔn)施藥噴霧裝備的研究探索。精準(zhǔn)施藥技術(shù)從起初的對(duì)靶施藥，通過(guò)傳感器檢測(cè)目標(biāo)位的位置，實(shí)現(xiàn)“有樹(shù)噴藥，無(wú)樹(shù)不噴”的初級(jí)階段，到目前結(jié)合樹(shù)木冠層多方面信息如體積、稠密程度等進(jìn)行精確的藥量控制，取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，大大節(jié)約了農(nóng)藥使用量。

4.1 地面施藥裝備

目前主流的精準(zhǔn)施藥裝備是在已有的噴霧機(jī)上搭載精準(zhǔn)施藥系統(tǒng)，安裝電控流量調(diào)節(jié)裝置。國(guó)內(nèi)外主要精準(zhǔn)變量噴霧裝備如圖8所示，其主要技術(shù)特點(diǎn)見(jiàn)表3。為適應(yīng)不同的樹(shù)木生長(zhǎng)特點(diǎn)，有適用于郁閉度高的環(huán)形噴霧機(jī)(圖8a)，和適用于標(biāo)準(zhǔn)化種植的柔性多通道式(圖8b)、塔式(圖8c)、多組圓盤(pán)式(圖8d)噴霧機(jī)?；诓煌膫鞲衅魈綔y(cè)技術(shù)獲取冠層信息，通過(guò)噴霧決策系統(tǒng)控制噴霧的流量及風(fēng)量。

圖8 典型精準(zhǔn)施藥裝備Fig. 8 Typical precision spraying equipments

為了使噴霧機(jī)構(gòu)更加貼合靶標(biāo)，充分考慮靶標(biāo)形狀對(duì)噴霧效果的影響，一些學(xué)者考慮在原有對(duì)靶噴霧技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用仿形機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)靶標(biāo)的精準(zhǔn)施藥(圖8e)。對(duì)于高大林木的病蟲(chóng)害精準(zhǔn)防治國(guó)內(nèi)外鮮有報(bào)道。甘英俊等[78]設(shè)計(jì)了基于機(jī)器視覺(jué)的車載式高射程噴霧機(jī)(圖8f)，對(duì)高大林木及行道樹(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)施藥。從國(guó)內(nèi)外技術(shù)研發(fā)結(jié)果看，超聲波傳感法和LiDAR技術(shù)應(yīng)用前景較好。目前研究更多地集中于作物種類、形態(tài)結(jié)構(gòu)識(shí)別上，噴霧關(guān)鍵參數(shù)主要是體積與位置，基于病理信息的變量施藥技術(shù)還處于初始階段。

表3 國(guó)內(nèi)外典型精準(zhǔn)變量噴霧機(jī)現(xiàn)狀Table 3 Current situation of typical precise variable rate sprayers at domestic and international markets

從國(guó)內(nèi)外精準(zhǔn)施藥裝備現(xiàn)狀可以看出，國(guó)外已經(jīng)形成模塊化的變量施藥系統(tǒng)，在已有噴霧機(jī)上安裝變量施藥模塊即能實(shí)現(xiàn)對(duì)靶精準(zhǔn)施藥，在歐美一些國(guó)家和地區(qū)已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。國(guó)內(nèi)樹(shù)木種植以家庭種植方式為主，無(wú)法形成大規(guī)模的規(guī)范園區(qū)，農(nóng)藝管理較為粗放，行株距不規(guī)范，行間郁閉，影響植保機(jī)械通過(guò)性，不適宜機(jī)械化的精準(zhǔn)施藥，同時(shí)由于精準(zhǔn)施藥裝備價(jià)格較貴，一般生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)者無(wú)法承擔(dān)；因此國(guó)內(nèi)精準(zhǔn)施藥裝備大多處于試驗(yàn)研發(fā)階段，未形成產(chǎn)業(yè)化。隨著社會(huì)對(duì)環(huán)境保護(hù)和產(chǎn)品安全的重視，以及國(guó)家建設(shè)現(xiàn)代化農(nóng)村的推進(jìn)，精準(zhǔn)施藥裝備具有廣闊的市場(chǎng)。

4.2 航空施藥裝備

航空施藥是利用飛機(jī)或其他飛行器搭載藥箱將農(nóng)藥從空中噴灑在目標(biāo)區(qū)域的施藥方法，具有應(yīng)對(duì)突發(fā)性病蟲(chóng)害能力強(qiáng)、作業(yè)效率高、作業(yè)效果好、不破壞作物及土壤結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)。特別是近些年隨著無(wú)人機(jī)的迅速發(fā)展，除固定翼飛機(jī)、直升機(jī)植保外，植保無(wú)人機(jī)低空低量航空施藥技術(shù)成為研究熱點(diǎn)。植保無(wú)人機(jī)以油動(dòng)單旋翼和電動(dòng)單旋翼、四旋翼、六旋翼、八旋翼等機(jī)型為主。植保無(wú)人機(jī)的藥箱容量一般在5～20 L，噴幅范圍在5～20 m，病蟲(chóng)害防治可達(dá)到6 hm2/h[79]。除了具備航空施藥的一般優(yōu)點(diǎn)，植保無(wú)人機(jī)還具有機(jī)動(dòng)靈活性好、復(fù)雜地形適應(yīng)性好、可實(shí)現(xiàn)仿地形飛行和定點(diǎn)噴灑、作業(yè)質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)。但植保無(wú)人機(jī)也存在以下問(wèn)題：①噴霧性能不足，對(duì)大型或茂密的植物霧滴穿透性差、霧滴分布不均勻，飛行高度較大時(shí)對(duì)靶性能不足，農(nóng)藥飄移風(fēng)險(xiǎn)增加；②載重量小，攜藥量低，電池續(xù)航時(shí)間短；③專業(yè)性較強(qiáng)，無(wú)人機(jī)操作系統(tǒng)需要較高的操作技巧，存在飛行安全隱患；④飛行穩(wěn)定性不足、氣動(dòng)效率低，影響防治效果。研究人員針對(duì)植保無(wú)人機(jī)開(kāi)展旋翼下洗風(fēng)場(chǎng)、噴頭類型及噴霧參數(shù)對(duì)霧滴沉積及漂移特性影響方面的研究，同時(shí)開(kāi)展電池及續(xù)航能力、控制系統(tǒng)及航線規(guī)劃等技術(shù)的研究。隨著植保無(wú)人機(jī)相關(guān)研究的深入，其能夠成為高效的精準(zhǔn)施藥裝備。

