無(wú)人機(jī)噴霧參數(shù)對(duì)粳稻冠層沉積量的影響及評(píng)估

杜 文，曹英麗，許童羽，叢 林，洪 雪，唐 瑞

(沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110161)

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無(wú)人機(jī)噴霧參數(shù)對(duì)粳稻冠層沉積量的影響及評(píng)估

杜 文，曹英麗，許童羽，叢 林，洪 雪，唐 瑞

(沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110161)

主要研究了植保無(wú)人機(jī)在水稻灌漿期噴施磷酸二氫鉀(KH2PO4)的作業(yè)效果及八旋翼無(wú)人機(jī)噴霧參數(shù)對(duì)水稻葉片霧滴沉積分布的影響，測(cè)試分析了無(wú)人機(jī)在水稻灌漿期植保作業(yè)時(shí)霧滴的沉積效果。研究采用霧滴測(cè)試卡接收霧滴，通過(guò)調(diào)節(jié)無(wú)人機(jī)的作業(yè)高度進(jìn)行霧滴沉積量評(píng)估試驗(yàn)。根據(jù)作業(yè)高度不同，共設(shè)計(jì)3組試驗(yàn)，高度分別是3、4、5m。結(jié)果表明：不同作業(yè)高度時(shí)，霧滴在水稻冠層和下層具有不同的沉積效果，且分布均勻性的變異系數(shù)也不同。作業(yè)高度5m時(shí)，霧滴在水稻葉片上的總沉積量最少，均勻性最差，冠層和下層的變異系數(shù)分別為92.11%、150.29%；作業(yè)高度3m時(shí)，霧滴在水稻葉片上的總沉積量高于4m和5m時(shí)的沉積量，均勻性較好，冠層和下層的變異系數(shù)分別為32.94%、49.47%。3組作業(yè)高度均顯示：霧滴在水稻冠層的沉積量高于下層葉片，葉片正面的沉積量高于反面，葉片反面沉積量可達(dá)到正面葉片的1/2以上。本研究對(duì)八旋翼無(wú)人機(jī)高效利用、提高農(nóng)藥噴施作業(yè)效率、增加水稻產(chǎn)量具有深遠(yuǎn)的意義。

水稻；八旋翼無(wú)人機(jī)；沉積量；穿透性

0 引言

東北地區(qū)是我國(guó)重要的糧食產(chǎn)區(qū)，粳稻是該地區(qū)主要的糧食作物之一。在整個(gè)粳稻的培植過(guò)程中，主要有3個(gè)階段，即前期、中期和后期。在粳稻培植前期，主要是促進(jìn)稻苗發(fā)育；中期促使株莖壯實(shí)，形成大穗；后期養(yǎng)根保葉，提高結(jié)實(shí)率[1-2]。本試驗(yàn)在粳稻灌漿期進(jìn)行，屬于后期。粳稻培植的中后期對(duì)肥料和水量的需求較大，一般施用基肥、葉面肥及分蘗肥等肥料，且培植過(guò)程中可能出現(xiàn)稻瘟病、紋枯病及稻縱卷葉螟等病蟲(chóng)害，因此化肥與農(nóng)藥在粳稻的培植過(guò)程中必不可少[3]。自2015年開(kāi)始，農(nóng)業(yè)部啟動(dòng)“減肥、減藥”行動(dòng)，力爭(zhēng)到2020年化肥利用率和主要農(nóng)作物農(nóng)藥利用率均達(dá)到40%以上，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物化肥、農(nóng)藥使用量零增長(zhǎng)。傳統(tǒng)人工施肥施藥時(shí)，大約有20%～30%以上的細(xì)小霧滴由于氣流的作用被攜帶向非靶標(biāo)區(qū)域漂移，同時(shí)灌漿期水稻封行，人在田間行走不便，大部分藥液會(huì)在人工施藥時(shí)被身體刮落、帶走，從而影響防效、浪費(fèi)農(nóng)藥。這些問(wèn)題不僅使環(huán)境受到污染，而且對(duì)施藥人員的健康也將造成威脅。隨著社會(huì)的發(fā)展和先進(jìn)技術(shù)的不斷探索，無(wú)人機(jī)施藥在中國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中悄然發(fā)揮巨大潛能[4]。