5 展 望

通過(guò)以上綜述可以看出，現(xiàn)有的精準(zhǔn)施藥技術(shù)主要基于紅外技術(shù)、機(jī)器視覺(jué)、超聲波傳感器和激光雷達(dá)創(chuàng)建了靶標(biāo)探測(cè)方法，并通過(guò)藥量控制和風(fēng)量控制技術(shù)達(dá)到節(jié)約農(nóng)藥、降低農(nóng)藥殘留的目的。從精準(zhǔn)施藥裝備來(lái)看，國(guó)內(nèi)施藥裝備距離國(guó)際先進(jìn)施藥裝備還有一定差距，特別是在相關(guān)傳感器、電磁閥等配套設(shè)備的研制和生產(chǎn)上，目前國(guó)內(nèi)相關(guān)設(shè)備還不能滿足精準(zhǔn)施藥技術(shù)的發(fā)展需要。針對(duì)精準(zhǔn)施藥技術(shù)存在的問(wèn)題，特提出以下建議：

1)研究多傳感器協(xié)同的作物靶標(biāo)特征及病蟲(chóng)害程度在線探測(cè)。單一傳感器往往無(wú)法獲得全面的靶標(biāo)外形特征和病理信息，多傳感器協(xié)同是未來(lái)的發(fā)展方向，充分發(fā)揮傳感器各自優(yōu)勢(shì)。對(duì)于高大林木的靶標(biāo)識(shí)別不僅需要多傳感器協(xié)同，還應(yīng)從多空間位置立體協(xié)同探測(cè)。目前在線快速感知果園病蟲(chóng)害特征信息，獲得病蟲(chóng)害發(fā)病程度是農(nóng)林業(yè)植保中面臨的重大難題，需要從樹(shù)木類型和病蟲(chóng)害特性出發(fā)，通過(guò)多學(xué)科的相互協(xié)同探尋病蟲(chóng)害關(guān)鍵特征信息，開(kāi)發(fā)新技術(shù)、新方法，實(shí)現(xiàn)病蟲(chóng)害程度在線快速探測(cè)。結(jié)合病蟲(chóng)害信息與靶標(biāo)特征，做到精細(xì)化、智能化的精準(zhǔn)施藥。

2)研究開(kāi)發(fā)藥量與風(fēng)量快速調(diào)控技術(shù)。目前變量噴霧大多根據(jù)冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整施藥量，施藥量模型的防治效果驗(yàn)證較少，對(duì)于藥量與病蟲(chóng)害程度的施藥決策相關(guān)理論研究尚且不夠，缺乏綜合考慮冠層全特征的普適性藥量模型，是農(nóng)林精準(zhǔn)施藥亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。研發(fā)性能優(yōu)、壽命長(zhǎng)的流量調(diào)控關(guān)鍵部件，如變量噴頭、電磁閥等。風(fēng)量在線調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)及其控制方法目前還未深入研究，充分考慮樹(shù)木冠層結(jié)構(gòu)、枝葉特征、環(huán)境風(fēng)速和風(fēng)向等多種影響因素，進(jìn)行風(fēng)速、風(fēng)量需求理論研究值得引起廣大學(xué)者關(guān)注，應(yīng)采用理論與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方式構(gòu)建風(fēng)量、風(fēng)速需求模型。深入研究風(fēng)速和風(fēng)量快速調(diào)控方法，研發(fā)相應(yīng)的風(fēng)力調(diào)控裝置，并通過(guò)田間試驗(yàn)進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和產(chǎn)品化開(kāi)發(fā)。

3)推廣標(biāo)準(zhǔn)化的種植模式，發(fā)展立體協(xié)同的智能植保系統(tǒng)。針對(duì)果園、林地等多種農(nóng)林業(yè)種植場(chǎng)所和不同作物的生長(zhǎng)特征開(kāi)展特種裝備的研制，特別是對(duì)于人工林和行道樹(shù)等高大林木的精準(zhǔn)施藥裝備研制上。開(kāi)發(fā)模塊化精準(zhǔn)施藥系統(tǒng)植入現(xiàn)有的噴霧機(jī)，降低噴霧裝備成本，便于精準(zhǔn)施藥的推廣。同時(shí)集成傳感器技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研發(fā)植保機(jī)器人，開(kāi)發(fā)全自動(dòng)無(wú)人化的植保系統(tǒng)以及地面與航空施藥裝備多機(jī)協(xié)同的智能決策系統(tǒng)。針對(duì)樹(shù)冠高大、行間郁閉的林區(qū)與果園，通過(guò)地面植保機(jī)械與植保無(wú)人機(jī)結(jié)合的地空協(xié)同立體植保作業(yè)能夠解決施藥難、霧滴分布不均等問(wèn)題，提高林木植保機(jī)械化水平。