我國(guó)東北地區(qū)平原居多，多旋翼無(wú)人機(jī)適合在該地形條件噴藥作業(yè)，既節(jié)省人力、不會(huì)壓實(shí)土壤或破壞水稻根系，又具有作業(yè)高度低、靈活輕便、施藥效率高等特點(diǎn)[5]。在人們對(duì)無(wú)人機(jī)施藥不斷認(rèn)可的同時(shí)，施藥后的噴灑效果成為關(guān)注的焦點(diǎn)。多旋翼無(wú)人機(jī)施藥效果與噴頭類型、噴頭排列間距、飛行高度、飛行速度、溫度及風(fēng)速等諸多參數(shù)密切相關(guān)，這些參數(shù)直接影響霧滴的沉積量與均勻程度及穿透程度等[6-7]。隨著近年來(lái)農(nóng)用無(wú)人機(jī)在植保作業(yè)中的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)農(nóng)用無(wú)人機(jī)的施藥效果及田間病蟲(chóng)害防治效果等問(wèn)題進(jìn)行了研究。張偉等[8]介紹了多旋翼無(wú)人機(jī)的優(yōu)勢(shì)，探討了其在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的廣闊前景。張京等[9]研究了無(wú)人駕駛直升機(jī)噴霧參數(shù)在水稻上對(duì)霧滴沉積分布的影響，指出紅外熱成像技術(shù)能夠反映出霧滴在水稻冠層的沉積規(guī)律。秦維彩等[10]研究了N-3型無(wú)人直升機(jī)噴霧參數(shù)對(duì)玉米冠層霧滴沉積分布的影響。Bird等[11]在大田對(duì)航空噴霧非靶區(qū)的霧滴沉積進(jìn)行試驗(yàn)，并指出霧滴尺寸及風(fēng)速對(duì)其影響規(guī)律。Huang等[12]開(kāi)發(fā)了無(wú)人機(jī)植保作業(yè)施藥系統(tǒng)，測(cè)試了霧滴粒徑和噴霧流量。由于無(wú)人機(jī)施藥時(shí)均用高濃度藥液，薛新宇等[13-14]探究了高濃度藥液對(duì)水稻品質(zhì)的影響。研究發(fā)現(xiàn)：傳統(tǒng)施藥和無(wú)人機(jī)施藥均會(huì)對(duì)水稻籽粒的微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，無(wú)人機(jī)施藥時(shí)的影響更小。本文選用葉面肥KH2PO4，采用多旋翼無(wú)人機(jī)施藥作業(yè)，針對(duì)不同作業(yè)高度對(duì)霧滴在粳稻葉片的沉積量進(jìn)行研究。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

無(wú)人機(jī)噴霧作業(yè)選用八旋翼無(wú)人機(jī)，其系統(tǒng)由機(jī)體、動(dòng)力系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)及高能鋰電池組組成。無(wú)人機(jī)最大有效載荷30kg，留空時(shí)長(zhǎng)30min，最大抗風(fēng)能力4級(jí)，控制模式為手動(dòng)控制和自動(dòng)控制，巡航速度3m/s，作業(yè)高度3～5m，作業(yè)高度和速度可以根據(jù)作業(yè)要求調(diào)控。載重藥箱為25L，噴幅為6m，4個(gè)離心噴頭，噴頭流量250mL/min。

試驗(yàn)選用KH2PO4劑量3 000g/hm2。該葉面肥能夠增強(qiáng)水稻抗旱、抗病、抗倒伏能力，提高水稻品質(zhì)，從而增加產(chǎn)量；采用瑞士先正達(dá)作物保護(hù)公司的霧滴測(cè)試卡布置在水稻葉片上，測(cè)試霧滴沉積個(gè)數(shù)，霧滴測(cè)試卡大小26mm×76mm，黃色測(cè)試卡遇霧滴時(shí)呈現(xiàn)藍(lán)色狀態(tài)(見(jiàn)圖1)；使用香港希瑪儀表有限公司的溫濕度表記錄田間離作物高1.0m處的空氣溫度、濕度；深圳聚茂源科技有限公司的風(fēng)速儀每隔60s記錄離作物2m處的風(fēng)速；ENVI圖像分析軟件分析測(cè)量測(cè)試卡上霧滴個(gè)數(shù)。

圖1 霧滴測(cè)試卡

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2015年9月8日在遼寧省沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻試驗(yàn)基地進(jìn)行(見(jiàn)圖2)，作物生育期為灌漿期，

植株高度約120cm。在試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，用溫濕度表和風(fēng)速儀測(cè)量并記錄環(huán)境參數(shù)：平均溫度23.8℃，相對(duì)濕度39.3%，風(fēng)速1.464m/s。

圖2 噴霧試驗(yàn)及水敏紙布置現(xiàn)場(chǎng)

進(jìn)行八旋翼無(wú)人機(jī)噴灑在水稻葉片霧滴沉積量的試驗(yàn)時(shí)，選用13m×26m的3個(gè)矩形田塊，完成3組不同高度的試驗(yàn)。若時(shí)間過(guò)早，水稻的露水會(huì)影響霧滴測(cè)試卡測(cè)量；而時(shí)間過(guò)晚，霧滴受溫度的影響易蒸發(fā)。因此，試驗(yàn)定于早8：30開(kāi)始。在田間進(jìn)行無(wú)人機(jī)作業(yè)高度分別設(shè)定為離作物頂端3、4、5m，作業(yè)噴幅均為6m。每個(gè)田塊上間隔8m做一組重復(fù)試驗(yàn)，共做3組重復(fù)，如圖3所示。噴霧開(kāi)始前，沿?zé)o人機(jī)飛行方向，在離起點(diǎn)8、16、24m處各設(shè)一處?kù)F滴采收帶。沿垂直無(wú)人機(jī)飛行方向，將霧滴測(cè)試卡布在水稻冠層和下層，每間隔2～3株水稻布一個(gè)點(diǎn)，連續(xù)布13點(diǎn)，約覆蓋35株。采收帶長(zhǎng)度約10m，大于噴幅范圍，以便收集所有霧滴。霧滴測(cè)試卡分別布在水稻冠層葉片和離冠層1/3處葉片(約離地80cm)，用曲別針夾于葉片的正反兩面。試驗(yàn)中，無(wú)人機(jī)采用自主作業(yè)方式，按照預(yù)設(shè)的中軸線飛行，為避免霧滴漂移現(xiàn)象造成誤差，試驗(yàn)小區(qū)邊緣均設(shè)有10m以上的緩沖隔離帶，每架次噴霧試驗(yàn)完畢約20min；霧滴測(cè)試卡晾干后，佩戴一次性手套按順序收取霧滴測(cè)試卡，并編號(hào)、封裝，帶回試驗(yàn)室進(jìn)行分析。

圖3 水稻霧滴沉積試驗(yàn)總體布控圖

2 霧滴沉積狀態(tài)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)方法

2.1 霧滴個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)方法

2.1.1 最大似然法

霧滴個(gè)數(shù)的統(tǒng)計(jì)采用圖像識(shí)別的方式，選取監(jiān)督分類中的最大似然法。最大似然法Maximum Likelihood Estimate，MLE)也稱作最大概似估計(jì)或最大似然估計(jì)，其原理為：在一個(gè)模型中隨機(jī)抽取n組樣本，樣本有若干可能的結(jié)果a，b，c，…。若僅抽取一次樣本，結(jié)果為a，則認(rèn)為抽樣條件對(duì)a出現(xiàn)的概率很大，通常事件a發(fā)生的概率與參數(shù)theta相關(guān)，記a發(fā)生的概率為P(a，theta)，則theta的估計(jì)應(yīng)使上述事件發(fā)生概率最大，這樣的theta稱為最大似然估計(jì)[15]。

本文在霧滴個(gè)數(shù)提取中，首先在ENVI中通過(guò)圖像拉伸處理，霧滴與測(cè)試卡的顏色有明顯差異，利用人工經(jīng)驗(yàn)的方法，選取一定數(shù)量的霧滴沉積點(diǎn)作為訓(xùn)練樣本。在此基礎(chǔ)上，采用基于最大似然法的監(jiān)督分類方法，最終得到沉積個(gè)數(shù)，如圖4所示。

圖4 ENVI監(jiān)督分類處理后圖像

2.1.2 Majority/Minority分析

由于分類采集測(cè)試卡上的霧滴存在粘連的現(xiàn)象，不可避免地也會(huì)產(chǎn)生一些面積很小的圖斑，本試驗(yàn)選用Majority/Minority分析對(duì)這些特殊的霧滴重新分類或者剔除。Majority/Minority分析是用類似卷積濾波的方法，把較大類別中的虛假像元?dú)w到該類，定義一個(gè)變換核尺寸，使用變換核中占主要地位的像元類別代替中心像元的類別[16]。如果使用次要分析，將用變換核中占次要地位的像元的類別代替中心像元的類別。

假設(shè)3×3象元區(qū)域(見(jiàn)圖5)，Majority/Minority分析的目標(biāo)就是修改中心象元會(huì)修改為△，這是因?yàn)椤魇钦紨?shù)目最多的象元。圖6中的(a)和(b)分別為經(jīng)Majority/Minority分析處理前后的圖像，可以看出處理后的圖像噪聲較少。

2.2 霧滴分布均勻性

采用變異系數(shù)[17]V作為霧滴分布均勻性的度量，變異系數(shù)為

式中 S—標(biāo)準(zhǔn)差；

Xi—各霧滴測(cè)試卡單位面積的霧滴數(shù)；

n—每層霧滴測(cè)試卡總數(shù)。

圖5 Majority/Minority分析原理說(shuō)明

圖6 霧滴沉積個(gè)數(shù)提取優(yōu)化對(duì)比

3 結(jié)果與分析

3.1 不同作業(yè)高度對(duì)霧滴沉積分布的影響

由于霧滴測(cè)試卡大小與水稻葉片略有不同，且人工安裝時(shí)位置不可能完全一致，因此用霧滴測(cè)試卡代替水稻葉片存有一定誤差。為盡量減小誤差，布點(diǎn)時(shí)所有的測(cè)試卡長(zhǎng)邊與水稻葉片長(zhǎng)邊平行，盡量仿造葉片生長(zhǎng)姿態(tài)，使得霧滴測(cè)試卡上的霧滴分布可以近似表明不同作業(yè)高度水稻葉片的霧滴著葉效果。

經(jīng)后期對(duì)霧滴測(cè)試卡處理篩選，將邊界卡片剔除后，均取11片布點(diǎn)的測(cè)試卡計(jì)算霧滴個(gè)數(shù)，3種不同作業(yè)高度下的重復(fù)試驗(yàn)分別求平均后得到試驗(yàn)結(jié)果，如圖7所示。圖7中，橫坐標(biāo)代表水稻植株布置霧滴測(cè)試卡的標(biāo)號(hào)，縱坐標(biāo)代表每株水稻葉片冠層和下層采樣位置霧滴沉積個(gè)數(shù)的總和。

圖7 不同作業(yè)高度下霧滴在水稻葉片的沉積個(gè)數(shù)分布曲線

由圖7可以看出：不同高度下的藥液在水稻葉片上的沉積明顯不同。作業(yè)高度3m時(shí)，霧滴沉積個(gè)數(shù)大于280滴的布點(diǎn)標(biāo)號(hào)約為3～8，覆蓋長(zhǎng)度大約5m；作業(yè)高度4m和5m時(shí)，霧滴沉積個(gè)數(shù)4m>5m，霧滴個(gè)數(shù)大于280滴的覆蓋長(zhǎng)度小于3m，且局部霧滴沉積個(gè)數(shù)變化較大。由圖7還可看出：4m和5m兩種作業(yè)高度下，霧滴沉積量較大區(qū)域均偏離飛行中線。這說(shuō)明，作業(yè)高度太高會(huì)導(dǎo)致霧滴漂移增大，不易被目標(biāo)俘獲，霧滴會(huì)飄散到非靶向區(qū)域或蒸發(fā)。由此可知，作業(yè)高度3m時(shí)水稻葉片上沉積霧滴的效果好于4m和5m。

3.2 水稻植株葉片正反面著葉效果研究

本試驗(yàn)噴灑的葉面肥以葉片吸收為目的，水稻葉片上下表層均有氣孔，氣孔是養(yǎng)分進(jìn)入植株內(nèi)部的主要通道[18]。無(wú)人機(jī)施藥時(shí)，旋翼產(chǎn)生向下的氣流使水稻正反葉片均可能有霧滴沉積現(xiàn)象，但霧滴沉積在葉片下表層是否會(huì)得到更優(yōu)藥效，目前尚未可知。

不同作業(yè)高度對(duì)霧滴在水稻整體葉片上的沉積量有明顯影響，如圖7所示。與此同時(shí)，3種作業(yè)高度下，霧滴在水稻正反葉片上的沉積分布也呈一定趨勢(shì)，如圖8所示。3、4、5m作業(yè)高度下，水稻葉片正面霧滴沉積量均優(yōu)于反面，葉片反面霧滴沉積量占總沉積量的比為38.04%、39.74%、43.27%。隨著無(wú)人機(jī)作業(yè)高度的增加，水稻葉片感知到旋翼向下的氣流將會(huì)減弱，因此葉片被吹翻轉(zhuǎn)的可能性將降低，而葉片反面霧滴沉積量占總沉積量的比逐漸變大，很大程度是由葉面正面的沉積量快速減少所引起。由此可見(jiàn)，隨著作業(yè)高度增加，葉片正面沉積量減少的速度快于葉片反面，3m升至4m時(shí)葉片正面沉積量減少的量度遠(yuǎn)大于4m升至5m時(shí)沉積量減少的量度。

圖8 不同作業(yè)高度下水稻正反葉片沉積量分布

3.3 霧滴分布均勻性及穿透性

一般霧滴在水稻葉片均勻分布的程度可用變異系數(shù)表示，變異系數(shù)越小，霧滴分布均勻性越好[19]。表1是不同高度水稻冠層和下層葉片正反面的變異系數(shù)。由表1可以看出：霧滴均勻性3m>4m>5m，3m時(shí)效果最好，水稻冠層正面變異系數(shù)為25.48%。

表1 不同高度時(shí)霧滴分布均勻性

隨作業(yè)高度增加，水稻冠層和下層葉片的霧滴沉積分布趨勢(shì)有所改變，如圖9所示。從冠層到下層的沉積量逐漸變小，3種作業(yè)高度下層沉積量分別占各總沉積量的42.8%、41.2%、45.1%。試驗(yàn)結(jié)果表明：多旋翼無(wú)人機(jī)在低空施藥時(shí)，螺旋槳產(chǎn)生的下旋氣流能很好地使霧滴具有穿透性。

圖9 水稻冠層和下層葉片沉積量分布

4 討論與結(jié)論

1)3種作業(yè)高度條件下，距離地面作業(yè)高度3m時(shí)，水稻葉片整體霧滴沉積量相對(duì)較多，分布均勻性好于另外兩個(gè)高度。隨著作業(yè)高度的不斷上升，霧滴漂失增加，使霧滴沉積減少，分布均勻性降低。

2)采用多旋翼無(wú)人機(jī)噴灑作業(yè)，霧滴在水稻植株葉片正反面均有一定的著葉效果，但正面的著葉效果仍優(yōu)于反面；隨作業(yè)高度升高，葉片正面沉積量減少的速度快于葉片反面。

3)不同作業(yè)高度下，水稻冠層葉片沉積量均高于下層葉片，下層葉片沉積量可占總沉積量的40%左右，說(shuō)明無(wú)人機(jī)施藥時(shí)穿透性較好。

本文仍存在一些問(wèn)題值得探討：結(jié)論中3m時(shí)霧滴著葉效果最佳，但繼續(xù)降低作業(yè)高度，效果是否會(huì)更好需要進(jìn)一步驗(yàn)證；采用多旋翼無(wú)人機(jī)施藥時(shí)，螺旋槳產(chǎn)生向下的氣流會(huì)將部分水稻葉片吹翻，使水稻植株反面著藥，葉片反面著藥是否有助于營(yíng)養(yǎng)吸收有待研究。

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Effect and Assessment of UAV Spraying Parameters at Japonica Rice Canopies

Du Wen， Cao Yingli， Xu Tongyu， Cong Lin， Hong Xue， Tang Rui

(Shenyang Agricultural University, College of Information and Electrical Engineering, Shenyang 110161, China)

In order to explore the effect of spray droplet deposition and applications of multi-rotor unmanned aerial vehicle at late rice growth, spray test was done at different working heights. We used droplets test card receive droplets, and according to the different working height, three groups of experiment to be designed, respectively is 3 meters, 4 meters and 5 meters. The analysis results showed that: In different working height, droplets in rice canopy and lower level had different sedimentary effect, and the distribution uniformity coefficient of variation was also different. The total quantity of droplet deposition at the targets reached minimum when the working height was 5 meters. Meanwhile, canopy and the lower blade had a largest coefficient of variation value of 92.11%, 150.29%.The total quantity of droplet deposition at the targets reached maximum when the working height was 3 meters. Meanwhile, canopy and the lower blade had a smallest coefficient of variation value of 32.94%,49.47%. Three groups of tests showed height showed droplet deposition of rice was higher than the lower blade, blade side is higher than another side. The research also has a significance in reasonably spraying pesticide, increase rice production and improving the efficiency of spraying.

rice; deposition; penetrability； UAV

2016-05-19

遼寧省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014104017)

杜 文(1989 -),女,遼寧丹東人,博士研究生,(E-mail)duwen374@163.com。

許童羽(1967 -),男,沈陽(yáng)人,教授,博士生導(dǎo)師,(E-mail)yatongmu@163.com。

S252+.3

A

1003-188X(2017)04-0182-05